1945 war der 3D-Druck noch reine Science-Fiction; in den 1980er-Jahren kam er bereits in der industriellen Fertigung zum Einsatz. Mit der Markteinführung kostengünstige Desktop-3D-Drucker in den 2010er-Jahren etablierte sich die Maker-Bewegung als Subkultur technologieaffiner Heimwerkenden und Hobbytüftlenden. Schade nur, dass die Ergebnisse oft so enttäuschend ausfielen.
Dass additive Fertigung bzw. 3D-Druck eine großartige Idee ist, steht außer Frage. In der Schwerindustrie setzt sie sich insbesondere zur Herstellung von Prototypen und Werkzeugen zunehmend durch. In anderen Wirtschaftszweigen ist ihr Potenzial noch weitgehend ungenutzt – ganz zu schweigen vom 3D-Druck für Privatanwendende, der trotz des anfänglichen Hypes nie die transformative Kraft anderer digitaler Innovationen wie Social Media, E-Commerce oder Cloud-Computing entfalten konnte. Woran das liegt? Nicht zuletzt wohl an einigen hartnäckigen Problemen, mit denen sich Anwendende der Technologie bis heute herumschlagen. Hier sollen Lösungen für häufig auftretende Fehler insbesondere bei der Schmelzschichtung aufgezeigt werden – dem gängigsten 3D-Druckverfahren für den Hausgebrauch, das sich im Vergleich etwa zur Stereolithographie vorwiegend zur Verarbeitung robuster Werkstoffe eignet. Außerdem geht es um zukünftige Anwendungsszenarien für den industriellen 3D-Druck insbesondere in der Fertigung und Bauwirtschaft.
3D-Drucker für Privatanwendende bestehen im Wesentlichen aus einer großen beweglichen Komponente. In deren Innern bewegen sich wiederum zahlreiche Einzelteile, damit aus einem digitalen Entwurf ein physisches Objekt wird. Und die funktionieren manchmal nicht so, wie sie sollen. Schuld daran sind immer wieder die gleichen Ursachen, die sich jedoch mit ein paar Tricks beheben lassen.
Wenn der Extruder (quasi der Druckkopf eines 3D-Druckers) plötzlich angehalten wird oder abrupt die Druckrichtung ändern muss, unterliegt er – wie jede Masse, die aus dem Bewegungs- in den Ruhezustand gebracht wird – der Trägheit. Dadurch kann es zu unerwünschten Wellenmustern an den Außenflächen kommen, die durch die Vibration des Druckkopfs entstehen. Dieses Problem wird auch als „Ringing“ bezeichnet.
Wer eine scharfe Kurve mit 100 km/h nimmt, gerät leichter ins Schlingern, als wenn er nur 25 km/h fährt. Das gleiche Prinzip gilt für den Extruder Ihres 3D-Druckers – und das Problem lässt sich auch auf die gleiche Weise beheben: runter vom Gaspedal. Bei 3D-Druckern für Privathaushalte lässt sich die Druckgeschwindigkeit zumeist über ein Bedienfeld am Gerät selbst oder ein Menü in der App auf dem Smartphone oder Computer einstellen. Beim Aufbringen des Werkstoffs sollte eine langsamere Geschwindigkeit gewählt werden als bei Leerfahrten.
Tritt der Fehler auch bei niedrigen Druckgeschwindigkeiten weiter auf, hat Ihr Drucker vielleicht einfach nur eine Schraube locker. Und zwar im wahrsten Sinne des Wortes: Schon geringfügige Vibrationen, die durch eine lose Hülse oder einen winzigen Materialriss in einer Schiene verursacht werden, können unschöne Verwerfungen verursachen. Mechanische Fehler lassen sich am besten erkennen und beheben, indem Sie Ihrem Drucker bei der Arbeit über die Schulter schauen.
Die Massenträgheit wirkt nicht nur auf den Extruder, sondern auch auf die Druckschichten ein. Wenn die erste Schicht nicht richtig am Druckbett haftet, verziehen sich alle weiteren Schichten beim Aufbringen, sodass das Endergebnis kaum noch Ähnlichkeit mit Ihrem digitalen Entwurf aufweist.
