Rapid Manufacturing: Wie der 3D-Druck den Weg in den Mainstream nimmt

Beim vollautomatisierten 3D-Druck werden Modelle in einem Schichtbauverfahren aufgebaut. Die Industrie hat das Druckverfahren entwickelt, um die Produktionskosten von Prototypen zu senken und damit den gesamten Herstellungsprozess zu verkürzen - Rapid Prototyping ist ein seit vielen Jahren etablierter Prozess.

Früher entstanden Prototypen in langwieriger Arbeit mittels Drehen, Fräsen oder Erodieren. Im Gegensatz zu materialabtragenden Methoden wird das Modell beim Rapid Prototyping in Schichten aufgebaut. Der Prototyp wird innerhalb weniger Stunden aus 3D-Datensätzen hergestellt. Die Anwendungsgebiete für 3D-Druck, die sich anfangs nur auf die Herstellung von Prototypen konzentrierten, haben sich mittlerweile ausgedehnt. Häufig ist es zudem das einzige Verfahren, um Einzelstücke oder geringe Stückzahlen herzustellen.

Dank immer hochwertigerer Materialien lassen sich Objekte produzieren, die in der Realität eingesetzt werden - Rapid Manufacturing heißt das Verfahren. Bisher war der 3D-Druck allerdings nur der hochspezialisierten Industrie vorbehalten, denn das dreidimensionale Druckverfahren ist extrem kostspielig. Das ändert sich nun allmälig.

3D-Drucker werden immer günstiger, sodass sie künftig auch in den privaten Haushalt Einzug halten werden. Auch die Palette an zu verarbeitenden Materialien hat sich deutlich erweitert. Es können nun auch Produkte für den praktischen Gebrauch hergestellt werden. Wohin die Reise geht und welche Optionen sich beispielsweise für den E-Commerce eröffnen, zeigen zahlreiche Entwicklungen, die jüngst vorgestellt wurden.

3D-Drucker kosten mittlerweile weniger als 900 Euro

Die amerikanischen Entwickler der Firma MakerBot Industries   haben mit "Thing-O-Matic" einen 3D-Drucker zum Kampfpreis von 1.225 US-Dollar (rund 850 Euro) vorgestellt. Mit ihm lassen sich beliebige Gegenstände aus verschiedenen Plastiksorten in Größen von bis zu 10 x 11 x 12 cm fertigen. Die Vorlagen werden dabei mit einer Software am Computer erschaffen und anschließend per USB-Kabel direkt auf den Drucker übertragen. Erst danach beginnt auf Knopfdruck der eigentliche Druckvorgang, der je nach Komplexität des angeforderten Objekts einige Zeit in Anspruch nehmen kann - sei es ein Flaschenöffner, die iPod-Dockingstation oder der eigene WoW-Avatar als Plastik-Gartenzwerg:


Den weltweit kleinsten 3D-Drucker hingegen wollen Forscher der Technischen Universität Wien    entwickelt haben - gerade mal so groß wie eine Milchtüte und ebenfalls für günstige 1.200 Euro. Mit Druckern dieser Art könnte man in Zukunft kleine, maßgeschneiderte Objekte nach Bauplänen aus dem Internet zu Hause selbst produzieren - und so etwa teures Geld für seltene Ersatzteile sparen.

Im Gegensatz zu den anderen 3D-Druckverfahren, setzt der Micro-Printer bei der Fertigung auf Flüssigharz. Das Kunstharz wird genau dort hart, wo man es intensiv mit Licht bestrahlt. Schicht für Schicht wird das Kunstharz also an den richtigen Stellen beleuchtet. Verhärtet eine Schicht, wird an ihr die nächste angelagert, bis das Objekt vollständig ausgehärtet ist. "Auf diese Weise können wir auch komplizierte geometrische Objekte mit einer genau definierten inneren Struktur herstellen, wie das etwa mit Gussverfahren niemals möglich wäre", erklärt Klaus Stadlmann , der den Drucker-Prototyp gemeinsam mit Markus Hatzenbichler entwickelt hat.

