Der 3D-Druck, was ist das und wie funktioniert er ?

Ihnen ist mal wieder die Kaffeemaschine kaputtgegangen ? Statt sie zum Hersteller zu schicken und möglicherweise zwei Wochen auf die reparierte Maschine zu warten oder gar eine ganz neue zu kaufen, haben Sie jetzt noch eine dritte Möglichkeit. Warum nicht das kaputte Teil zu Hause ausdrucken und selbst einsetzen ? Zukunftsmusik ? Ganz und gar nicht.

Die Geschichte des 3D-Drucks

Gänzlich neu ist die Technik des 3D-Drucks sicherlich nicht, denn dieser findet seit den 80er Jahren Verwendung, vor allem in der Flugzeug- und Automobilbranche. Hier werden passgenaue Bauteile hergestellt. Diese Drucker hatten jedoch enorme Ausmaße, sodass Sie für den Heimgebrauch unbrauchbar waren.

Abhilfe schafft hier die Firma Solidoodle, deren Gründer Sam Cervantes es sich seit 2011 zur Aufgabe macht "3D-Drucker kreativen Menschen überall auf der Welt zu Verfügung zu stellen". Jetzt wo die 3D-Drucker nicht mehr die Maße eines Kleinkraftwagens haben und auch nicht mehr so viel kosten wie eben erwähnter Wagen, blüht der Markt auf.

Solidoodle entwickelte einen gleichnamigen Drucker, der ohne Probleme auf heimischen Schreibtischen Platz findet und so viel kostet wie ein Tintenstrahldrucker der gehobenen Preisklasse. Ab 499 US Dollar sind diese Geräte zu haben, allerdings sind hier noch starke Abstriche in Sachen Qualität zu machen. Auch die Größe der Objekte die gedruckt werden können ist sehr beschränkt. So schafft es das Einsteigergerät auf Objektgrößen von 4x4x4 Zoll.

Für 50$ erhalten Sie ein Gerät das Objekte der Größe 6x6x6 Zoll drucken kann und wenn sie bereit sind nochmal 50$ mehr zu zahlen, erhalten sie einen Drucker, der mit einem Außengehäuse geschützt ist, allerdings ändert sich in dieser Preisklasse nichts mehr an der Größe der Objekte.

Um nun etwas mit diesen Geräten drucken zu können benötigt man von dem gewünschten Objekt eine Datei, die ein detailliertes 3D-Modell des Objektes beinhaltet. Um eine solche zu erstellen, müssen Sie kein ausgebildeter Grafiker sein oder über Kenntnisse des Programmierens verfügen. Auch eine teure Software müssen Sie sich nicht anschaffen, denn es gibt das Programm SketchUp, welches es Ihnen ermöglicht Ihre eigenen 3D-Modelle zu entwerfen. Sollte Ihnen dies allerdings nicht wie gewünscht gelingen, so gibt es noch weitere Möglichkeiten.

Es gibt Firmen an die Sie Ihre unausgereiften 3D-Modelle schicken können und diese verpassen Ihnen den letzten Feinschliff, drucken diese dann für Sie aus und schicken Ihnen Ihr Modell nach Hause, natürlich nicht ganz kostenfrei. Fabberhouse, i.materialise und Sculpteo sind einige davon.

Sollten Sie jedoch schon im Besitz eines 3D-Druckers sein, kommen allerdings mit SketchUp nicht zurecht so gibt es Plattformen wie Thingiverse oder Shapeways auf denen Nutzer Ihre eigenen Modelle hochladen. Diese stehen Ihnen dann zum Download zur Verfügung.

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an kommerziellen 3D Druckern

So gibt es "bezahlbare" und fertige 3D Drucker. Keine Bausätze mehr für Technikfreaks sondern gebrauchsfertige Geräte. XYZ Printing hat hier eine Reihe von Geräten auf den Markt gebracht, die vom Einsteigermodell bis zum Profigerät, keine Wünsche offen lassen. Der Da Vinci Junior 1.0 mit Single-Extruder von XY Printing überzeugt durch seine kompakte Bauform und den sicheren Betrieb. Aktuell (Dezember 2017) wird er für einen Endkundenpreis von 369,--€ angeboten. Die benötigten Filamentkasstetten kosten je Farbe zwischen 19,-- und 29,-- Euro. Mitlerweile gibt es von XYZ Printing bereits Drucker mit integriertem Scanner um Modelle direkt 1:1 kopieren zu können. 

Doch wie funktionieren diese 3D-Drucker eigentlich ?

Es gibt verschiedene Vorgehensweisen mit denen die Drucker die gewünschten Modelle herstellen. Im folgenden werden wir Ihnen die gängigsten ein wenig näher erläutern:

Stereolithografie

Hierbei werden aus Kunstharz detaillierte Modelle mit glatter Oberfläche hergestellt. Das Kunstharz wird Schicht für Schicht, wobei eine Schicht nicht dicker als der Bruchteil eines Millimeters ist, in ein Becken gegossen und mit Hilfe eines UV-Lasers punktuell belichtet und ausgehärtet. Nach dem Belichten und Aushärten einer Schicht wird die nächste darauf gegossen, solange bis das Objekt fertig gedruckt wurde. Das restliche, noch flüssige Kunstharz, welches keine Verwendung findet ist zu instabil um das Objekt, das gerade hergestellt wird zu tragen, deshalb wird ein zweites sogenanntes Stützmaterial benötigt, welches später natürlich wieder entfernt wird.

