Kategorie | Grundkurs 3D-Drucker



Teil 1: Entwicklung und Geschichte der 3D-Drucktechnologie


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Additive Manufacturing (AM), Generative Fertigung

Additive Manufacturing wurde im englischen von der ASTM International (2012) als “process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies, such as traditional machining” umschrieben. Im Gegensatz zu subtraktive Verfahren, bei denen Rohmaterial mittels Fräsen, Drehen, Bohren und anderen elektrische Verfahren wie Funkerodieren durch mechanische Abtragung von Material bearbeitet werden (beispielsweise durch CNC-Maschinen) um ein bestimmtes Objekt zu erzeugen wird bei der generativen Fertigung ein Gegenstand durch Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material, anhand eines digitalen Modells erzeugt. Als Vorlage für die Produktion dient dabei ein digitales 3D-Modell (bspw. in Form einer CAD Datei) die in maschinenlesbaren Code übersetzt und automatisiert verarbeitet wird.

Neben Additiven und Subtraktiven Verfahren unterscheidet man weiters noch zwischen:

  • Formende Verfahren, bei denen ein Gegenstand durch Anwendung von mechanischen oder thermischen Kräften geformt werden. Hierunter fällt beispielsweise Biegen, Pressen und Gießen.
  • Hybride Verfahren, welche alle übrigen Verfahren umschreiben die sich entweder nicht klar kategorisieren lassen oder mehrere Verfahren miteinander verbinden.

 

Von Rapid Prototyping zu Rapid Manufacturing

Während man früher Modelle und Prototypen manuell erstellte, werden heute vielfach automatisierte Produktionsverfahren verwendet. Anstelle vom händischen Modellbau mittels Kartonagen und Schaumstoffen oder dem Modellieren von Design-Entwürfen aus Ton, werden Vorlagen für die Produktion heute oft computergestützt produziert. Dadurch kann in der Produktentwicklung Zeit und Geld gespart werden. Bereits 1984 wurde mit der Stereolithografie das erste Additive Verfahren von Chuck Hull (Gründer von 3D Systems) entwickelt und wenige Jahre später kommerzialisiert. In den folgenden Jahren folgten weitere Verfahren wie 3DP und FDM entwickelt welche allesamt mit Patenten geschützt wurden. Anfänglich wurden die Verfahren hauptsächlich genutzt um mittels Rapid Prototyping (zu deutsch etwa „schneller Modellentwurf“) kostengünstigen Prototypen für die Produktentwicklung (z.B. in der Formel 1) zu erstellen. Waren Anfangs die Anforderungen an Haltbarkeit, Qualität und Stabilität aufgrund der Nutzung als Anschauungsmodelle noch nicht sonderlich hoch, konnte die Qualität über die Jahre durch stetige Verbesserungen der Maschinen neuen Materialien, sowie mithilfe leistungsfähiger Hardware und Computertechnologie zunehmend gesteigert werden. Manche Verfahren konnten nun Objekte produzieren die nicht nur die Funktion von Prototypen erfüllten sondern auch bereits als fertiges Endprodukt genutzt werden konnten. Die Grenze zwischen Prototyp und fertigen Endprodukt wurde damit immer schmaler und der Begriff Rapid Manufacturing (zu deutsch etwa „schnelle Produktion“) und Direct Manufacturing (“direkte Produktion”) wurden geprägt.

In den letzten Jahren prägten sich vor allem die nicht technischen Begriffe “3D-Druck” und “3D-Printing” als umgangssprachliche Bezeichnung für alle Verfahren die AM zugeordnet werden. 3D-Printing (3DP) bezeichnet im technisches Sinn korrekterweise eigentlich nur eines der vielen Verfahren, dennoch verwenden auch wir hier den Ausdruck Synonym für AM.

Werbevideo von 3D Systems aus dem Jahre 1989:


Aktuelle Situation

Obwohl die Technologien bereits lange existieren, ist in den letzten Jahren ein regelrechter Boom rund um Rapid Manufacturing Systeme zu beobachten. Als Erklärung können mehrere Umstände in Betracht gezogen werden.

