3D-Druck

Dreidimensionaler Druck

Brillen, Schuhsohlen, Drohnenpropeller: 3D-Drucker ermöglichen es, die verschiedensten Dinge herzustellen. Und die Technik wird immer besser.

Von Claudia Füßler

Ob Ersatzteile oder Lebensmittel – fast alles lässt sich drucken

Sie drucken Plastik und Marzipan, Gold und Schokolade. Die Industrie setzt sie immer häufiger ein, aber auch für den Hausgebrauch sind sie zu haben.

Manche sprechen von einer industriellen Revolution. Das sei aber zu weit gegriffen, sagen Experten. Die 3D-Drucktechnik habe durchaus ihre Nachteile.

Um gleich mal mit einem Missverständnis aufzuräumen: Die Technik des 3D-Druckens ist alles andere als neu. Bereits Anfang der 1980er Jahre hat der US-Amerikaner Chuck Hull den ersten 3D-Drucker in Betrieb genommen.

1986 meldete er die von ihm entwickelte Technologie zum Patent an. Heute ist er Vizepräsident des Herstellers 3D Systems.

Dass das Drucken in drei Dimensionen so bekannt geworden ist, hat hauptsächlich damit zu tun, dass vor einigen Jahren einige Patente ausgelaufen sind. Die Technik ist nun in der Fläche verfügbar – eine starke Open-Source-Community hat sich dafür eingesetzt.

Drucken von unten nach oben

Drei Dinge braucht man, um in 3D zu drucken:

3D-Drucker gibt es mittlerweile in vielen verschiedenen Varianten auf dem Markt. Los geht's mit Modellen für zu Hause, die etwa 500 Euro kosten. Die teuren Exemplare in der Industrie können mehrere hunderttausend Euro kosten.

Wer ein 3D-Modell erstellen will, muss dafür eine spezielle Software verwenden. Das Modell ist quasi der Bauplan für das Objekt, mit den genauen Koordinaten und Maßen für die Form. Die Software gibt es in verschiedenen Versionen, viele davon sind für Laien leicht verständlich.

Das Druckmaterial wird als Filament bezeichnet. Das sind sehr lange, dünne Fäden, die standardmäßig einen Durchmesser von 1,75 oder 3,00 Millimeter haben. Diese Filamente werden erhitzt und durch die bewegliche Druckerdrüse gedrückt.

Einmal draußen, kühlt das Material wieder ab und härtet aus. Gedruckt wird das Objekt Schicht für Schicht von unten nach oben. Aufgrund dieses Aufbauprinzips sprechen Fachleute von einer additiven Fertigung – der Druck erfolgt, indem das Filament nach und nach hinzugefügt wird.

Die Materialien, die ein 3D-Drucker verwendet, sind meist Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) oder Polymilchsäuren (PLA). Aber auch Metalle, organische Materialien oder Lebensmittel können als Ausgangsbasis dienen.

Die Voraussetzung dafür: Die Apparatur kann das Druckmaterial auf die jeweils richtige Temperatur bringen. Die Stoffe müssen weich und biegsam sein, damit sie durch die Düse passen und geformt werden können.

Es gibt sogar Filamente, die aus Polymer und Holz bestehen oder eine sandsteinartige raue Struktur haben. Nach dem Druck können die Objekte bearbeitet werden wie Holz oder Sandstein auch.

Aber ob Plastik, Metall oder Holz – die gedruckten Gegenstände haben alle eine leicht poröse Oberfläche. Bisher ist es den Ingenieuren noch nicht gelungen, eine ganz glatte Oberfläche mit einem 3D-Drucker zu drucken.

Materialkosten fallen ins Gewicht

Auch wenn die Technik viele Möglichkeiten bietet – als das alleinige Verfahren der Zukunft sieht Oliver Refle den 3D-Druck nicht. Der Diplomingenieur erforscht digitale Drucktechniken am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart.