Hersteller von Druckern, die diese Technik verwenden sind 3D-Systems und Objet. Wobei Objet auch noch ein Patent auf ein Verfahren hält, bei dem mit lichtdurchlässigem Material gearbeitet wird und auf das sogenannte PolyJet-Verfahren, bei dem in einem Arbeitsvorgang mit mehreren verschiedenen Materialien gleichzeitig gedruckt werden kann.

Lasersintern

Bei diesem Verfahren finden die Materialien Kunststoff und Metall Verwendung. Ein Schieber verteilt das Rohmaterial, welches hier in pulverform verwendet wird, wieder in Schichtform auf der Arbeitsplatte und ebenso wie bei der Stereolithografie wird mit einem UV-Laser punktuell das Material erhitzt und die Körnchen verschmelzen ineinander. Anders als bei der Stereolithografie allerdings ist das verbleibende Pulver stabil genug um als Stütze für das entstehende Modell zu dienen, es wird nach Beendigung des Prozesses einfach abgebürstet und kann wieder verwendet werden.

Modelle, die mit dieser Technik hergestellt werden haben oft eine raue Oberfläche sind aber wesentlich flexibler und stabiler als andere Modelle. Ein Spezialist auf diesem Gebiet ist die Firma EOS.

3D-Druck

Der 3D-Druck ist eine Kreuzung aus Lasersintern und dem herkömmlichen 2D-Druck mit einem Tintenstrahldrucker. Ein Mehrfarb-Druckkopf verteilt farbige Tinte auf einer dünnen Schicht aus gipsähnlichem Pulver. Ein der Tinte beigemischtes Bindemittel lässt nur die bedruckte Stellen aushärten. Die fertigen Modelle werden abschließend in Kunstharz getaucht um eine glattere Oberfläche zu gewährleisten. Diese Technik kommt ebenfalls ohne Stützmaterial aus, jedoch ist das Material vergleichsweise schwer und spröde. Das Patent für diese Vorgehensweise wird von Z-Corporation gehalten.

Fused Deposition Modeling

Geschmolzener Kunststoff, auch Filament genannt, wird aus einer Düse gedrückt, welche schichtweise die gewünscht Form 'zeichnet'. Der Kunststoff, der bei dieser Vorgehensweise Verwendung findet, ist der sogenannte ABS - Kunststoff. Für professionellere Vorgänge dieser Art gibt es Drucker die mit zwei Düsen gleichzeitig arbeiten, sodass auch Modelle mit Überhang möglich sind. Die einzelnen Schichten sind allerdings bis zu einem Viertelmillimeter dick, sodass diese bei den fertigen Objekten deutlich erkennbar sind.

Verwendung der 3D Technik in naher Zukunft

Das alles mag für dein ein oder anderen schon futuristisch genug klingen, einfach den Drucker anmachen und sich einen Flaschenöffner ausdrucken oder ein Uhrwerk oder sogar den Fußabdruck von Neil Armstrong, den er auf dem Mond hinterlassen hat. Doch die Forschung geht noch einige Schritte weiter. Die Firma Modern Meadow arbeitet an einem Konzept mit dem Fleisch und Leder gedruckt werden können, ohne dass dafür Tiere sterben müssen. Nicht nur für Leute die aus religiösen oder ethischen Gründen kein Fleisch essen eine Alternative, sondern auch zur verachteten Massentierhaltung. Hierbei werden lebende Zellen verwendet um Synthetikfleisch herzustellen. Auch das sind nicht nur Hirngespinste der Forscher, das erste Synthetikkotelett wurde bereits gedruckt, gekocht und verspeist. Die Prognose der Firma ist, dass in 5-6 Jahren synthetisch hergestelltes Leder und Fleisch aus dem Drucker im Handel erhältlich sein soll.

Doch nicht nur die Firma Modern Meadow gibt sich mit plastischen Modellausdrucken nicht zufrieden, auch die Medizin wittert hier eine große Chance. So wird zum Beispiel an einer Technik gearbeitet, mit der menschliche Zellen zu Gewebeteilen verarbeitet werden sollen, die in naher Zukunft für klinische Zwecke eingesetzt werden sollen.
Diese Technik könnte die Medizin revolutionieren.

Zum Abschluss ein Zitat von Robert Gaßner, Berliner Institut für Zukunftsstudien und Technologieberwertung(IZT), welches die gesamte Entwicklung widerspiegelt:
"Wo Realität aufhört und wo Utopie anfängt ist beim heutigen Stand der Technik und je nach Blickwinkel schwer zu sagen"