Bei verbrauchergerechten 3D-Druckern der höheren Preisklassen lässt sich das Druckbett oft mithilfe von Schrauben oder Drehköpfen verstellen. Wenn es nicht hundertprozentig waagerecht ist, ist der Abstand zwischen Extruder und Druckbett an bestimmten Stellen größer als an anderen; entsprechend kann es beim Aufbringen des Filaments zu Verwerfungen kommen.
Der Abstand zwischen Extruderdüse und Druckbett (bzw. der zuletzt aufgebrachten Schicht) lässt sich in den meisten Fällen ebenfalls verstellen. Für die synthetischen Polymere, die beim 3D-Druck für Privatanwendende am häufigsten zum Einsatz kommen, stellt man die Düse am besten so ein, dass das Filament quasi direkt auf die Platte gepresst wird, damit es gut haftet. Die optimale Einstellung für den Abstand hängt von der Geometrie des Druckobjekts und dem verwendeten Druckwerkstoff ab. Bedenken Sie jedoch, dass die einzelnen Schichten nur ca. 0,2 mm dick sind – beim Verstellen des Abstands ist also Feingefühl geboten!
Wenn beim Aufbringen der ersten Schicht geschlampt wird, haftet sie nicht am Druckbett und alle weiteren Schichten verziehen sich entsprechend. Daher ist es sinnvoll, für die erste Schicht eine langsamere Druckgeschwindigkeit einzustellen und dem Werkstoff reichlich Zeit zum Abkühlen und Anhaften zu geben, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird.
Auch hier kommt wieder ein physikalisches Gesetz zum Tragen: Kunststoff zieht sich beim Abkühlen zusammen. Dadurch kann es passieren, dass die erste Schicht nicht mehr stark genug am Druckbett anhaftet. Wenn die erste Schicht zu schnell oder zu langsam abkühlt, können Sie die Abkühlgeschwindigkeit durch Anpassen der Druckbetttemperatur regeln und Sie in den Geräteeinstellungen bzw. der Firmware verstellen. Die richtige Einstellung hängt auch hier vom Druckwerkstoff und der Geometrie des gewünschten Objekts ab.
Ihr 3D-gedruckter Ferrari, Darth-Vader-Kopf oder sonstiger Schreibtischschmuck sieht aus, als wäre er von lauter Spinnweben überzogen? Das nennt man „Stringing“, und bei den Spinnweben handelt es sich um hauchdünne Kunststofffäden, die aus dem Extruder ausgetreten sind, als er eigentlich auf Leerfahrt laufen sollte.
Wenn an einer Stelle keine Druckschicht aufgebracht werden soll, wird die Düse eingezogen, damit kein Kunststoff austritt. Je nach Einstellung des Geräts bzw. der Firmware sowie der Komplexität des Druckmodells kann es jedoch passieren, dass die Düse nicht schnell genug oder nicht weit genug eingezogen wird und deshalb Fäden zieht, die sich verfestigen und an den gedruckten Teilen kleben bleiben. Ggf. muss man dann die Einstellungen entsprechend ändern, um das Problem zu beheben.
Wenn die Temperatur des Heizelements zu hoch eingestellt ist, tropfen auch aus korrekt eingezogenen Düsen kleine Mengen des geschmolzenen Werkstoffs und werden vom Extruder auf das Modell aufgebracht.
Je länger die Leerfahrten des Extruders, desto mehr Druckmaterial kann schmelzen und aus der Düse auslaufen. Wenn auch die Reduzierung der Temperatur keine Abhilfe schafft, sollten Sie versuchen, die Leerfahrten durch entsprechende Programmierung der Software möglichst kurz zu halten bzw. eine höhere Druckgeschwindigkeit einzustellen.
Wie sähe eine Welt aus, in der sich Bauteile mithilfe additiver Fertigungstechniken jederzeit sofort am Einsatzort herstellen ließen? Vor allem im Baugewerbe und in der Fertigung könnte der verstärkte Einsatz von 3D-Druck einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung der Materialverschwendung leisten. Denn im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen so lange überschüssiges Material entfernt wird, bis die gewünschte Geometrie erreicht ist, wird beim 3D-Druck wirklich nur das jeweils benötigte Material verarbeitet – nicht mehr und nicht weniger.
Aktuell kommt der Bauwirtschaft der zweifelhafte Ruhm zu, zu den Branchen mit den weltweit schlechtesten Umweltbilanzen und der höchsten Materialverschwendung zu zählen. Expertenschätzungen zufolge ist davon auszugehen, dass ihr globales Abfallvolumen bis 2025 auf 2,2 Milliarden Tonnen ansteigt.
