3D-Druck

Unter 3D-Druck, auch additive Fertigung, generative Fertigung oder Rapid-Technologien genannt, versteht man Verfahren zur Fertigung von Bauteilen durch schichtweisen Auftrag von Material aus formlosem Rohstoff. So wie man ein Schriftstück mithilfe eines Druckers ausdrucken kann, lassen sich mit einem 3D-Drucker also auch dreidimensionale Gegenstände anhand eines 3D-Modells „drucken“. [1]

Was kann gedruckt werden?

Der Technologie sind scheinbar keine Grenzen gesetzt. Durch den schichtweisen Auftrag des Materials kann je nach Fertigungsverfahren theoretisch in beliebiger Form gefertigt werden.

Hauptanwendungsgebiete sind das Rapid Prototyping, also das Erstellen eines Prototyps oder Musters, das Rapid Manufacturing zur Herstellung von fertigen Produkten oder Bauteilen oder das Rapid Tooling zur Herstellung von Fertigungswerkzeugen.

Auch die verarbeitbaren Materialien sind von erstaunlicher Vielfalt. Neben Kunststoffen und Metallen können auch Keramiken, Beton, Carbon, Sand, Glas oder gar Lebensmittel und Biomaterialien zum Einsatz kommen. Weitere Materialien werden von Forschern fortlaufend erschlossen. [1, 2]

Welches Potenzial steckt im 3D-Druck?

Die Möglichkeit, Teile aller denkbaren Geometrien aus einer nahezu unerschöpflichen Bandbreite an Materialien in beliebiger Stückzahl ohne produktbezogene Werkzeuge herzustellen, kann bisherige Produktionsmuster und etablierte Geschäftsmodelle aufbrechen bzw. ganz neue Geschäftsmodelle hervorbringen. Das Drucken von Ersatzteilen nach Bedarf birgt enorme Zeitvorteile und kann darüber die Logistik entlasten. [1]

Manch einer schreibt sogar von einer neuen industriellen Revolution, in der jeder Mensch dank 3D-Druck sein eigener Produzent ist. Es ist die Rede von Demokratisierung der Kreativität und der Produktionsmittel gleichermaßen, von De-Globalisierung und Nachhaltigkeit. Zwischenzeitlich wurde es auch schon wieder etwas ruhiger um das einstige Hype-Thema. Waren die Erwartungen zu hochgesteckt oder läuft die Entwicklung phasenweise, ganz nach Gartners bekanntem Hype-Zyklus? Während einem ersteres, zumindest für den 3D-Druck für Endverbraucher, häufig so vorkam, ist der industrielle 3D-Druck im Jahr 2022 bereits seit längerem hoch-produktiv.

3D-Druck birgt viele Vorteile

Einer der größten Vorteile des 3D-Drucks sind die möglichen Kosteneinsparungen. Zusätzlich eignen sich viele 3D-Druckverfahren auch zum Bau robuster Werkzeuge, was zusätzliche Einsparungen bei der Fertigung ermöglicht. Zudem lässt sich fast jede Idee verwirklichen und Merkmale und Elemente nach Belieben hinzufügen oder bei Bedarf auch ändern (sofortige Personalisierung). Ebenso kann mit 3D-Druck die klassische Produkteinführungszeit drastisch reduziert werden, es besteht weniger Risiko durch die schnelle Realisierung und Fertigstellung eines Produktes sowie der Einsparung von Kosten und Reduzierung von Abhängigkeiten von Designern und Ingenieuren in der Entwicklung.

Ein weiterer Vorteil ist die klare Vermittlung Ihrer Vorstellungen mit über 3D-Druck erzeugten Modellen. Ein greifbares, sehr realistisches Modell des Produkts ist im Pitch oder der Investitionsrunde einfach mehr Wert als eine bildliche Darstellung eines Produktentwurfs. Auch kann das Feedback zu einem 3D-gedrucktem Prototypen wesentlich wertvoller sein. So können Sie Reaktionen der Zielgruppe prüfen, noch bevor ein Produkt in die Fertigung geht und sich so von seinem Marktpotenzial vergewissern (greifbares Design).

Auch um Abmessungen zu prüfen, können Sie durch (rapid) Prototyping schnell ein dreidimensionales Modell anfertigen, ohne ggf. teure Materialien des Endproduktes zu benötigen oder, sollte mal etwas nicht passen, Änderungen schnell mit einem neuen Modell ausprobieren. Ungewöhnliche Merkmale sind zudem kein Problem und können im Modell einfach erfahren und bewertet werden, und im Zuge des Experimentierfreudigkeit kann nahezu alles ausprobiert werden, wobei nicht zu viel Zeit und Geld für Erkenntnisse zu ggf. notwendigen Änderungen investiert werden muss.