Der 3D-Druck sei eine hervorragende Ergänzung zum Drehen, Fräsen und Spritzgießen – aber kein Ersatz dafür, sagt Refle.

Der Vorteil des 3D-Drucks: Er ermöglicht es, Geometrien zu erzeugen, die sich mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellen ließen.

Auch Gadgets wie Handyhüllen lassen sich prima per 3D-Druck herstellen – allerdings funktioniert das auch mit den klassischen Verfahren, solange die einzelnen Produkte nicht individualisiert sind.

3D-Druck ist langsam und teuer

Und hier kommen die Nachteile des 3D-Drucks ins Spiel: Er ist langsam und teuer. Für sehr komplexe oder individualisierte Produkte in kleinen Stückzahlen können sich die Verfahren rechnen.

Sobald es um größere Stückzahlen geht, verliert das dreidimensionale Drucken gegen Verfahren wie das Spritzgießen. "Kein Wunder, diese Fertigungstechniken sind bis ins letzte Detail verfeinert und durchoptimiert für große Stückzahlen und hohen Durchsatz", sagt Oliver Refle.

Das Fachmagazin Journal 3D Printing hat vergangenes Jahr die erste quantitative Studie zur Effektivität des 3D-Drucks veröffentlicht. Die Autoren Alex Scott und Terry Harrison kommen zu dem Schluss: Die Technik sei umso wirtschaftlicher, je weniger Teile hergestellt werden.

Das liegt unter anderem daran, dass die Materialkosten im 3D-Druck deutlich ins Gewicht fallen.

Online-Dienste: Drucken lassen statt Selberdrucken

Oliver Refle ist sich sicher: Der 3D-Drucker wird keinen festen Platz in deutschen Wohnzimmern finden. "Das wird sich vermutlich ähnlich entwickeln wie mit dem Online-Fotoservice", sagt er.

"Sie erstellen zu Hause mit der entsprechenden Software Ihr Wunschobjekt und lassen es dann von einem Anbieter drucken, wo sie es später abholen können. Dienste dieser Art gibt es bereits – und sie werden immer günstiger", sagt Refle.

Dass es bereits mehrere Stunden dauert, etwas so Kleines wie eine Handyhülle zu drucken, ist das zweite große Manko des 3D-Drucks. "Der Zeitfaktor ist entscheidend", sagt Refle. "Hier gibt es bislang nur wenige Ansätze, die das verbessern können", sagt Refle.

Große Entwicklungssprünge erwartet der Experte mehr als 25 Jahre nach dem Entstehen dieser Technologie nicht, sondern eher eine stetige Weiterentwicklung.

"Stück für Stück wird sich die Technik weiter etablieren und es werden sich weitere Anwendungsmöglichkeiten auftun – eine industrielle Revolution ist der 3D-Druck aber sicher nicht."

Das drucken, was fehlt

Bisher wird das dreidimensionale Drucken vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in der Medizin- und Zahntechnik angewendet. Hier sind präzise Einzelteile gefragt. Manche Wissenschaftler sehen für den 3D-Druck noch ganz andere Anwendungsfelder.

Eine Technik, die theoretisch alles drucken kann, könnte ja das drucken, was nicht da ist oder nur umständlich für viel Geld hergebracht werden kann – so die Überlegung einiger Enthusiasten, die mit 3D-Druckern zum Beispiel Forscher in Afrika unterstützen wollen. Die könnten sich dann dringend benötigte Utensilien einfach selbst ausdrucken.

Wie genau das aussehen könnte, hat die Zeitschrift Technology Review in der Februarausgabe 2016 beschrieben. Die Forscher in Afrika lernen in Seminaren, wie sie einen 3D-Drucker selbst bauen und reparieren.

Wenn sie an Material kommen, können sie ihrer Kreativität freien Lauf lassen: Laborgeräte, Ersatzteile fürs Fahrrad, einfache Prothesen – hier könnte der dreidimensionale Druck dann tatsächlich für eine kleine Revolution sorgen.