3D-Druck für Dummies

Kapitel 1

Wie 3D-Drucker zur modernen Fertigung passen

In diesem Kapitel

Additive Fertigung kennenlernen

Additive Fertigung definieren

Vergleiche zur traditionellen Fertigung ziehen

Recycling und geplante Veralterung berücksichtigen

Die Anwendung des 3D-Drucks genauer betrachten

Im Bereich der Fertigung finden derzeit erstaunliche Umbrüche statt. Dies betrifft fast alle Produkte, und diese Wandlung verspricht, unsere Zukunft zu einer nachhaltigen und an das einzelne Individuum angepassten Umgebung zu machen. Diese Zukunft steht vor der Tür, und alles, was wir brauchen, kann mit minimalem Abfallaufkommen schnell ersetzt oder neu erstellt werden - von Nahrungsmitteln bis hin zu unseren eigenen Körpern. Wir sprechen hier nicht von langsamen Änderungen durch Fortschritt, wie beispielsweise bei einer iPhone-Generation zur nächsten, sondern von einer wirklichen Revolution, vergleichbar mit den Änderungen, die das industrielle Zeitalter für die Welt mit sich gebracht hat, die nicht zuletzt dazu geführt haben, dass unsere Wohnungen und Unternehmen Licht und Strom erhalten haben.

Diese Entwicklung wird nicht ohne Verluste vonstattengehen. Alle wirklich grundlegenden Änderungen, die sich auf alle Bereiche der weltweiten Wirtschaft erstrecken, sind ihrer Natur nach zerstörerisch. Mit Sicherheit werden die ineffizienten herkömmlichen Methoden verschwinden, um das jeweils nächste Modell irgendeines Produktes herzustellen, und den neuen Methoden Platz machen, von denen man bisher nur träumen konnte. Die Technologie hinter dieser Wandlung wird auch als additive Fertigung, 3D-Druck oder direkte digitale Fertigung bezeichnet.

Aber egal, wie wir diese Technologie bezeichnen, sie wird bereits im nächsten Jahrzehnt genutzt werden, um alles Mögliche zu bauen, wie beispielsweise Motoren, Flugzeuge, Lebensmittel und sogar Gewebe und Organe aus Zellen! Tagtäglich werden überall auf der Welt neue Anwendungsformen für den 3D-Druck entdeckt und entwickelt. Und selbst der Weltraum ist nicht ausgeschlossen: Die NASA testet Entwürfe, die ohne Schwerkraft und auf dem luftfreien Mond funktionieren und sogar die Erkundung anderer Planeten durch den Menschen unterstützen, wie beispielsweise des Mars (wie das aussehen könnte, sehen Sie in Abbildung 1.1). Machen Sie sich auf einiges gefasst, denn in den nächsten Kapiteln werden wir zahlreiche, unglaublich neue und fantastische Technologien vorstellen. Und wir werden Ihnen zeigen, wie Sie selbst an dieser unglaublichen Wandlung teilhaben können, indem Sie einen 3D-Drucker zuhause bauen und einsetzen.

Abbildung 1.1 Eine Zeichnung eines von der NASA in 3D-Druck auf dem Mond geplanten Gebäudes

Additive Fertigung - Einführung

Jetzt fragen Sie sich vermutlich, was »additive Fertigung« ist. Additive Fertigung erinnert ein wenig an die »Replikatoren« aus Star Trek, über die der Captain einen »Tee, Earl Grey, heiß« bestellen konnte, und dann tatsächlich eine Tasse mit einer entsprechenden Flüssigkeit erhielt, komplett fertig und trinkbereit. Wir sind noch nicht ganz so weit. Heute übernehmen 3D-Drucker die additive Fertigung, indem sie ein im Computer gespeichertes 3D-Modell eines Objekts in viele sehr dünne Schichten umrechnen und das Objekt dann Schicht für Schicht aufbauen und Material auftragen, bis das Objekt fertig für den Gebrauch ist.

3D-Drucker sind durchaus mit den uns vertrauten Druckern vergleichbar, die Sie bereits zuhause oder bei der Arbeit verwenden, um Kopien von Dokumenten zu erstellen, die auf elektronischem Wege übertragen oder auf Ihrem Computer erstellt wurden, außer dass ein 3D-Drucker ein dreidimensionales Objekt aus den unterschiedlichsten Materialien erzeugt, nicht nur einen einfachen Ausdruck auf Papier.

Seit Johannes Gutenberg hat die Möglichkeit, Dokumente mehrfach zu drucken, Bildung in die Welt gebracht. Wenn Sie heute in einer Textverarbeitung auf die Drucken-Schaltfläche klicken, übernehmen Sie die Arbeit von Schriftstellern, Stenografen, Korrektoren, Layoutern, Belichtern (Farbgebung und Einfügen von Bildern) und Druckern innerhalb eines einzigen Arbeitsschritts. Und mit ein paar weiteren Klicks veröffentlichen Sie das von Ihnen erstellte Dokument im Internet, wo es von anderen Menschen auf der ganzen Welt geteilt, heruntergeladen und ausgedruckt werden kann.

