16.04.2015

Ein Fertigungsverfahren verändert die Welt 

» Gegenstände einfach drucken «

Andreas Gebhardt

Eine Technologie verändert die Welt. Dank immer augereifterer Techniken gibt es schon heute kaum noch etwas, dass man nicht in 3D „drucken“ könnte. Dieser Beitrag beschreibt die technischen Möglichkeiten und fragt, welche Konsequenzen diese Entwicklung für unser Leben hat.

Spätestens seitdem das 3D-Drucken das Frühstücksfernsehen erreicht hat, ist es in der ganzen Familie zum Begriff geworden. „Gegenstände einfach drucken“, lautet vielerorts die Botschaft. Mit 3D-Drucken können beliebig komplizierte Gegenstände aus Kunststoff, aber auch aus Papier, Metall und Keramik hergestellt werden. Jeder kann eine eigene kleine Fabrik auf dem Küchentisch betreiben.

Der genormte Begriff dafür ist „Additive Manufacturing“, abgekürzt AM. Doch die allgegenwärtige normative Kraft des Faktischen hat dazu geführt, dass sich die Vokabel „3D-Drucken“ durchgesetzt hat – wohl weil diese nahezu selbsterklärend ist. Eine weitere Bezeichnung ist das „Desktop Manufacturing“, das nichts anderes meint als „Fertigung auf dem (Küchen-)Tisch“. Weitere gebräuchliche Begriffe sind Stereolithographie, Rapid Prototyping, Digital Manufacturing, Generative Fertigungsverfahren oder Direct Digital Manufacturing.

Verfahren und Maschinen

Das Prinzip des 3D-Druckens ist denkbar einfach. Ausgangspunkt ist ein digitaler Datensatz. Er wird mit mathematischen Methoden im Computer in hunderte von Schichten zerlegt. Die Schichtinformationen, also die Schichtdicke, die Kontur einer Einzelschicht, die Lage der Schicht im Bauteil und das Material werden in einem Datensatz gespeichert und an den Drucker übertragen. Dieser druckt die erste Schicht auf eine Bauplattform und dann die darauf folgenden jeweils auf die vorhergehende, bis das Bauteil fertig ist.

Weil die Einzelscheiben eine gleiche Dicke von ca. 1/10 mm haben, entsteht wie beim Bau mit Lego-Steinen ein „Treppenstufen-Effekt“ an der Oberfläche. Der ist typisch für alle 3D-Druckverfahren.

Die Verfahren unterscheiden sich vor allem in der Art, Einzelschichten herzustellen und in der Art, diese zu Bauteilen zu verbinden. Es gibt mehrere Herstellmethoden. Die einfachste ist das Ausschneiden aus Papier und das anschließende Zusammenkleben zum Bauteil; andere schmelzen und verfestigen Pulver mit Hilfe von Lasern oder verfestigen Kunstharze mittels UV-Licht.

Im Kontext der aktuellen 3D-Drucker-Diskussion haben die Extrusionsverfahren und -Anlagen besondere Bedeutung. Sie erwärmen einen vorgefertigten Draht aus Kunststoff in einer beheizten Düse und tragen das teigige Material entsprechend der Kontur der Einzelschicht auf die Bauplattform und dann schichtweise auf das teilfertige Bauteil auf. Der Prozess erinnert an die Funktion einer Heißklebepistole.

Auswirkungen

Die große Dynamik auf dem Gebiet des 3D-Druckens hat spiegelt sich auch bei den zur Verfügung stehenden Maschinen: Neben dem „Professional Drucker“ für Konstruktionsbüros oder Designer und dem „Production Drucker“ für die industrielle Fertigung gibt es inzwischen auch den „Personal Drucker“ für den Hausgebrauch. Die auch als Bausätze erhältlichen Personal-Drucker kosten zwischen 1000 und 4000 Euro, für die beiden anderen Klassen kann man je eine „0“ anhängen, wobei die Skala bis zu ca. 1,5 Millionen Euro reicht. Mit solchen Hochleistungsanlagen kann man allerdings auch einsatzfähige Turbinen- und Motorenteile herstellen.

Wer mit einem Drucker arbeiten will, kann den benötigten Datensatz selbst konstruieren oder scannen, aber auch fertige Daten aus dem Internet laden oder sich per email schicken lassen.

Das 3D-Drucken hat unmittelbare Auswirkungen auf die industrielle Fertigung. Weil die Verfahren schnell aussagekräftige Prototypen und Muster liefern, wird die Produktentwicklung enorm beschleunigt und zudem qualitativ verbessert. Der Fokus liegt aber zunehmend auf der Produktion. Das 3D-Drucken bildet die technische Grundlage dafür, dass die heutige Form der Großserien-Produktion von Gleichteilen (Bauteile mit identischer Geometrie wie Joghurtbecher, Legosteine, Zahnbürsten usw.) sich wandelt in eine Großserien-Produktion von Einzelteilen (Bauteile mit unterschiedlicher Geometrie). Das ist keine Vision. Schon heute werden nahezu alle Hörgeräteschalen für In-Ohr-Hörgeräte sowie Kronen und Brücken für die zahnmedizinische Versorgung „gedruckt“.

Wir sprechen von der kundenindividuellen Fertigung oder „customization“. Damit entstehen veränderte und neue Anforderungen an die Produktionsplanung, die Qualitätssicherung, die Logistik, das Ersatzteilmanagement,  usw. 