(Quelle)

Die wichtigsten Materialien im 3D-Druck

Mit der zunehmenden Verbreitung und Weiterentwicklung des 3D-Drucks wird auch der Bedarf an spezialisierten Materialien immer größer. Aktuell dominieren verschiedene Kunststoffe und Metalle den 3D-Druck, aber auch Keramik, Sand oder Beton werden inzwischen genutzt.

Kunststoffe

  • PLA (Polylactide): PLA ist einer der beliebtesten 3D-Druck-Werkstoffe und aufgrund seiner geringen Schmelztemperatur (nur 70 Grad) gerade für Hobbyanwender interessant. Formstabilität, Verfügbarkeit in einer großen Anzahl von Farben, sowie die Tatsache, dass PLA aus regenerativen Quellen (zum Beispiel Maisstärke) gewonnen wird, und er zudem biokompatibel und recyclebar ist, machen PLA zu einem der relevantesten Materialien im 3D-Druck. Ein Nachteil von PLA ist, dass er starken Belastungen und Hitze nicht standhält, für hoch beanspruchte Bauteile ist PLA daher nicht verwendbar.
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): Neben PLA ist ABS einer der meistgenutzten Kunststoff-Werkstoffe im 3D-Druck. Zu seinen größten Vorteilen zählen die hohe Steifigkeit, Zähigkeit und Festigkeit, die Kostengünstigkeit sowie Erhältlichkeit in vielen Farben. Daher wird es neben dem Prototyping auch für die Fertigung von Endprodukten genutzt. Nachteilig ist seine schlechte Witterungsbeständigkeit (trotzdem noch besser als bei PLA) sowie seine hohe Schmelztemperatur (zwischen 220 und 250 Grad), was seine Verwendung für Hobbyanwender wesentlich erschwert.
  • PEEK (Polyetheretherkton): PEEK ist hochbelastbar, biokompatibel und gleichzeitig Temperatur- und Chemie-resistent. Es ist etwa 70 Prozent leichter als Metalle mit ähnlichen Eigenschaften bei vergleichbarer thermischen und mechanischen Stabilität. Das macht PEEK zu einem beliebten Werkstoff im Automotive-Sektor, in der Chemieindustrie, in der Luft- und Raumfahrt oder in der Medizintechnik für die Herstellung von Implantaten. Da PEEK eine Verarbeitungstemperatur von 360 bis 380 Grad hat, ist es für Hobbyanwender in der Regel ungeeignet.
  • HIPS (High Impact Polystyrene): HIPS verfügt (anders als ABS) über eine sehr hohe Härte sowie Schlagzähigkeit. Die wohl wichtigste Eigenschaft von HIPS ist die Löslichkeit in einigen Chemikalien, aufgrund dessen HIPS gern als Stütz- & Support-Material für andere Polymere eingesetzt wird. So können strenge Toleranzen bei Endbauteilen besser eingehalten werden.
  • PA (Nylon/Polyamid): Nylon wurde ursprünglich als Ersatz für Seide entwickelt. Es hat eine hohe Zugfestigkeit, ist ungiftig, schlagfest, kostengünstig, weitestgehend Chemie-resistent und leicht und schmilzt bei etwa 250 Grad. Die Verwendung von Nylon im 3D-Druck ist noch relativ neu. Es wird jedoch immer beliebter, weil die Drucke, die es erzeugt, zäh und beschädigungsresistent sind.
  • PET (Polyethylenterephthalat): Das Material PET ist vor allem von Getränkeflaschen bekannt. Es ist Lebensmittelecht und kann für Verpackungen genutzt werden. Es ist relativ robust und gleichzeitig flexibel und daher für Hobbyanwender bestens geeignet, auch da es beim Schmelzprozess keine Dämpfe freisetzt und somit kein geschlossener oder beheizbarer Bauraum benötigt wird.
  • PETG (PET mit Glykol): Mit Glykol modifiziertes PET zeichnet sich durch eine hohe Transparenz und verbesserte Druckeigenschaften aus. Dies erzeugt im Vergleich zu PET eine niedrigere Schmelztemperatur sowie weniger Kristallisation. PETG ist witterungsbeständig und wird daher oft für Vasen oder Gartenmöbel & -Geräte verwendet.

