Geschichte des 3D-Drucks: Eine innovative Technologie mit Tradition

• Bereits 1945 kam der 3D-Druck in einer Sci-Fi-Kurzgeschichte vor; seit 1971 bietet er auch in der Realität eine zügigere und effizientere Alternative zu herkömmlichen Fertigungsverfahren.
• Mittelfristig ist mit weiterem Wachstum zu rechnen, das vor allem durch technische Fortschritte sowie die Entwicklung neuer 3D-druckbarer Werkstoffe, insbesondere neuer Metalllegierungen, angekurbelt wird.
• Daraus ergeben sich neue Anwendungsbereiche vor allem in der Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Medizinbranche sowie im Energiesektor und Autobau.

Welche Technologie basiert auf einem 80 Jahre alten Konzept, kommt seit 40 Jahren in der Praxis zum Einsatz und wirkt so taufrisch, als wäre sie gerade erst erfunden worden? Man glaubt es kaum: der 3D-Druck.

Richtig zu boomen begann die Nachfrage nach 3D-Druckern um 2010, als MakerBot und Ko. mit Modellen wie dem Cupcake und dem Thing-O-Matic den Appetit der Medien und Risikoanleger anregten. Branchenkenner wissen jedoch, dass das Verfahren als solches – die Herstellung von Objekten, denen ein digitales 3D-Modell zugrunde liegt, durch schichtweises Auftragen eines verflüssigten Werkstoffs auf ein Substrat – sehr viel älter ist.

Das erste Patent für ein Metalldruckverfahren wurde in den 1970er Jahren angemeldet. Doch bereits 1945 beschrieb ein Science-Fiction-Schriftsteller namens Murray Leinster eine Apparatur, die mit magnetronischem Kunststoff befüllt wird. Ihr beweglicher Arm „zeichnet in der Luft Konturen nach, die er mit Fotozellen gescannt hat. Aus dem zeichnenden Arm fließt Kunststoff heraus, der beim Ausfließen aushärtet.“ Wenige Jahrzehnte später war dieses fantastisch anmutende Fertigungsverfahren bereits Realität.

Innovation in Schichten: Zeitleiste zur Entstehungsgeschichte des 3D-Drucks

1971–1999: Entstehung des ersten 3D-Druckers

Der Tintenstrahldruck wurde in den 1960er Jahren von der Teletype Corporation erfunden. Es handelte sich um ein elektronisches Verfahren zum gezielten Abschuss von Tinte aus einer Düse. Die Vorgänger der heutigen Heimdrucker erreichten eine Druckgeschwindigkeit von bis zu 120 Zeichen pro Sekunde.

Später begann man bei Teletype mit Verfahren zu experimentieren, bei denen geschmolzenes Wachs anstelle von Tinte verarbeitet wurde. 1971 meldete Johannes F. Gottwald eine Erfindung zum Patent an, die er als „Liquid Metal Recorder“ bezeichnete – quasi den Prototyp des Rapid Prototyping. Sie beruhte auf der Idee, ein Objekt Schicht für Schicht aus flüssigem Metall herzustellen, wobei die Form durch die Bewegung des Druckkopfes vorgegeben wurde.

Materialextrusion

Die ersten Schritte in Richtung eines additiven Verfahrens zur Fertigung von Kunststoffteilen, der sogenannten Materialextrusion, waren damit getan. Bei allen Vorteilen in Bezug auf Geschwindigkeit und Kosteneffizienz ließen die verarbeiteten Thermoplasten indes nur einen begrenzten Anwendungsspielraum zu, der kaum über das Drucken von R2-D2-Figuren und ähnlichen Spielereien hinausging.

1980 beschrieb Dr. Hideo Kodama, der als Patentanwalt für ein öffentliches Forschungsinstitut in der japanischen Industriestadt Nagoya tätig war, zwei verschiedene Methoden zur Verwirklichung von Gottwalds Vision unter Verwendung eines lichtempfindlichen Harzes, das unter Einwirkung von UV-Licht polymerisiert wurde. Er veröffentlichte seine Ergebnisse in mehreren Forschungsbeiträgen und meldete im November 1981 selbst ein Patent an, scheiterte jedoch letztlich aufgrund des Mangels an kommerziellem Interesse.

Im Laufe der 1980er Jahre brachte eine ganze Reihe weiterer Patentanmeldungen die Entwicklung des 3D-Drucks voran: Der Rüstungs- und Elektronikkonzern Raytheon entwickelte 1982 ein Verfahren zum Auftragen von Metallpulver. Zwei Jahre später reichte der Unternehmer Bill Masters ein Patent für ein Verfahren ein, das er als „Computer Automated Manufacturing Process and System“ bezeichnete. In seiner Patentanmeldung sprach Masters erstmals von 3D-Druck. Ein ebenfalls 1984 in Frankreich angemeldetes Patent für ein additives Fertigungsverfahren mithilfe von Stereolithografie stieß ähnlich wie Dr. Kodamas Erfindung auf wenig Interesse seitens der Wirtschaft.

