3D-Druck und 3D-Drucker: nahezu grenzenlose Möglichkeiten

Seit wann gibt es 3D-Drucker?

Man glaubt es kaum, aber industrielle 3D-Druckmaschinen gibt es bereits seit Anfang der 1980er-Jahre. Es war allerdings erst Charles Hull, der 1986 den 3D-Drucker zum Patent anmeldete. Die frühen 3D-Druckmaschinen kamen zunächst im Flugzeug- und Autobau zum Einsatz sowie beim Militär. 2009 war es dann so weit, dass Dienstleister auch Auftragsarbeiten umsetzen. Die privaten Early Adopter waren Designer und Künstler, die ihre Prototypen mittels 3D-Druck schnell und so effizient wie möglich herstellen wollten.

Wie funktioniert der 3D-Druck?

3D-Drucker sind keine „gewöhnlichen“ Drucker. Sie arbeiten nicht zweidimensional, sondern bauen dreidimensionale Objekte auf – hauchdünn und Schicht für Schicht mittels Hinzufügens oder Auftragens von Material. Beim 3D-Druck kommt schon lange nicht mehr nur Kunststoff zum Einsatz, sondern auch Edelstahl, Aluminium, Titan oder Cobalt-Chrom. Die Verwendung von Biomaterialien wird ebenfalls immer gängiger.

Im Gegensatz zum „subtraktiven Verfahren“, bei dem Material mittels Fräsen, Drehen oder Bohren vom Objekt abgetragen wird, spricht man beim 3D-Druck deshalb auch vom „generativen Verfahren“ oder der „additiven Fertigung“. Als Vorlage dient dabei fast immer ein digitales Modell. Dieses liegt meist in Form einer CAD-Datei (Computer Aided Design) vor, die in einen maschinenlesbaren Code umgerechnet wird.

Welche Vor- und Nachteile bietet der 3D-Druck zu herkömmlichen Drucktechniken? 

3D-Druck ermöglicht das Schaffen von Strukturen und Formen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich sind. Oftmals werden auch Ersatzteile für Installationen benötigt, welche so alt sind, dass für sie schlichtweg keine Reparatursätze mehr vorrätig sind oder produziert werden. In diesen Fällen können Ingenieure die defekten Teile scannen, und anschließend am Computer nachbilden. Auch ermöglichen 3D-Drucker Strukturen nachzubauen, die in der Natur zu finden sind. Dieses sogenannte „bionische Design“ konnte bislang nur eingeschränkt eingesetzt werden.

Material, das mit einem 3D-Drucker erzeugt wurde, erkaltet und erstarrt schneller, hat eine feinere Körnung und ist häufig auch leichter. Obwohl das Objekt aus Pulver oder Flüssigkeit hergestellt wird, ist das Endergebnis genauso stabil und belastbar wie ein traditionell gefertigter Gegenstand. Es wird zudem kaum mehr Material verwendet, als für das Werkstück notwendig ist. Und durch den 3D-Druck lässt sich fast jede denkbare geometrische Form realisieren; die Designflexibilität wird deutlich größer. Ein weiterer Vorteil ist die Geschwindigkeit: Einzelanfertigungen, die im herkömmlichen Produktionsverfahren erst nach mehreren Tagen oder Wochen zur Verfügung stehen, können mittels der additiven Fertigung innerhalb weniger Stunden hergestellt werden.

Als nachteilig hat sich jedoch in manchen Fällen herausgestellt, dass gedrucktes Metall weniger dehnbar und somit bruchanfälliger ist. Zudem entspricht der heutige 3D-Druck noch nicht den industriellen Anforderungen an die Oberflächentechnik, gerade bei metallischen Werkstoffen. Und für die Massenfertigung ist das Verfahren bei dem Großteil aller Produkte zu zeitaufwendig und nach wie vor zu teuer.
 

In welchen Bereichen kommt der 3D-Druck zum Einsatz?

Auch im Jahr 2023 sind 3D-Drucker für ein Massenprodukt noch zu komplex. Dennoch ist die Entwicklung weit fortgeschritten: Heute werden mittels der additiven Fertigung Häuser gebaut, Werkzeuge hergestellt und sogar lebendiges Gewebe gedruckt. Vor allem in der Industrie hat sich die Technik weitgehend durchgesetzt. Neben dem Druck von Prototypen (Rapid Prototyping) profitiert auch die Serienfertigung zunehmend vom 3D-Druck. Branchen, in denen Prototypen vergleichsweise häufig eingesetzt werden, sind unter anderem Maschinenbau, Medizin, Design und Architektur.

Auch in der Einzelanfertigung stellt die Technik ihre Stärken unter Beweis. Hier hilft der 3D-Druck dabei, (rare) Ersatzteile, individuelle Zahnkronen und Hörgeräte oder auch Schmuckstücke anzufertigen. Ein großer Vorteil des 3D-Drucks liegt vor allem in der Flexibilität: So können Ersatzteile zum Beispiel in der Raumfahrt bequem vor Ort hergestellt werden, lange Lieferzeiten fallen weg.  Oder noch einfacher: Beschädigte Werkzeuge oder andere Objekte lassen sich mithilfe des 3D-Drucks reparieren; die beschädigten Stellen können einfach neu aufgebaut werden.
 