Metalle

Neben den Kunststoffen werden vor allem in der Industrie Metalle immer beliebter.

  • Aluminium: Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch eine gute Festigkeit und thermische Eigenschaften aus und verfügen über geringes Gewicht und flexible Nachbearbeitungsmöglichkeiten. Daher finden sie oft Verwendung in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie für bspw. Gehäuse, Luftkanäle, Motorteile, Produktionswerkzeuge, aber auch für Prototypen oder Endbauteile.
  • Titanium: Titanium hat hervorragende mechanische Eigenschaften, ein sehr geringes Gewicht und ist korrosionsbeständig. Zu den Anwendungen gehören Funktionsprototypen, solide Endverbrauchsteile, medizinische Geräte oder Ersatzteile anspruchsvoller technischer Umgebungen wie bspw. in der Luftfahrt.
  • Edelstahl: Edelstahllegierungen sind lebensmittelsicher, äußerst korrosionsbeständig und fest und verfügen über gute thermische Eigenschaften. Edelstahl kann zudem für Maschinenkomponenten, Rohrleitungen, langlebige Prototypen, Ersatzteile, medizinische Instrumente, Wearables und Produktionswerkzeuge verwendet werden.

Weitere

  • Keramik: Keramik kann im flüssigen Zustand zu praktisch jeder Geometrie und Form verarbeitet werden. Es ist sehr fest, langlebig und feuerbeständig. Anwendung findet es daher in der Raumfahrtindustrie, wie auch in der Dentalbranche, bspw. für Zahnersatz oder Zahnimplantate.
  • Sand: Sandwerkstoffe gewinnen im Bereich des industriellen Formenbaus immer mehr an Bedeutung. Viele Gießereien stellen ihre Gussformen heute mithilfe von 3D-Sanddruckern her. Durch die additive Fertigung von Sandkernen und Formen kann die Teilekomplexität eines Gussteils viel größer sein als beim typischen Sandguss.
  • Beton: Auch der 3D-Betondruck hat in den letzten Jahren eine rasante technische Entwicklung erfahren. Im Jahr 2020 wurde beispielsweise das erste 3D-gedruckte Wohnhaus Deutschlands aus Beton gebaut. Für den Bau der ersten 3D-gedruckten Häuser wurde werksfertiger Trockenmörtel, der für den 3D-Druck optimiert wurde, verwendet.
  • Glas: Forschern des ETH Zürich gelang es im Jahr 2019 ein spezielles Harz zu entwickeln, das auf handelsüblichen SLA-Druckern verarbeitet werden kann. Durch den SLA-Druck können hochkomplexe und feine Strukturen hergestellt werden. Nach der Aushärtung wird das Teil dann bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gebrannt, wodurch die Objekte zu Glas verdichtet werden.

(Quelle)

Anwendungsfelder für 3D-Druck

Generell lässt sich sagen: Es gibt keine Branche, für die der 3D-Druck nicht relevant ist. Die Einsatzfelder sind bereits beachtlich, werden aber Tag für Tag erweitert. Von der Automobil- und Luftfahrtindustrie mit ihrer Anforderung der Leichtbauweise über die Medizintechnik und Architektur bis hin zur Spielzeug- und Konsumgüterindustrie, Kunst und Kultur und weit darüber hinaus reichen die Anwendungsfelder der additiven Fertigung. [1, 2, 3]

Automobilindustrie

Die Herstellung von Ersatzteilen birgt auch in der Automobilindustrie großes Potenzial. In Australien wurde für einen Oldtimer ein nicht mehr erneuerbarer bzw. in der Reparatur nahezu unbezahlbarer Motor mithilfe von 3D-Scanner und 3D-Drucker wieder fahrtüchtig gemacht. [5] Der McLaren P1 wurde jüngst mit Titanrädern aus dem 3D-Drucker bestückt. Diese sind nicht nur leichter als die Originalteile, sondern verringerten auch die Materialverschwendung bei der Herstellung im Vergleich zum Fräsvorgang um 80 Prozent. [6]

Beispiele:

Luftfahrttechnik

Gerade der Leichtbau ist ein entscheidender Faktor im Flugzeugbau. Flugzeugen müssen heutzutage leicht und stabil sein. Leichtbau ist gerade durch additive Fertigung einfach umzusetzen. Sobald das Gewicht der einzelnen Bauteile reduziert wird, kann der Betreiber Treibstoff einsparen und gleichzeitig die Zuladung steigern. [7]

