3D-Druck: Wie alles begann

Nur wenige Jahrzehnte hat es gedauert, bis die ursprünglich auf den britischen Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke zurückgehende Idee eines 3D-Druckers Realität geworden ist. Von nachhaltigen Häusern bis hin zu Brücken für Fußgänger kann man heutzutage alle möglichen Dinge mittels 3D-Druck herstellen. Die Wachstumsprognosen für den Markt liegen bei jährlich über 20 Prozent. Computergenerierte Baupläne werden mit wenig Arbeitsaufwand Wirklichkeit. Niemals waren die Fertigungswege so kurz wie heute. Nicht nur das: Dreidimensionale Druckverfahren reduzieren neben dem Arbeitsaufwand auch den Material- und Energieverbrauch. Waren lassen sich dank additiver Fertigung in geringeren Mengen genau nach dem individuellen Bedarf der Kunden herstellen. Wir sehen uns an, wie der Siegeszug der revolutionären Technik begann.

Stereolithografie als Wiege der additiven Fertigungsverfahren

Von der Medizin- über die Automations- bis hin zur Automobilbranche gibt es heutzutage unzählige Sektoren, die von additiver Fertigung profitieren. Die rasante Entwicklung des Druckverfahrens begann Anfang der 1980er Jahre, als der Bedarf an kostengünstigen Prototypen im Rahmen der Serienfertigung stieg. Wissenschaftler aus aller Welt arbeiteten damals an dreidimensionalen Fertigungsverfahren. Obwohl die Idee auf Clarke zurückgeht, gilt Charles Hull gemeinhin als Erfinder des schichtenden Druckverfahrens. 1984 meldete er ein erstes Patent für die sogenannte Stereolithografie an. Ein UV-Laser erhärtet dabei selektive Stellen einer lichtempfindlichen Flüssigkeit, um das gewünschte Objekt zu bilden. Zwei Jahre später wurde dieses Fertigungsverfahren offiziell bewilligt. Hulls im selben Jahr gegründetes Unternehmen 3D-Systems brachte ein Jahr darauf den ersten 3D-Drucker auf den Markt und gilt bis heute als globaler Branchenführer. Inspiriert von Hulls Verfahren, entstanden in den Folgejahren das sogenannte Lasersinter- und FDM-Verfahren (Fused Deposition Modelling). Ende der 1980er meldete Carl Deckard ein Patent für Selektives Lasersintern an, bei dem Laser ein Kunststoffpulver verschmelzen und so Bauteile beliebiger Komplexität herstellen. Scott Crumps FDM-Druckverfahren folgt demgegenüber dem Prinzip einer Heißklebe-Pistole. Fadenförmiger Kunststoff wird dabei geschmolzen, indem man ihn durch eine heiße Düse presst. Anschließend erfolgt der schichtweise Auftrag des Materials.

Weiterentwicklungen in den 1990er Jahren

Eine große Zeitersparnis bei der Prototypenfertigung ermöglichte schon das erste stereolithografische Gerät. Trotzdem wurde die schichtweise Fertigung komplexer Bauteile mit geringem Zeit- und Arbeitsaufwand in den 1990er Jahren weiter revolutioniert. DTM erfand zu jener Zeit beispielsweise die erste selektive Lasersinter-Maschine, die Pulver statt Flüssigkeiten bestrahlte. Auch Z Corps Binder-Jetting-Verfahren war eine wichtige Weiterentwicklung der bestehenden Technik. Der in diesem Rahmen entwickelte und auf dem Tintenstrahl-Druckverfahren basierende Drucker Z402 stellte damals Gipspulver-Modelle aus Bindemittel her. Erst gegen Ende des Jahrzehnts war 3D-Druck nicht mehr auf Kunststoffe beschränkt, sondern erlaubte auch die Metallverarbeitung. Zur etwa selben Zeit wurden mehr und mehr CAD-Programme für die additive Fertigung entwickelt.

Reifeprozess in den 2000ern

Die Medizintechnik war einer der ersten Sektoren, die das Potential additiver Fertigungsverfahren für sich entdeckte. Ein erster Höhepunkt davon lag in den 2000er Jahren, als ein Mensch erstmals ein teilweise 3D-gedrucktes Implantat erhielt. Von Beinprothesen über Blutgefäße bis hin zu einer funktionierenden Niere wurden in den Folgejahren etliche Medizinprodukte gedruckt. Auch abgesehen davon war jene Zeit eine Zeit der Durchbrüche. Dank des Replicating-Rapid-Prototypers war man ab 2004 dazu in der Lage, große Bauteile für weitere 3D-Drucker zu fertigen. Wenig später gelang den Geräten auch der Durchbruch am Arbeitsplatz. Als 2009 der Patentschutz für das FDM-Verfahren auslief, sanken die Preise für die Drucker und die Technik wurde für den Ottonormalverbraucher zugänglicher.

Industrielle Fertigung in den 2010er Jahren

Die Automobilbranche, heutzutage einer der Hauptsektoren mit Bedarf an additiv gefertigten Bauteilen, stellte 2010 den ersten 3D-gedruckten Prototypen her. Ein Jahr später erreichte der erste 3D-Drucker für Lebensmittel den Markt, den die NASA zur Herstellung von Astronautennahrung im Weltall einsetzen wollte. Tatsächlich schaffte es der erste 3D-Drucker 2014 ins All – damals zur Fertigung von Bauteilen für die Raumstation. Auch im medizinischen Sektor gab es weitere Höhepunkte: So beispielsweise 2012, als die erste Kieferprothese additiv gefertigt und transplantiert wurde, oder 2016, als dasselbe mit Knochen gelang. Davon abgesehen nutzten immer mehr kleine und mittlere Unternehmen aus dem industriellen Bereich in jener Zeit die Fertigungstechnik zum Prototyping. Mit dem Multi-Jet-Fusion-Verfahren gab es endlich auch ein neues additives Kunststoff-Produktionsverfahren. Werkstücke mit homogener Oberfläche und so gut wie porenfreier Materialdichte waren das Ergebnis. Nicht nur als Prototypen, sondern ebenso gut als Serienteile lassen sich entsprechend hergestellte Modelle verwenden.

Zukunftsausblick für additive Fertigungsverfahren

Heutzutage steht der 3D-Druck kurz vor dem Durchbruch in der Serienproduktion. Nicht nur wächst die Materialvielfalt stetig, die Qualität steigt in derselben Geschwindigkeit. In gleichem Maße sinkt wiederum die notwendige Produktionszeit. Längst schon gilt der 3D-Druck als Schlüsseltechnologie der Zukunft. Egal ob für Prototypen, Einzelobjekte oder Serien: Künftig wird die Technologie kürzere Lieferketten bei einer ideal bedarfsgerechten Produktion ermöglichen. Die damit verbundenen Chancen im industriellen Bereich sind schier grenzenlos.