Hinzu kommt der hohe Bedarf an fossilen Energieträgern für die Beschaffung, Verarbeitung und Beförderung von Baumaterialien. Durch den Einsatz eines 3D-Druckers direkt auf der Baustelle entfiele die Notwendigkeit, Beton oder Bauholz hin und her zu transportieren bzw. Abfälle abzutransportieren sowie das überschüssige Material, das bei subtraktiven Fertigungsverfahren anfällt, sicher zu entsorgen oder zu verwerten.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Fertigungsmethoden liegt darin, dass Bauprojekte nur in Gegenden mit entsprechender Infrastruktur möglich sind. Der Einsatz additiver Technologien hebt diese Beschränkung auf und eröffnet neue Möglichkeiten, Baumaterialien in entlegenen Gebieten ohne gutes Straßennetz – oder sogar auf anderen Planeten – direkt vor Ort zu beschaffen und zu verarbeiten.
Der 3D-Druck wird die industrielle Fertigung nicht über Nacht revolutionieren. In der Vorfertigung setzt er sich jedoch zunehmend als Alternative durch, die im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren Zeit und Kosten spart und mehr Innovationspotenzial bietet.
In der Vergangenheit war zur Herstellung von Prototypen für Werkzeuge, Geräte oder Teile praktisch die gleiche Infrastruktur erforderlich wie für die Serienfertigung: eine Fabrikanlage voller teurer und wuchtiger Drehmaschinen und Fräsen.
Mit einem 3D-Drucker können Prototypen stattdessen im iterativen Verfahren im Makerstudio, Hobbykeller oder notfalls auch am Wohnzimmertisch entwickelt und optimiert werden. Damit wird die Branche demokratisiert und dezentralisiert: Ähnlich wie die großen HighTech-Konzerne von heute werden die führenden Fertigungsunternehmen von morgen in Garagen und Studierendenwohnheimen entstehen.
Das ist keineswegs reine Zukunftsmusik, sondern teilweise bereits Realität: Der 3D-Druck hat der nächsten Generation der Unternehmer die Chance eröffnet, neue Methoden auszuprobieren, die den Anforderungen einer zukunftsfähigen Produkt- und Prototypenentwicklung weitaus besser gewachsen sind als die altbewährten Verfahren.
Allen erfolgreichen Vorstößen zum Trotz ist die derzeitige Realität noch weit entfernt von den beschriebenen Perspektiven einer Maker-Utopie, die mithilfe des 3D-Drucks den Planeten vor den Verheerungen der Klimakrise und der Ressourcenverschwendung rettet. Der endgültigen Marktdurchsetzung der Technologie stehen – sowohl im Privatverbrauchenden- als auch im Industriebereich – nach wie vor massive Hürden entgegen. Insbesondere drei Faktoren schränken die Verwendung des 3D-Drucks bislang ein.
Gar keine Frage: Schreibtischspielzeuge und Briefbeschwerer aus Kunststoff sind ziemlich cool. Leider bleibt die Nachfrage jedoch auf einen Nischenmarkt beschränkt. Und längst nicht alle Werkstoffe, die in der herkömmlichen Fertigung verarbeitet werden, lassen sich schmelzen und durch einen Desktop-Extruder quetschen.
Ob Auto, Laptop oder Fernseher – bei der Massenproduktion von Konsumgütern kommen etablierte Abläufe zum Einsatz, die dafür sorgen, dass sich die Fertigungskosten auf zahllose Einzelteile verteilen. Selbst wenn der 3D-Druck eine kostengünstigere Alternative böte (was momentan nicht der Fall ist), wäre zur Verarbeitung jedes einzelnen Werkstoffs eine eigene additive Technologie erforderlich. Einmal angenommen, man wollte ein Auto zu bauen, das Teile aus Metall, Gummi, Kunststoff und Glas enthält. Vorausgesetzt, es gäbe überhaupt 3D-Drucker, die diese Werkstoffe verarbeiten können (was momentan ebenfalls nicht der Fall ist), bräuchte man zum Drucken jedes Bauteils ein anderes Gerät.