Für Massenproduktion von immer gleichen Objekten ist diese Methode nicht gedacht - dafür gibt es billigere Alternativen. Doch der große Vorteil des Rapid-Prototyping-Verfahrens liegt darin, dass sehr einfach individuell angepasste, maßgeschneiderte Einzelstücke erzeugt werden können. "Wir werden den Drucker noch weiter verkleinern - und auch der Preis könnte sicher noch spürbar sinken, wenn man ihn in größerer Stückzahl erzeugen würde", ist Klaus Stadlmann zuversichtlich. Einsatzgebiete sind medizinische Teile aber auch praktische Sachen wie spezielle Ersatzteile oder Modeschmuck.

Auch für Onlinehändler wird das Thema 3D-Druck immer interessanter. Die Onlineplattform Shapeways   ist eine Art Spreadshirt   für 3D-Designs. Das Portal bietet Verkäufern an, einen eigenen 3D-Shop anzulegen   und eigene 3D-Designs auszudrucken. Der Shopbetreiber legt seinen Shop auf Shapeways an, lädt 3D-Designs hoch und gibt den Aufschlag an, für den er ein Produkt oberhalb des Herstellungspreises verkaufen will. Die Objekte werden dann vom Betreiber aus Fotopolymeren, Acrylplastik, Glas, Keramik, Stahl oder Silber hergestellt. Shapeways verspricht, das fertige Objekt innerhalb 10 Tagen an jeden Ort der Welt zu liefern. Die Preisspanne liegt dabei zwischen Ohrringen für vier Euro und 600 Euro teuren Silber-Armbändern.

Aber die Rapid-Manufacturing-Fertigung ist mittlerweile so weit, dass sich auch Bekleidung drucken lässt. Vor wenigen Wochen hat der Bikini N12 für Aufsehen gesorgt. Das Modelabel Continuum Fashion   hat damit laut eigenen Angaben die erste Kleidung erschaffen, die vollkommen von einem 3D-Drucker hergestellt wurde. Der "N12-Bikini" wird mit Hilfe der Selective Laser Sintering (SLS) Technik gedruckt.

Hergestellt wird das Kleidungsstück aus Tausenden unterschiedlich großer, runder Nylon-Plättchen, die von winzigen Federn zusammengehalten werden. Die genaue Anordnung, das Muster der Plättchen, haben die Designer mit einer eigens entwickelten Software berechnet. Die gibt eine bestimmte, der weiblichen Anatomie abgeschaute Geometrie vor, an deren Grenzen entlang die Software ihre Plättchen möglichst nahe beieinander zu platzieren versucht. Der 3D-Druck-Bikini wurde ebenfalls von Shapeways gedruckt - und soll laut Hersteller angenehm zu tragen sein. Für umgerechnet 80 Euro wird er verkauft - pro Körbchen  

Ein Fahrrad aus dem Drucker

Ein weiterer Wurf auf diesem Gebiet ist der European Aeronautic Defense and Space Group (EADS)   gelungen. Sie hat das Airbike, ein leichtes und stabiles Fahrrad aus Nylon entwickelt. Das Airbike wurde komplett aus Nylonpuder hergestellt. "Additive Layer Manufacturing" (ALM) nennt EADS das Sinter-Verfahren, mit dem das Fahrrad aus einem Stück gebaut werden konnte. Beim Sintern wird der Puder in Schichten aufgetragen und anschließend per Laser "gebacken", danach mit einem 3D-Drucker ausgedruckt.

Das Beispiel des Airbikes zeigt, was auf diesem Gebiet unter Verwendung von Metall-, Nylon- oder Karbonpulver als ideale Druckmaterialen künftig noch "gebacken" und ausgedruckt werden kann. Mit diesen Materialien können vor allem individualisierte Produkte kostengünstig und sicher hergestellt werden. Ein wichtiger Schritt in Richtung Mass Customization, als dessen Mutter der 3D-Druck ohnehin gilt. So kann sich dieses Verfahren langsam zu einer bedeutungsvolleren Produktionstechnik entwickeln.