3D Systems Corporation bringt den SLA-1 auf den Markt

Als eigentlicher Erfinder des heutigen 3D-Drucks gilt der US-amerikanische Physiker Chuck Hull, der 1987 den weltweit ersten 3D-Drucker auf den Markt brachte. Zur schichtweisen Fertigung dreidimensionaler Objekte wurden räumliche Daten in digitaler Form an den Extruder geschickt; das Druckverfahren selbst beruhte auf Hulls Patent für die Aushärtung lichtempfindlicher Polymere durch UV-Strahlung, Hinzufügen von Partikeln, chemische Reaktionen oder Laserstrahlen.

Die von Hull gegründete 3D Systems Corporation brachte 1987 den SLA-1 als ersten SLA-Drucker auf den Markt. Damit ließen sich auch komplexe Werkstücke im schichtweisen Aufbau in einem Bruchteil der Zeit fertigen, die mit herkömmlichen Verfahren benötigt würde. Insgesamt meldete Hull über sechzig Patente im Zusammenhang mit der Stereolithografie an, hob damit quasi den Trend zum Rapid Prototyping aus der Taufe und entwickelte das bis heute verwendete STL-Dateiformat.

Diesen gewaltigen Fortschritten zum Trotz hatte die neue Technologie ihr volles Potenzial noch nicht ansatzweise erreicht, was nicht zuletzt daran lag, dass die Werkstoffkunde weit vom heutigen Stand entfernt war. So neigten die damals gängigen Polymere dazu, sich beim Aushärten zu verformen. Da die Kosten für einen 3D-Drucker im sechsstelligen Bereich lagen, lohnte sich die Anschaffung nur für industrielle Großbetriebe – der Vertrieb an private Endanwender lag noch in ferner Zukunft.

1999–2010: Der 3D-Druck entfaltet sein Potenzial

Die Zeit um die Jahrtausendwende war von der Angst vor dem sogenannten Millennium-Bug geprägt; nichtsdestotrotz setzte sich branchenübergreifend zunehmend das Bewusstsein für die Vorteile des 3D-Drucks durch.

Dieses wachsende Interesse ging einher mit entscheidenden Fortschritten auf dem Gebiet der Biotechnik. Forscher am Wake Forest Institute für Regenerative Medizin in Winston-Salem in North Carolina machten sich das Potenzial der additiven Fertigung zum Drucken der synthetischen Bausteine für eine künstliche Harnblase zunutze, die mit körpereigenen Zellen beschichtet wird, um zu verhindern, dass das Organ vom Immunsystem des Empfängers abgestoßen wird.

Das Beispiel machte Schule, und im Laufe des folgenden Jahrzehnts verwendeten Wissenschaftler, Verfahrenstechniker und Mediziner die neue Technologie zur Herstellung einer künstlichen Niere im Miniaturformat, hochkomplexer Beinprothesen und künstlich hergestellter Blutgefäße unter Verwendung von Zellmaterial menschlicher Spender.

Der selbstreplizierende 3D-Drucker von RepRap

In den 2000er Jahren gewann der Trend zur Open-Source-Entwicklung zunehmend an Dynamik, was auch der Entwicklung von für Privatverbraucher erschwinglichen 3D-Druckern zugute kam. Zu den Protagonisten dieser Bewegung zählte der britische Maschinenbauexperte Adrian Bowyer, der 2005 an der Universität Bath im Rahmen des RepRap-Projekts eine Open-Source-Initiative zum Bau eines (weitgehend) selbstreplizierenden 3D-Druckers startete.

Diese Ambition wurde mit dem 1.0 Darwin in die Tat umgesetzt: Zum Preis von ca. 400 Euro standen plötzlich jedem Hobbytüftler die Mittel zur Verfügung, nach Herzenslust eigene Objekte zu entwerfen und zu drucken. Die Gründung der Crowdfunding-Plattform Kickstarter im Jahr 2009 eröffnete neue Möglichkeiten zur Finanzierung der unterschiedlichsten Projekte und trug ebenfalls zur rapiden Demokratisierung der Fertigung bei.

MakerBot erobert den Markt

2006 bot das israelische Unternehmen Objet (seit 2011 mit Stratasys fusioniert) erstmals eine marktgängige Lösung für einen 3D-Desktopdrucker an. Damit hatten Privatanwender die Möglichkeit, eigene Entwürfe unter Verwendung verschiedener Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften auszudrucken.