Industrie setzt zunehmend auf 3D-Druck

Trotz mancher Nachteile hat sich der 3D-Druck in vielen Bereichen der Industrie bereits durchgesetzt. Der Automobil- und Flugzeugbau gehörte zu den ersten Branchen, die die Vorteile erkannten und nutzten. So druckt Airbus einige Teile schon seit einigen Jahren selbst und bestellt sie nicht mehr bei Zulieferern. General Electric verwendet die Technologie bei Einspritzdüsen für Flugzeugtriebwerke, die dadurch leichter und belastungsfähiger werden. Im Automobilbereich produziert Ford Prototypenteile, wie den Maschinenblock der EcoBoost Engine, der bei wenig Hubraum sehr viel Leistung liefert.

Auch der Maschinenbau profitiert zusehends von den neuen 3D-Technologien: Mittlerweile werden in der additiven Fertigung auch gedruckte Teile aus mehreren Materialien mit individuellen Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit und variabler Festigkeit hergestellt, die Maschinen leichter, schneller und effizienter machen. Branchenunabhängig hat sich der 3D-Druck in den vergangenen Jahren im Werkzeugbau etabliert. So werden beispielsweise Messgeräte oder Spritzgussformen oft im additiven Verfahren hergestellt.

Eine Revolution in der Medizin

In der Medizin sorgt der 3D-Druck aktuell regelrecht für eine Revolution. Besonders in der Organtransplantation können beispielsweise notwendige Ersatzteile passgenau angefertigt werden. So haben Ärzte in Peking dank der innovativen Technik einen künstlichen Rückenwirbel hergestellt und einem zwölfjährigen Patienten implantiert. In den Niederlanden wurde einem Kranken eine künstliche Schädeldecke implantiert, die im 3D-Druckverfahren hergestellt wurde. Und an der amerikanischen Cornell Universität läuft Forschung zu künstlichen Ohren und Luftröhren.

Der 3D-Druck ermöglicht es ebenfalls, Medikamente herzustellen, die aufgrund ihrer Zusammensetzung oft zu porös sind. Ende Juli 2015 erhielt so das erste Mal ein Mittel aus einem 3D-Drucker eine Zulassung: Die Arznei gegen Epilepsie für Erwachsene und Kinder verfügt dank der 3D-Technik über eine höhere Wirkstoff-Konzentration und kann daher in kleineren Pillen angeboten werden. Die strengen Regulationen der Pharmaindustrie verhindern hier bislang jedoch den Durchbruch.

Weitere aktuelle Anwendungsgebiete des 3D-Drucks in der Medizin:
 

• kieferorthopädische Vorrichtungen
• Herstellung passgenauer Implantate und Prothesen, beispielsweise Knie- oder Zahnimplantate
• Anatomische Modelle von Körperteilen zur Vorbereitung chirurgischer Eingriffe
• Herstellung medizinscher Geräte
• Schulungszwecke angehender Ärzte
   

Was sind die Trends, die sich abzeichnen?

Ingenieure und Experten der Massenindustrie sehen den 3D-Druck nicht als Substitution, sondern als Ergänzung zur Massenproduktion. Es wird immer Bauteile geben, die sich besser oder einfacher gießen oder spritzen lassen. Dennoch: Der 3D-Druck wird immer attraktiver für die Industrie.

Laut dem Marktforschungsinstitut Allied Market Research generierte die internationale 3D-Druck-Industrie 2020 bereits einen Umsatz von 13,2 Milliarden US-Dollar. Bis 2030 soll es ein jährliches Wachstum von 22,1 Prozent geben, damit würde der Markt auf 90 Milliarden US-Dollar steigen.

Speziell für schwierig zu konstruierende Teile, wie zum Beispiel Innengeometrien, bietet der 3D-Druck viele Vorteile. Experten sehen demnach noch viel Entwicklungspotenzial für die kommenden Jahre. Dann könnte es auch möglich sein, beispielsweise Ersatzteile für Waschmaschinen oder Ähnliches zu drucken.

In der Medizin wurde bereits Knochengewebe auf diese Weise entwickelt und Lebergewebe hergestellt. So könnten Forscher künftig etwa Medikamente an extra dafür geschaffenen Organen testen oder sogar synthetische Organtransplantationen ermöglichen. Fakt ist: Große Unternehmen steigen bereits seit Jahren vermehrt in den 3D-Druck ein, der Trend wird mutmaßlich nicht abbrechen.
 

Fazit
Für den 3D-Druck gibt es inzwischen viele große Unternehmen, die ein umfassendes Service- und Produktangebot anbieten. Egal, ob Sie Spezialisten für ein Großprojekt oder auch einen 3D-Scan-Service suchen: Bei „wlw“ finden Sie genau die Dienstleister, die Sie nach vorne bringen.