  • Ablauf des Patents für das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren: Vor wenigen Jahren lief das Patent für das Druckverfahren FDM (alias FFF) ab und ermöglichte das Entstehen des Open Source 3D-Druckers RepRap.
  • Faszination an der Technologie: Die Vorstellung Produkte einfach Zuhause ausdrucken zu können, fasziniert viele Menschen und beflügelt den Trend noch weiter. Von der Maker- / Do It Yourself- / Open Source- Philosophie getragen und von Star Trek ́s “Replicator” fasziniert, entstand ein regelrechter Hype um diese Technologie. Manche sehen darin gar eine neue industrielle Revolution sowie eine Dezentralisierung und/oder Demokratisierung der Produktion.
  • Besserer Zugang und breiteres Verständnis für Computersysteme: Durch die fortschreitende Computerisierung in den letzten Jahrzehnten, gewannen Computersysteme und die damit einhergehende (3D-)Software eine immer größere Anzahl an Anwendern. Die Hemmschwelle und Berührungsängste mit Computern und neuen Technologien sind dadurch gesunken.
  • Preissenkung und technische Entwicklung von 3D-Drucksystemen: Durch eine größere Nachfrage, besserer Technik und “neue” Entwicklungen, wurden Additive Manufacturing Systeme zunehmend leistbarer und interessanter. Vor allem das Open Hardware Projekt RepRap, löste einen regelrechten Boom auf günstige Eigenbau-3D-Drucker aus und machten die Geräte auch für Privathaushalte leistbar.
  • Entstehen von 3D-Dienstleister: Die relativ hohen Kosten von professionellen AM Systeme, führte weiters zu einer Zentralisierung derartiger Maschinen in Form von Produktionsparks. Manche Unternehmen stellen die Dienstleistungen dabei nicht nur der Industrie, sondern auch Privatkunden als online Service zur Verfügung. Die ersten 3D-Druck-Dienstleister entstanden. Dadurch wurde der Zugang zu 3D-Druck auch kleinen Betrieben und Privatanwendern zugänglich.
  • Interesse seitens Politik und Investoren: In jüngster Zeit erfährt diese Technologie auch einen Rückenwind seitens Politik und Investoren. Regierungen verschiedener Länder (darunter China, USA, UK und EU) sehen im der Additiven Produktionsformen eine Möglichkeit die Produktion wieder ins eigene Land zu bringen, Lohnkosten zu sparen oder die Innovationskraft zu steigern. Projekte und Forschungen rund um AM wurden und werden von öffentlicher Hand und privaten Investoren gefördert.

Die Anwendungsbereiche verlaufen dabei oftmals Branchen-, Industrie- und Bereichsübergreifend und beschränken sich mittlerweile nicht nur der produzierenden Industrie.


Bereiche in denen AM-Technologien bereits (teils noch experimentell) verwendet werden:

Zusätzlich freuen sich derartige Systeme auch über ein steigendes Interesse im Hobby- Bastler-, Modellbau-, Konsumenten- und Privatbereich sowie über eine zunehmende Anwendung in kleinen Unternehmen und Start-ups für die Produktion von Kleinserien.


Run auf Marktführerschaft

Weniger bekannt ist, dass der Wettbewerb in dieser Industrie bereits voll im Gange ist. Hersteller und Dienstleister kämpfen bereits international um Marktanteile. Unternehmen kaufen sich untereinander auf, streiten um Patente und der Trend zu wenigen aber großen Anbietern ist bereits erkennbar. Bis der durchschnittliche Privatanwender das Thema 3D- Drucker für sich entdeckt hat, sind die Reviere vermutlich bereits klar abgesteckt. Aber nicht nur Privatfirmen kämpfen um den großen Zukunftsmarkt, auch Universitäten und Regierungen haben das Zukunftsthema erkannt, finanzieren Wissenschaftsprojekte und fördern 3D-Drucker im Bildungsbereich.
Bestätigt werden diese Erwartungen von Wissenschaftler und Zukunftsforscher. Wer es jetzt schafft, rechtzeitig Technologieführer zu sein, dem scheint eine enorme Rendite in Zukunft sicher.

>> zum Teil 2: Übersicht aktuelle 3D-Druckverfahren

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