Beispiele:

  • Landeklappenführung aus Titan im Airbus A350XWB
  • Bionisch optimierte Bauteile (z. B. Armlehnen)
  • Hydraulikkomponenten, Eisdetektorensonden
  • Roboter für unbemannte Weltraummissionen
  • Drohnen
  • Zukünftig: Hochgeschwindigkeitsturbinenschaufeln

Medizintechnik

Beispiele: 

  • Prostata-Attrappe
  • Implantate (künstliche Kniegelenke, Kreuzbänder, Kieferimplantate, Teile vom Beckenknochen)
  • Prothesen & Orthesen
  • Modelle zur Vorbereitung von chirurgischen Eingriffen
  • 3D-gedruckte Oberflächen
  • Zukünftiges Ziel: funktionsfähige Organe herzustellen

Bauwesen

Beispiele: 

 

3D-Druck Erfolgsgeschichten aus Sachsen-Anhalt

Sachsen-Anhalt gehört als Wirtschaftsraum im Hinblick auf Forschung und Innovation im 3D Druck und der additiven Fertigung zu den am weitesten entwickelten Regionen in Europa. Das Bundesland bringt die Pioniere dieser Branche hervor, was es nicht nur interessant für Investitionen aus dem Ausland sein lässt.

TinkerToys: TinkerToys ermöglicht es Kindern (und Erwachsenen) Spielzeuge selbst herzustellen. Mit ihrem Konstruktionsprogramm, dem digitalen Baukasten, können Kinder ab Grundschulalter das Konstruieren in 3D lernen, ihre Ideen mit Freunden teilen, ihre Entwürfe mit einem 3D-Drucker selbst ausdrucken oder ihr Spielzeug als 3D-Druck aus einem umweltfreundlichen Biokunststoff direkt nach Hause bestellen. TinkerToys macht seine Produkte zudem erlebbar auf Kindergeburtstagen, in Workshops oder auf Projekttagen für Schulklassen. Mehr dazu auf ihrer Website.

Urwahn: Die Urwahn Engineering GmbH ist ein Magdeburger Fahrradhersteller, der seine Rahmen teilweise mittels 3D-Druck fertigt. Gedruckt werden Teile wie Tretlager, Sattelrohr, Steuerrohr und Verbindungen. Das Start-up wurde von Maschinenbau- und Sport und Technik-Absolventen der Otto-von-Guericke-Universität gegründet und seit 2017 vom Kapitalgeber bmp Ventures finanziert. Ihr Modell Stadtfuchs ist nach Aussage des Unternehmens „das erste 3D-gedruckte Fahrrad in Serie“. (Quelle)

3D-Druck während der Corona-Pandemie

Während der Corona-Krise steht vor allem das Gesundheitssystem vor großen Herausforderungen. Neben personellen Kapazitäten ist es vermehrt die Materialversorgung mit Verbrauchsgegenständen, wie bspw. Masken oder Gesichts- und Augenschutz, welche eine kritische Rolle einnehmen. 

Abhilfe schafft der 3D-Druck. Die additive Fertigung erlaubt eine schnelle und flexible Produktion, womit in kurzen Vorlaufzeiten dringend benötigte Komponenten angefertigt werden können. Auch die EU-Kommission hat einen Aufruf gestartet, dringend benötigtes Zubehör auch per 3D-Druck herzustellen. [8][9] Wie dies aussehen kann, zeigen die Beispiele:

Chirurgischer Maskenriemen

Ein 12-jähriger Junge aus Maple Ridge BC in Kanada hat eine Art „Ohrenschutz“ entwickelt, um damit Pflegepersonal das stundenlange Tragen von Atemschutzmasken zu erleichtern. Die Vorlage ist frei verfügbar und kann von jedem mit einem 3D-Drucker selbst erstellt werden.

Gesichtsschilder für medizinisches Personal 

In Dresden hat sich der Forschungsverbund Dresden-concept mit dem Biotechnologie-Verband Biosaxony e. V. zusammengetan, um Gesichtsschilder für medizinisches Personal herzustellen. Auch diese modifizierten 3D-Druckdaten stehen über den Internetauftritt der beiden Einrichtungen kostenlos zur Verfügung. 

