3D-Druck: Wie aus einer Technik endlich ein Markt wird

iBusiness berichtet seit Jahrzehnten über das Thema 3D-Druck. '3D-Druck ist ein Aufbruch in neue Welten' hieß es bei uns bereits im Jahr 2006. Doch bislang war der 3D-Druck vor allem ein Godot-Markt: Alle warteten auf ihn und er stand eigentlich ständig vor der Tür - er kam nur nie. Das scheint sich mittlerweile zu ändern - neben dem Preisverfall der Drucker ist es der sinkende Preis und die Qualität der zu verdruckenden Materialien, die inzwischen eine verkaufsfähige Qualität erreicht haben.

Als Corona im Frühjahr wütete und passende Schutzausrüstung ebenso rar war wie Toilettenpapier, hatte ein Zahnarzt in Lahnstein die Idee, Mund-Nasen-Masken im 3D-Drucker herstellen zu lassen. Das behandelnde Personal sollte dadurch besser geschützt und Müll vermieden werden. Mit seinem Anliegen wandte er sich an den Fachbereich Ingenieurwesen der Hochschule Koblenz   . Zwei Studierende entwickelten daraufhin im Rahmen einer Projektarbeit eine individuell angepasste Mund-Nasen-Maske für den medizinischen Bereich.

Mit Hilfe eines 3D-Scanners und spezieller Software gelang es, entsprechende Mund-Nasen-Abdeckungen zu drucken. Ein zusätzlicher Filterstoff wird eingelegt und nach Gebrauch ausgetauscht, die Maske kann desinfiziert und wiederverwendet werden.

17 Masken wurden an das Praxis-Team übergeben. Dies ist nur ein Beispiel von vielen. Es zeigt, wie - und vor allem wie schnell und flexibel - 3D-Druck selbst spezielle Anforderungen erfüllen kann. Im Medizinbereich sind 3D-Drucke generell sehr gefragt. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von Zahnkronen über Hörgeräte bis hin zu Implantaten. Auch in der Luftfahrt, der Konsumgüterbranche, dem Baugewerbe, im Maschinenbau oder der Automobilindustrie sind 3D-Druck-Verfahren verbreitet. Das Besondere an dieser additiven Fertigungstechnik ist, dass sie das Funktionsprinzip eines klassischen Tintenstrahldruckers nachahmt: Die Objekte werden gefertigt, indem über einen Druckkopf Material Schicht für Schicht aufgetragen wird. Bei diesem "Additive Manufacturing" baut sich das Produkt von unten nach oben auf und folgt dabei vorgegebenen 3D-Modelldaten.

Im Durchschnitt wenden bereits 65 Prozent der Unternehmen weltweit 3D-Druck-Technologien an. Führend sind die asiatischen Länder Südkorea und China. Hierzulande haben laut einer EY  -Studie 63 Prozent der Unternehmen Erfahrungen mit 3D-Druck, damit gehört Deutschland zu den Top-Ten der Welt. Die meisten Unternehmen erwarten, dass sie mit Produkten aus dem 3D-Druck die Anforderungen ihrer Kunden besser erfüllen können. Auch schnellere Entwicklungsprozesse und ein effizienterer After-Sales-Markt werden mit dem 3D-Druck verbunden (siehe Grafik).

Ein Wohnhaus aus dem Betondrucker

Am häufigsten werden Kunststoffe und Metalllegierungen für den 3D-Druck verwendet. Aber nahezu jedes Material kann mittlerweile eingesetzt werden, zum Beispiel auch Keramik, Gips, Sandstein oder sogar Beton. Beim Betondruck entwickelt sich die Technik besonders rasant. Erstmals wird jetzt in Deutschland ein zweigeschossiges Wohnhaus gedruckt. Es entsteht im nordrhein-westfälischen Beckum und wird über rund 160 Quadratmeter Wohnfläche verfügen. Das Pilotprojekt wird von der NRW-Landesregierung mit 200.000 Euro gefördert und könnte beispielgebend für die gesamte Baubranche hierzulande sein, denn 3D-Drucker sind auf Baustellen flexibel und schnell einsetzbar, zudem werden weniger Ressourcen benötigt. Häuser können mit weniger Personal schneller und zu geringeren Baukosten errichtet werden. In Anbetracht von Arbeitskräftemangel einerseits und Wohnungsknappheit andererseits, könnte dies eine spannende Entwicklung sein. Außerdem lassen sich beim Betondruck Rundungen und innovative Kurvenformen realisieren, was neue architektonische Möglichkeiten eröffnet. Auch in Belgien wird momentan ein zweistöckiges Haus gedruckt. Aus den USA gibt es ebenfalls erste Beispiele gedruckter Häuser.