Zwar ist der Anteil von Mass Customization am ECommerce-Markt derzeit noch relativ gering, kann aber langfristig auf fünf bis zehn Prozent wachsen, wenn die Produktionsabläufe dank des geeigneten Materials weiter individualisiert werden. Anbieter können so flexibel auf aktuelle Nachfragetrends reagieren.

Die Grenzen von Rapid-Manufacturing verschieben sich immer weiter. Fast alles, was sich einscannen beziehungsweise als 3D-Modell erstellen lässt, ist heute auch druckbar. Amit Zoran Wissenschaftler am Media Lab des Massachusetts Institute of Technolog   hat eine hochkomplexe Querflöte im Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt. Dem Wissenschaftler zufolge könne es die Flöte hinsichtlich Klang und Handhabung mit einem traditionell hergestellten Instrument aufnehmen. Zunächst wurde ein dreidimesionlaes Modell des Instrumentes am Rechner erstellt und dann an einen 3D-Drucker übertragen. Nach 15 Stunden war die Flöte fertig.

Dazu nutzte Zoran einen Connex 500 des US-Herstellers Objet  , welcher auch bei dem Sportartikelhersteller Adidas   häufig zum Einsatz kommt. Dieser 3D-Drucker kann verschiedene Stoffe gleichzeitig verarbeiten. Das damit hergestellte Werkstück kann also aus mehreren Materialien bestehen.


Objet Ltd, eines der führenden Innovationstreiber im 3D-Druck für Rapid Prototyping, demonstrierte am Montag einen Klappstuhl in Originalgröße, welcher mit über 100 kg belastet werden kann. Genauso wie Objets 3D-gedrucktes Skateboard, wurde der Stuhl aus dem neuen ABS (Acrylnitril-Butadien-Styro) -ähnlichen Digitalmaterial von Objets-Ingenieuren in einem einzigen Arbeitsschritt gedruckt.

Dabei handelt es sich um ein neues, funktional verbessertes Material, welches als Verbundmaterial auf einem Objet Connex Multimaterial-3D-Drucker   hergestellt wird. Der 48 cm hohe Klappstuhl hat eine ähnliche Formstabilität, Temperaturbeständigkeit und Belastbarkeit wie technische Kunststoffe auf ABS-Niveau, und kann das Gewicht eines Menschen wiederholt aushalten.


Gilad Gans , Executive Vice President bei Objet, sagt hierzu: "Der Klappstuhl demonstriert die einzigartigen Möglichkeiten von Objets Multimaterial-3D-Druckern. Ob Skateboard oder Klappstuhl, Prototypen, die aus einem Objet Connex 3D-Drucker kommen, sehen wie das Endprodukt aus und funktionieren auch genauso wie das Endprodukt. Dieser Stuhl kann nicht nur das Gewicht eines Menschen aushalten, er wurde tatsächlich zusammengeklappt gedruckt und nach der Entnahme aus dem Drucker zur Verwendung aufgeklappt."
Das ABS-ähnliche Digital Material von Objet verfügt über eine hohe Schlagfestigkeit (65-80 J/m) und eine hohe Temperaturbeständigkeit (65°C bzw. 90°C nach einer thermischen Nachbehandlung). Mit dem neuen ABS-ähnlichen Digitalmaterial steigt die Anzahl der Objet 3D-Druckmaterialien auf insgesamt 65, darunter 51 Verbundmaterialien (Digital Materials), die für verschiedenste Rapid-Prototyping-Anforderungen verwendet werden können und dabei sämtliche Bereiche, von der originalgetreuen Produktvisualisierung bis zu erweiterten Funktionsprüfungen, abdecken.


Selbst vor der Nahrungsmittelindustrie machen 3D-Drucker keinen Halt. So haben Forscher der amerikanischen Cornell University das Rapid-Prototyping-System Fab@Home   zur Herstellung von Nahrung weiterentwickelt. Der Vorteil: Das System ist Open Source.
Das System druckt normalerweise verschiedene Kunststoffarten Schicht für Schicht über ein Spritzensystem, bis ein Modell entsteht. Die gelartige Substanz härtet anschließend aus. Zum Herstellen von Nahrungsmitteln werden die Kartuschen mit Essbarem passender Konsistenz gefüllt, etwa Teig, Schokolade, Käse oder Gelee. Anschließend baut das System die gewünschte Form aus einem Standard-CAD-Computermodell auf.