Der 3D-Druck bewirkt genau dasselbe für Gegenstände: Designs und virtuelle 3D-Modelle für physische Objekte können geteilt, heruntergeladen und dann in physischer Form ausgedruckt werden. Nicht auszudenken, was Johannes Gutenberg daraus gemacht hätte.

Definition der additiven Fertigung

Warum heißt die additive Fertigung »additiv«? Bei der additiven Fertigung wird das Design eines Objekts - seine Form - in ein Computermodell umgewandelt. Anschließend wird das Modell in einzelne Schichten zerlegt, die aufeinander gestapelt werden können, um schließlich das endgültige Objekt zu bilden. Damit wird ein dreidimensionales Objekt als Folge aufeinander stapelbarer Schichten neu dargestellt, die, wenn sie zusammengefügt werden, schließlich das fertige Objekt ergeben (siehe Abbildung 1.2). Ob es sich bei diesem Objekt um eine Teetasse oder ein Haus handelt - der Prozess beginnt immer bei der untersten Schicht und baut alle weiteren Schichten darauf auf, bis das komplette Objekt fertiggestellt ist.

Abbildung 1.2 Eine Zeichnung in 2D, wie der 3D-Druck funktioniert

Unsere Kinder konnten das schon, bevor sie ihren ersten 3D-Drucker überhaupt zu Gesicht bekommen haben. Sie entdeckten nämlich, dass sie mithilfe von Kräckern und Sprühkäse mehr als nur einen Snack basteln konnten. Sie bauten ganze Türme und riesige Konstruktionen, indem sie einfach nur Kräcker und Käse aufeinanderschichteten. Diese essbaren Bauwerke zeigen das Potenzial der additiven Fertigung. Auf jeden Kräcker wurde eine spezielle Sprühkäseschicht aufgetragen, um damit Namen zu schreiben, Zeichnungen anzufertigen und sogar Formen zu bilden und winzige Pyramiden zu stützen. Die resultierenden Mahlzeiten waren zum einen einzigartig und sahen außerdem genau so aus, wie sich das jeweilige Kind dies vorgestellt hatte.

3D-Drucker bauen die Materialschichten auf verschiedene Arten auf: Entweder schmelzen sie Flüssigkristallpolymere unter Verwendung eines Lasers, sie verbinden kleine Granulatkörnchen unter Verwendung eines Lasers oder eines flüssigen Bindematerials oder sie spritzen geschmolzenes Material aus (man sagt dazu »extrudieren«), ähnlich wie Zahncreme aus der Tube auf eine Zahnbürste. 3D-Drucker erledigen ihre additive Fertigung jedoch unter Verwendung von sehr viel mehr Material als nur Zahncreme oder Sprühkäse. Sie können Gegenstände aus lichtaushärtenden Kunststoffpolymeren, geschmolzenem Kunststofffaden (»Filament«), Metallpulvern, Beton und vielen anderen Materialtypen herstellen - unter anderem auch aus biologischen Zellen, die atemberaubend komplexe Strukturen annehmen können, mit denen wir in unserem Körper Austausch-, Reparatur- und sogar Erweiterungsarbeiten vornehmen können.

So wie die Jahresringe eines Baums die additiven Wachstumsschichten des Baums für jedes einzelne Jahr zeigen, so baut auch die additive Fertigung Gegenstände Schicht für Schicht auf. Auf diese Weise können wir ein kleines Plastikspielzeug, ein ganzes Auto und sehr bald ein ganzes Haus (mit allen Möbeln) oder sogar komplette Flugzeuge mit allen ihren Steuerungen herstellen. Die Forschung im Bereich der Leitermaterialien kann heute bereits zeigen, dass auch Verdrahtungen bald Bestandteil des additiven Fertigungsprozesses sein werden, indem sie einfach nur auf ein Objekt aufgedruckt werden, statt sie später installieren zu müssen.

Der Vergleich mit der traditionellen Fertigung

Wie lässt sich die additive Fertigung mit den traditionellen Fertigungsmethoden vergleichen, die nach der ersten industriellen Revolution im 18. Jahrhundert die Fertigung von der manuellen Herstellung in eine automatisierte Produktion umgewandelt haben, indem maschinelle Werkzeuge unter Verwendung von Wasser und Dampf angetrieben wurden? Warum brauchen wir einen weiteren marktverändernden Technologiewechsel, nachdem die zweite industrielle Revolution im 19. Jahrhundert die Welt durch die zunehmende Nutzung von dampfbetriebenen Fahrzeugen und Firmen mit Massenproduktion verändert hat? Heute stehen wir unmittelbar vor der nächsten Transformation, einer dritten industriellen Revolution, durch die die Massenproduktion und der weltweite Transport von Massenwaren abgeschafft werden und stattdessen eine lokal stattfindende und stark personalisierte, individuelle Produktion eingeführt wird, die zum Wandel der Gesellschaft in eine wirklich globale Phase der stetigen Selbstverbesserung und schrittweisen lokalen Innovation passt.

Die bahnbrechenden Neuerungen der...