Immer mehr Materialien druckbar

Die Entwicklung schreitet vor allem bei den Materialien und den Drucktechniken weiter voran: Das schwedische Unternehmen Sandvik   hat zum Beispiel kürzlich ein Verfahren entwickelt, das den 3D-Druck von Diamantverbundwerkstoffen ermöglicht. Diamant ist härter als alles andere in der Natur und gilt als Schlüsselkomponente für besonders verschleißfeste Werkzeuge in der Industrie. Durch den 3D-Druck von Diamantverbundwerkstoffen kann das superharte Material nun sogar in komplexen Formen gedruckt werden. Der 3D-Druck-Spezialist Protiq   hat kürzlich ein Verfahren entwickelt, das den 3D-Druck mit 100 Prozent reinem Kupfer ermöglicht.

Damit kann beispielsweise die Herstellung von Induktoren und Wärmetauschern verbessert werden. Auch ein eher brüchiges Material wie Holz lässt sich mittlerweile drucken. Ein Vorreiter in diesem Bereich ist die amerikanische Firma Forust   . Sie ist auf Inneneinrichtungen aus Holz spezialisiert, allerdings sind Ausgangsstoffe hier keine Bäume oder Bretter, sondern Sägemehl. Im 3D-Druck werden daraus Paneele, Fliesen und Wandverkleidungen hergestellt. Gegenüber den so genannten subtraktiven Fertigungstechniken hat ein additives Verfahren wie der 3D-Druck generell den Vorteil, dass Material gespart wird. Während zum Beispiel beim Sägen oder Fräsen (subtraktive Technik) überschüssiges Material entfernt wird und als Abfall zurück bleibt, muss beim 3D-Druck nur so viel Material eingesetzt werden, wie das Produkt später beinhaltet.

3D-Produktion online abwickeln

Für den Bau von Prototypen ist der 3D-Druck heutzutage in vielen Fällen die erste Wahl. Auch für die Fertigung von Ersatzteilen ist das Verfahren prädestiniert. Egal ob der Vergaser eines Oldtimers, ein Bauteil einer Spezialmaschine oder das Verschleißteil einer Fassadenverkleidung: Per 3-D-Druck lassen sich nahezu alle Ersatzteile herstellen und eine Lücke im Kundenservice schließen. Dazu werden die Teile vermessen oder digital gescannt und anschließend mit dem passenden Druckverfahren neu gefertigt. Bei stark verschleißenden Teilen können auf diese Weise sogar Schwachpunkte erkannt und mit dem 3D-Ersatzteil verbessert werden.

Johannes Matheis , Geschäftsführer von Murtfeldt Additive Solutions  , sieht die Zukunft des 3D-Drucks jedoch nicht allein in der Herstellung von Prototypen und Ersatzteilen. Das Tübinger Unternehmen hat sich auf den 3D-Druck von Automatisierungskomponenten spezialisiert, die im Maschinenbau eingesetzt werden. Hier geht es also um einsatzfähige Endprodukte, mitunter auch um komplette Baugruppen. Auf Wunsch werden diese Komponenten vom Dienstleister nicht nur gedruckt, sondern auch konzipiert. Kleinere Aufträge können Kunden eigenständig online abwickeln. Dazu können sie im Online-Bestellportal ihre 3D-Daten hochladen und den Druck beauftragen. Die typische Lieferzeit beträgt rund 6 Tage, kleinere Teile sind schon 3 Tage später beim Kunden. Dieser Service lockt auch immer mehr private Nutzer an. "Während Anfragen per E-Mail ausschließlich von B2B-Kunden eingehen, wickeln wir über unser Online-Bestellportal bereits 70 bis 80 Prozent des Geschäftes mit Privatkunden ab", sagt Matheis. Ein klares Indiz dafür, dass der 3D-Druck im E-Commerce angekommen ist. Jeden Monat werden mehrere tausend E-Commerce-Bestellungen verbucht. Gefragt sind Bauteile für Modellflugzeuge, individuelle Schachfiguren, Hilfsmittel für den Haushalt und vieles mehr. Standardprodukte braucht es nicht. Da keine Werkzeugkosten anfallen, kann flexibel produziert werden. Das ist typisch für den 3D-Druck.