An der Idee arbeitet das Team um den Physiker Jeffrey Ian Lipton schon seit mehreren Jahren. 2009 begann dann eine Kooperation mit einer renommierten Kochschule, dem French Culinary Institute. Ziel ist die Produktion neuartiger Nahrungsmittel, die mit normalen küchentechnischen Mitteln sonst nicht herstellbar wären. "Wir denken da beispielsweise an ganz neue Texturen", erläutert Lipton.

Kann das bisherige System maximal zwei Substanzen gleichzeitig drucken, was den ständigen Austausch der Rohstoffkartuschen erfordert, soll "Fab@Home 3" bis Ende des Jahres vier unterschiedliche Stoffe zu Nahrung verarbeiten. "Vorstellbar ist so beispielsweise, dass ein Konditor komplexe Pralinen erstellt", sagt Lipton. "Fab@Home" ist quelloffen und kann von jedem Interessierten für unter 2000 Dollar selbst gebaut werden.

Rapid Manufacturing: Die Angst vor Plagiaten

Obwohl die 3D-Druck-Technik derzeit völlig neue marktweisende Fertigungs- und Vertriebswege eröffnet, warnt die Non-Profit-Organisation Public Knowledge   in einer aktuellen Studie vor ihr. "Wie zuvor schon bei Druckerpresse, Kopiergerät und PC, werden manche 3D-Druck als störende Bedrohung erachten", heißt es dort. Speziell könnten manche Unternehmen schärfere Gesetze fordern, um sich vor unbefugten Kopien ihrer Produkte zu schützen. 3D-Drucker wären somit für Hersteller physischer Gegenstände quasi das, was für die Content-Industrie das Internet ist.

Wenn es für die breite Bevölkerung leicht werde, alltägliche Gegenstände einfach auszudrucken, hat das potenziell deutliche Auswirkungen auf Unternehmen und Industrien, so der Anwalt und Studienautor Michael Weinberg . Während manche einfach mit der Zeit gehen werden, dürften sich andere angesichts dieser Bedrohung an Gesetzgeber und Gerichte wenden. Ähnlich, wie Musik- und Filmindustrie Internet und Filesharing verteufeln, werden dann 3D-Drucker als Piraterie-Werkzeuge und ihre Nutzer als Diebe hingestellt werden, warnt der Anwalt.

Vier Szenarien für die Rapid-Manufacturing-Zukunft
Aktiv-Szenario	Die tonangebende Nische 3D-Druck an sich bleibt ein Nischenmarkt - aber Rapid Manufacturing stößt neue Produktionsprozesse an: Hersteller von massenkompatiblen Produkten bieten mittels RM nutzergenerierte, individualisierte Produkte an. Wahrscheinlichkeit: 50 Prozent	Stagnation in der Forschung Die Verfahren bleiben zu teuer, weil die Materialkosten nicht ausreichend gesenkt werden können - außerdem bleibt die Auswahl an für den 3D-Druck geeigneten Materialien eng begrenzt. Die Fortentwicklung von RM stagniert. Wahrscheinlichkeit: 20 Prozent
Passiv-Szenario	Anti-Piraterie-Gesetze als Hemmschuh RM macht auf der technischen Ebene große Fortschritte - doch der Eroberung des Massenmarktes wird ein künstlicher Riegel vorgeschoben: Der Industrie, besonders Marken-Produzenten, erscheint der 3D-Druck Piraterie-Werkzeug. Die Hersteller erwirken entsprechende Verfügungen gegen RM - juristische Hürden verhindern die Marktdurchdringung. Wahrscheinlichkeit: 20 Prozent	Rapid Manufacturing bleibt im Labor RM bleibt ein reines Industrie-Phänomen und wird allenfalls in der Entwicklung von Prototypen eingesetzt. Das Interesse der Industrie, die das Potenzial für den Massenmarkt verkennt, ist nicht vorhanden. Wahrscheinlichkeit: 10 Prozent
	Best-Case-Szenario	Worst-Case-Szenario