Es liegt aber auf der Hand, dass die Auswirkungen des 3D-Druckens weit über die Aktionskreise der Ingenieure hinausreichen. Die Administration ist ebenso betroffen wie die  Juristerei; und wenn man bedenkt, dass zu druckende Bauteile jede Art von Grenzen (politische, wirtschaftliche, steuerliche, ...) leicht per E-Mail oder Memory-Stick überwinden können, auch die Politik.

Nicht-technische Effekte

Aber auch der Entwurf unserer Gesellschaft ist betroffen. Die Idee der dezentralen, ja der verteilten individualisierten Fertigung, nimmt Gestalt an, spätestens seit 3D-Drucker im Einzelhandel erhältlich sind (so bot u.a. Tchibo im vergangenen Herbst einen 3D-Drucker für 499 Euro an). Die Fertigung eines Produktes erfolgt nicht mehr ausschließlich durch Fachleute. Es gibt Menschen, die deshalb von einer Demokratisierung der Produktionsmittel sprechen.

Wenn man bedenkt, dass die (erste) Industrielle Revolution auch dadurch gekennzeichnet war, dass die notwendigen Produktionsanlagen örtlich konzentriert werden mussten und in Folge dessen die Arbeiter vom Land weg zu diesen Produktionsstandorten zogen, ist eine Umkehrung dieses Effektes durch 3D-Drucker durchaus vorstellbar.

Aber auch neue urbane Produktionsstrukturen werden sichtbar. Besitzer und Betreiber von 3D-Druckern organisieren sich in sogenannten Hubs. Internetbasiert können heute schon weltweit 13.756 Drucker (Stand: 22. März 2015) von Interessierten als Service angesprochen werden. Die Betreiber der Drucker bieten auch Beratung und Service, und da der fertige Druck abgeholt werden muss, ist auch ein intensiver Austausch über die Technologie gesichert.

Natürlich werfen diese technisch faszinierenden Möglichkeiten allerlei Fragen nach den Rechten am Produkt, der Produkthaftung und auch nach der steuerlichen Behandlung dieser Geschäfte auf. Sie werden aber erst zögerlich diskutiert. Auf der industriellen Seite ist 3D-Drucken ein vollständig integrierbares, weil vollständig digitales Element der Cyber Physical Systems, die momentan hierzulande als „Industrie 4.0“ ebenfalls einen Hype erleben. Beide Ansätze harmonieren perfekt miteinander.

Einige nahezu fantastische technische Perspektiven zeichnen sich für das 3D-Drucken ab: Das Drucken von Nahrungsmitteln und Arzneimitteln (Food and Drug Printing) eröffnet neben Life-Style Anwendungen wie individuellen Gerichten in Szene-Restaurants vor allem die Möglichkeit für Großküchen, z.B. in Krankenhäusern, große Mengen individualisierter Gerichte reproduzierbar herzustellen und zu dokumentieren. In der Pharmaindustrie könnte etwa eine große Anzahl unterschiedlicher Tabletten zu einer zusammengefasst und individuell mit genau den Wirkstoffen gedruckt werden, die der Patient benötigt. Auch die Gefahr einer nicht aufeinander abgestimmten Medikation würde dadurch eliminiert werden können.

Perspektiven

Individuelle Implantate aus Metallen und Knochenersatzwerkstoffen druckt man schon heute. Menschliches Gewebe, Gefäße (tissue engineering) und schließlich ganze Organe (Organ printing) sind Herausforderungen, die bereits angenommen wurden, und die ein Segen für die Menschheit zu werden versprechen.

Auch die Raumfahrt wird profitieren. Da es unmöglich ist, die Materialien auf den Mond oder weiter zum Mars zu bringen, die man alleine für Schutzbauten benötigen wird, wenn dort eine Besiedlung oder zumindest eine Forschungsstation ernsthaft entstehen soll, muss man die Stoffe verarbeiten, die schon vor Ort sind. Das 3D-Drucken von Gegenständen aus Lunar Regulith (Mondsand) ist dafür ein erfolgversprechender Ansatz.

Ob wir es nun mit einer weiteren Industriellen Revolution (der 4. wenn die Chronisten richtig zählen) oder einem Hype zu tun haben, wird sich noch herausstellen, zumal man Revolutionen üblicherweise nur retrospektiv beurteilen kann. Aber auch ein Hype hat eine bleibende positive Wirkung, wenngleich das dauerhafte Niveau deutlich gegenüber dem spektakulären Spitzenwert abfällt.

In jedem Fall ist es falsch, abzuwarten. Dranbleiben und sich informieren sollte die Devise sein. Wenn der Einzelne sich dann doch gegen 3D-Drucken entscheidet, sollte er es tun, weil er die Technologie kennt und keinesfalls deshalb, weil er das Risiko scheut.

Erschienen in Rotary Magazin 4/2015

Andreas Gebhardt
Andreas Gebhardt ist Geschäftsführer des auf die Fertigung von Prototypen und Kleinserien spezialisierten CP – Centrum für Prototypenbau GmbH. 2014 erschien „3D-Drucken. Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing“ (Hanser Fachbuchverlag). www.cp-gmbh.de

Rotary Magazin 12/2016

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