Webshops mit begrenzter Auswahl

Einige Online-Shops bieten auch eine Auswahl fertiger Produkte an, zum Beispiel können Nutzer auf dem Marktplatz des Druckdienstleisters Protiq 3D-Manschettenknöpfe aus Edelstahl, individualisierbare Gürtelschnallen oder mobile (Corona)-Türöffner online erwerben. Käuferschutz inklusive. Bei Best-Form gibt es unter anderem Instrumentenhalterungen und Materialise bietet eine vergleichsweise große Auswahl an gedruckten Produkten, vom Kerzenhalter bis zum Puzzle-Spiel. Im Vergleich zu klassischen Online-Shops sind die 3D-Produkt-Paletten der Online-Anbieter trotzdem überschaubar. Vieles erinnert auf den ersten Blick an die Anfangstage des E-Commerce. Auch Amazon   ist mit nur einem kleinen Sortiment gestartet. Doch die Möglichkeiten dieser Portale sind schon heute viel weitreichender. So befindet sich in Nähe des Warenkorb-Buttons in der Regel ein Upload-Button für eigene 3D-Daten. Individualität steht auf 3D-Portalen im Vordergrund. Bei der Online-Umsetzung eigener Produkt-Kreationen stoßen Nutzer aber auch schnell an Grenzen.

"Noch sind Produkt-Konfiguratoren im Web auf bestimmte Materialien und Fertigungstechniken eingestellt. Aber das wird sich ändern" , sagt Matthias Heppke , Geschäftsführer des 3D-Druck-Dienstleisters Voxelwerk   . Nach seiner Einschätzung dürfte die Branche ihre Online-Services künftig deutlich ausbauen - mit mehr Materialien und neuen Techniken. Eine Entwicklung, die vielleicht sogar soweit gehen könnte, dass 3D-gedruckte Komponenten und klassisch gefertigte Komponenten kombiniert und individuell konfiguriert werden können - beispielsweise ein Stuhl mit klassisch gefertigtem Gestell, aber individuell gedruckter Sitzfläche. Vieles ist denkbar. Als sicher gilt, dass die Branche weiter im Aufwind sein wird. Der weltweite Umsatz im Additive Manufacturing lag 2018 bei rund 9 Milliarden US-Dollar. Für das Jahr 2023 rechnet EY mit einem Gesamtumsatz von 27,4 Milliarden US-Dollar.

Wichtige Druckverfahren im Überblick

3DP (3D-Printing)
Über einen Druckkopf wird flüssiges Bindemittel auf eine Pulverschicht aufgetragen. Das Bindemittel verklebt die Material-Partikel miteinander. Schicht für Schicht wird der Vorgang wiederholt. Pulver und Bindemittel können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Gips- und Kunststoffpulver sind weit verbreitet. Durch eingefärbte Bindemittel können auch mehrfarbige Bauteile gedruckt werden.

EDM (Electron Beam Melting)
Beim Elektronenstrahlschmelzen werden pulverförmige Metalle mit einem Elektronenstrahl unter Vakuum verschmolzen. Schicht für Schicht entstehen dabei feste metallische Produkte. Im Vergleich zum SLS-Verfahren können auch Metalle mit sehr hohem Schmelzpunkt (zum Beispiel Titan) verarbeitet werden.

FDM (Fused Deposition Modeling)
Die Schmelzschichtung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem ein Produkt aus geschmolzenen Materialen (Kunststoff oder Metall) schichtweise "gedruckt" wird. Der Druckkopf schmilzt das zugeführte Material und trägt es auf (die in der Regel beheizte) Grundplatte auf. Mitunter wird dieses Verfahren auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet.

SLS (Selective Laser Sintering)
Das Verfahren funktioniert ähnlich wie 3DP, allerdings werden die Schichten hier nicht mit einem flüssigen Klebstoff verbunden, sondern mithilfe eines Hochleistungs-Lasers verschmolzen beziehungsweise versintert. Als Ausgangsmaterial dienen verschiedene Kunststoffe, die in Pulverform verarbeitet werden.

SLM (Selective Laser Melting)
Selektives Laserschmelzen funktioniert ähnlich dem SLS-Verfahren. Doch anstelle von Kunststoffpulvern können hier Metallpulver genutzt werden. Dadurch lassen sich auch Werkzeugstahl und Edellegierungen herstellen. Das Verfahren ist auch unter der Bezeichnung "Direct Metal Laser Sintering" (DMLS) bekannt. Beispielsweise fertigt die Raumfahrtfirma SpaceX die Brennkammern seiner Dragon V2-Rakete mit 3D-Druckern im DMLS-Verfahren.