Schutzmasken für Halle

Mitarbeiter der Kunsthochschule Burg Giebichenstein sind dabei, Mundschutze im 3D-Drucker herzustellen. Die Masken werden vom Fraunhofer-Institut geprüft und im Anschluss der Stadt kostenfrei zur Verfügung gestellt. Auch mit anderen Herstellverfahren sollen zeitnah Masken hergestellt werden

Türöffner

Ein 26-jähriger aus Neuss im Rheinland hat ein Werkzeug entwickelt, welches dabei hilft, direkten Berührungskontakt zu Türklinken, Klingelknöpfen und anderen Oberflächen zu vermeiden. Der sogenannten „Porz hook“ sieht ein wenig wie ein Flaschenöffner aus und die Designvorlage kann kostenlos heruntergeladen werden.

Zukunft des 3D-Drucks

Die rasante Entwicklung der Technologie lässt für die Zukunft noch viele neue Anwendungsfelder erwarten. Insbesondere die Möglichkeit, verschiedene Materialien in einem Druckvorgang zu verarbeiten, birgt noch Potenzial für weitaus tiefgreifendere Änderungen der Produktion.

Aufgrund der stetig wachsenden Anzahl an verfügbaren Maschinen und Materialien ist der 3D-Druck-Markt im ständigen Wachstum und Wandel. Diejenigen Bauteile zu identifizieren, die wirtschaftlich und technisch sinnvoll additiv gefertigt werden können, stellt eine Herausforderung für alle Unternehmen dar. Der eigenen Kreativität sind Dank der möglichen Komplexität und der Designfreiheit aber kaum Grenzen gesetzt. Ein entscheidender Faktor wird daher auch die Bereitschaft sein, sich mit dem Thema zu befassen und offen zu sein für externe Hilfe in Form von Know-how, Dienstleistungen oder Beratung. [1, 3]

3D-Druck-Projekte und Einrichtungen der KAT-Hochschulen

Einrichtungen an der HS-Anhalt:

Die Hochschule Anhalt verfügt in ihrem SpaceLab über aktuell 3 FDM-Drucker unterschiedlicher Größe sowie einen Stereolithosgrafie-Drucker. Die Bauräume reichen von ca. 230 Kubikzentimetern bis einem Kubikmeter. Die Drucker werden überwiegend für studentische Arbeiten im Fachbereich Design genutzt. Zusätzlich stehen in einer 3D-Werkstatt Workstations zur 3D-Modellierung & Visualisierung durch AR & VR-Brillen, Verknüpfung zu mobilen Endgeräten, 3D-Drucker, 3D-Scanner und 360° Kameras für Anwendungen im Bereich der Landschaftsarchitektur zur Verfügung.

Studentisches Projekt aus dem Bereich der Lebensmitteltechnik:

Beschaffung und Inbetriebnahme eines Lebensmittel 3D-Druckers.

Es wurden Möglichkeiten des 3D-Drucks von Lebensmitteln eruiert. Dabei entstand die Konzeption von Ideen und Planung der Versuche mit dem Gerät „Procusini“ der Firma Print2Taste GmbH.

Mehr Informationen zum Projekt hier

Fachhochschule Merseburg:

Die Fachhochschule Merseburg im Süden von Sachsen-Anhalt, ein wichtiger Akteur in der Entwicklung von additiver Fertigung, gilt als Pionier auf diesem Gebiet. Sie ist die einzige Hochschule in Deutschland, die ein Professur in der additiven Fertigung hat. Junge Unternehmen und Existenzgründer profitieren von der Beratung und vom Gründerzentrum, welches die FH betreibt. Die Hochschule hat darüber hinaus ein Netzwerk aus Forschungseinrichtungen und Unternehmen in diesem Sektor geschaffen, welches ein breites Angebot an Dienstleistungen ermöglicht, wie zum Beispiel das mitteldeutsche Forum „3D Druck in Anwendung“.

Experten aus Sachsen-Anhalt: Dietmar Glatz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Hochschule Merseburg

Quellen:

[1] Gebhardt, A.; Kessler, J.; Thurn, L.: 3D-Drucken. Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM). 2., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. München: Hanser 2016.

[2] Fastermann, P.: 3D-Druck/Rapid Prototyping. Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg 2012.

[3] Fischer, A.; Gebauer, S.; Khavkin, E.: 3D-Druck im Unternehmen. Entscheidungsmodelle, Best Practices und Anwendungsbeispiele. Am Beispiel Fused Layer Modeling (FLM). München: Hanser 2018.