Natürlich gibt es eine ganze Klasse von 3D-Druckern unterhalb der magischen Grenze von 1.000 Euro. Diese taugen jedoch tatsächlich nur zur Herstellung von Schreibtischspielzeugen. Für Geräte, die den Anforderungen der industriellen Serienfertigung gewachsen sind, muss man schon sehr viel tiefer in die Tasche greifen, als es sich die Mehrzahl der ambitionierten Hobbytüftler und Maker leisten kann.
Teilweise liegen die Kosten für die Inanspruchnahme eines 3D-Druckservice weit über dem Anschaffungspreis eines 3D-Druckers. Schuld daran sind die hohen Werkstoffkosten. Zwar ist davon auszugehen, dass mit der zunehmenden Popularisierung des 3D-Drucks auch die Werkstoffe billiger werden. Allerdings gilt auch hier, dass etablierte Industriebetriebe bei der Verarbeitung von Schwermaterialien mit herkömmlichen Fräs- und Drehverfahren von den Skaleneffekten bewährter Beschaffungs- und Produktionspipelines profitieren. Dadurch lassen sich die Stückkosten um einiges niedriger halten, als es momentan mit additiven Fertigungsmethoden möglich ist.
Industriebetriebe kaufen Rohstoffe in so riesigen Mengen ein, dass der Einkaufspreis pro gefertigtes Teil kaum zu Buche schlägt. Im Vergleich dazu liegt der Kilopreis für die gängigsten polymerbasierten 3D-Druckmaterialien, PLA- und ABS-Filament, im zwei- bis dreistelligen Bereich und für Hochleistungsfilamente zur industriellen Verarbeitung bei knapp 1.000 Euro.
Noch höher sind die Materialkosten für die lichtempfindlichen Polymere, die beim SLA-Verfahren verarbeitet werden. Um hier von Mengenrabatten profitieren zu können, müsste man das Druckmaterial in so großen Volumen einkaufen, dass die Investitionskosten für herkömmliche Fertigungsverfahren dagegen als Kinkerlitzchen erscheinen.
Die Thematik des mangelnden Fachwissens in diesem Bereich kann man unter verschiedenen Aspekten betrachten. Ganz so unkompliziert, wie es die frühen Verfechtenden des 3D-Drucks hinstellten, ist die Arbeit mit der Technologie nämlich längst nicht mehr. Wer hier erfolgreich mitmischen will, muss sich nicht nur mit einer schier unüberschaubaren Vielzahl konkurrierender proprietärer Formate und Standards für Dateien, Geräte und Betriebssysteme auskennen, sondern auch gewisse Fachkenntnisse im Umgang mit CAD-Software, anderen 3D-Designsystemen und der beteiligten Hardware mitbringen.
Wer sich jedoch nur auf die Technologie fokussiert, zäumt das Pferd womöglich von hinten auf. Das eigentlich Spannende am 3D-Druck sind doch die unendlichen Gestaltungsmöglichkeiten, die mit der Herstellung von Plastik-Krimskrams, Bauteilen und Prototypen noch lange nicht ausgeschöpft sind. Welche Perspektiven eröffnet der 3D-Druck? Wo liegen die Grenzen seiner Möglichkeiten? Wie lässt sich das Zusammenwirken von Systemen, Arbeitsabläufen und Werkstoffen optimieren? Welchen positiven Beitrag kann der 3D-Druck für mehr Nachhaltigkeit leisten?
Letztlich geht es nicht darum, ob ein einzelnes Druckteil einem mit herkömmlichen Verfahren gefertigten Objekt überlegen ist. Möglicherweise bietet die Verbindung mit anderen additiv gefertigten Teilen oder Prototypen Wertschöpfungspotenzial. Vielleicht lassen sich sogar im gesamten Fertigungssystem zahlreiche herkömmliche Verfahren und Komponenten durch additive Methoden ersetzen, sodass sich im Endeffekt doch Skalenvorteile ergeben. In der Fähigkeit, diese Chancen zu erkennen und nutzbar zu machen, liegt die wahre Kompetenz eines 3D-Druck-Visionärs.
Die realen Vorteile und Potenziale des 3D-Drucks drohen in dem ganzen Hype um die Technologie aus dem Blickfeld zu geraten.
Schätzungen von Statista zufolge ist davon auszugehen, dass sich das globale Marktvolumen einschlägiger Produkte und Dienstleistungen im Zeitraum zwischen 2020 und 2026 fast verdreifachen wird. 2019 bezifferte die Online-Plattform den weltweiten Umsatz mit 3D-Druck auf 3,1 Milliarden US-Dollar. Für den Zeitraum bis 2027 prognostiziert das Marktforschungsunternehmen Market Research Future ein jährliches Wachstum von durchschnittlich 14,6 %.
Ähnlich veröffentlichte das Middle East North Africa Financial Network (MENAFN) eine Wachstumsprognose, der zufolge das Volumen des Markts für 3D-Druck-Filament bis 2025 um jährlich 23,7 % zulegen wird.
Während der Verbrauchendensektor durch ein Wechselbad der Gefühle – von überschwänglicher Begeisterung über Desillusionierung bis hin zu abgrundtiefem Desinteresse – ging, haben kleine und große Fertigungsbetriebe inzwischen das enorme Innovationspotenzial des 3D-Drucks erkannt und sind auf dem besten Wege, den jahrzehntealten Traum von der additiven Fertigungsutopie zu verwirklichen. Darauf lassen jedenfalls vielversprechende Entwicklungen in unterschiedlichen Bereichen hoffen:
Heute gibt es bereits 3D-Drucker, die Fertigteile aus mehreren Werkstoffen in einem einzigen Schritt drucken können.
So ist es beispielsweise möglich, mit einem einzigen Extruder Wandteile zu fertigen, in denen Stromkabel oder Lüftungsgitter bereits eingebaut sind – oder auch Riemengetriebe aus Gummi und Metall.
Schon seit Jahren knüpfen sich große Hoffnungen an die Möglichkeiten, die der 3D-Druck zur Herstellung synthetischer Organtransplantate verspricht. Ganz so weit ist die Technik leider noch nicht, doch auch in diesem Bereich gibt es interessante Entwicklungen und Fortschritte aus teilweise unerwarteten Ecken zu vermelden:
KFC ist nicht unbedingt als High-Tech-Pionier bekannt. Umso überraschender kam im Juli 2020 die Ankündigung einer Zusammenarbeit zwischen der Fast-Food-Kette und einem auf Bio-Printing spezialisierten russischen Unternehmen. Ziel des gemeinsamen Projekts war der 3D-Druck von Chicken Nuggets aus einer im Labor entwickelten Fleischalternative aus Hühner- und Pflanzenzellen.
Wissenschaftler erforschen Möglichkeiten zur Herstellung von 3D-Druckmaterial aufZellulosebasis als umweltfreundlichere Alternative zu den gängigen petroleumbasierten Kunststoffen.
Forscher in Hongkong haben ein antivirales 3D-Druckmaterial entwickelt, das den Erfindern zufolge Coronaviren (einschließlich sämtlichen Mutanten des Covid-19-Virus) und andere Krankheitserreger innerhalb von höchstens 20 Minuten abtötet. Das Material ist primär für den Einsatz in öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen vorgesehen, u. a. zur Herstellung von Schutzabdeckungen für Türgriffe.
Fehlstarts sind im Technologiesektor keine Seltenheit. Womöglich liegt das spezielle Problem in diesem Fall darin, dass der 3D-Druck Marktakzeptanz erreichte, bevor er technisch voll ausgereift war. Entsprechend sahen viele Enthusiasten der ersten Stunde ihre überzogenen Hoffnungen enttäuscht und schrieben die Technologie als Eintagsfliege ab. Zugegeben: Die 3D-Drucker der ersten Generation(en) hielten letztlich nicht, was ihre Marktschreier versprachen. Inzwischen hat sich der Stand der Technik jedoch weiterentwickelt und eröffnet spannende Perspektiven in ganz unterschiedlichen Bereichen. Wer das nicht glaubt, braucht sich nur in den Fertigungsbetrieben und Makerspaces umzuschauen, in denen die Innovationskraft dieser Technologie tagtäglich auf den Prüfstein gestellt wird.
Die englische Originalfassung dieses Beitrags erschien ursprünglich im März 2015 und wurde zur Neuveröffentlichung überarbeitet.
Als er jünger war, wollte er die Welt verändern. Später stellte Drew Turney fest, dass es einfacher ist, darüber zu berichten, wie andere Menschen dies tun. Er schreibt über Technologie, Kino, Wissenschaft, Bücher und mehr.
Zukunftsweisende Technologien
Produktentwicklung und Fertigung
Credit: Batch.Works.
Zukunftsweisende Technologien
Credit: Revo Foods.