Die Entstehung unzähliger virtueller Marktplätze und Foren für den Austausch und Erwerb entsprechender Entwürfe kurbelte das allgemeine Interesse an der neuen Technologie weiter an. Die Open-Source-Kits von MakerBot machten den Mitgründer Bre Pettis zum Medienliebling und verliehen dem 3D-Druck ein ähnliches Prestige, wie es einst Social Media, dem E-Commerce oder auch dem Internet als solchem zuteilwurde.

2011–heute: Die Glanzzeit des 3D-Drucks

Inzwischen hat die additive Fertigung ihre technische Reife erreicht. Nachdem sich der Hype um MakerBot gelegt hatte, waren die 2010er Jahre von wachsendem Interesse seitens der Verbraucher einerseits und der Entwicklung zunehmend robuster industrieller Plattformen andererseits gezeichnet. Manchen Prognosen zufolge ist davon auszugehen, dass die additive Fertigung herkömmliche CNC- und Fräsverfahren mittelfristig obsolet machen wird. Laut einer Schätzung des Marktforschungsinstituts Lux Research soll der weltweite Marktwert des 3D-Drucks bis 2030 auf 43,5 Milliarden Euro ansteigen.

Eine Technologie, die anfangs vor allem zur Herstellung von Schreibtischspielzeug geeignet schien, kommt heute in der Lebensmittelerzeugung oder zur Beschleunigung von Extrudierverfahren unter Verwendung mehrerer Werkstoffe zum Einsatz.

Das Spektrum der verarbeiteten Werkstoffe reicht dabei von menschlichem Gewebe und Zellmaterial für maßgefertigte Organe bis hin zu Edelmetallen.

Der Vielfalt der Anwendungsszenarien sind ebenfalls (fast) keine Grenzen mehr gesetzt. Wissenschaftler an der Universität Southampton haben den weltweit ersten 3D-gedruckten unbemannten Flugkörper in die Luft geschickt; ein 3D-gedrucktes Auto mit einem hybriden Benzin-/Elektromotor verbraucht 1,2 Liter Benzin auf 100 km; ein Start-up, das sich auf die Planung umweltfreundlicher Behausungen spezialisiert hat, will den Mars mit von Robotern gebauten Unterkünften wohnlicher gestalten.

In irdischen Gefilden kommt der 3D-Druck beim Bau von Notunterkünften in Katastrophengebieten und erschwinglichen Wohnungen in Schwellenländern oder auch bei der Fertigung sensorischer Prothesen zum Einsatz.

Bestimmte Formen der additiven Fertigung, insbesondere das selektive Laserschmelzen zur Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffe in Pulverform, bleiben jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten und technischen Anforderungen nach wie vor weitgehend der Schwerindustrie vorbehalten.

Branchenübergreifende Akzeptanz

Ansonsten ist die additive Fertigung längst in zahlreichen Branchen verbreitet. Den meisten Menschen ist vermutlich gar nicht unbedingt bewusst, wie viele Alltagsgegenstände 3D-gedruckte Komponenten enthalten.

3D-Druck im Bauwesen

Die Bauwirtschaft verursacht nicht nur fast 40 Prozent der weltweiten Treibhausgas-Emissionen, sondern ist auch berüchtigt für das Festhalten an verschwenderischen und gefährlichen Arbeitsweisen. Der 3D-Druck bietet umweltfreundlichere Alternativen für die Herstellung sowohl von zementbasierten Produkten als auch Metallbewehrungen. Angesichts der Klimakrise besteht hier dringender Handlungsbedarf.

Zeitersparnis ist ein weiterer Faktor, der für den Umstieg auf additive Fertigung spricht. 2016 baute ein chinesisches Unternehmen mithilfe von 3D-Druck ein zweistöckiges Haus innerhalb von 45 Tagen. Im selben Jahr brauchte die Firma Apis Cor aus Boston nur 24 Stunden zur Errichtung eines Gebäudes mit einer Grundfläche von 37 Quadratmetern. Auch in Katastrophengebieten, Bergbaustollen und anderen schwierigen Geländen ermöglichen additive Fertigungstechniken eine zügige, kostengünstige und sichere Abwicklung von Bauprojekten. Neue Studien befassen sich mit umwelt- und klimaschonenden Möglichkeiten zur Verarbeitung lokaler Werkstoffe.

3D-Druck in der Architektur

Der größte Vorteil des Einsatzes von 3D-Druck in der Architektur liegt eigentlich auf der Hand: Detaillierte Baupläne liegen bereits in digitaler Form vor; auf Knopfdruck entsteht daraus wie von Zauberhand ein Modell, das nicht nur optisch viel hermacht, sondern Bauherren oder Anlegern die Vision der Architekten plastisch vor Augen führt. Änderungen können gegebenenfalls einfach in den Zeichnungen umgesetzt und als neues Modell ausgedruckt werden.

3D-Druck in Produktdesign und Fertigung

Die Fertigung von Prototypen an der Produktionsstätte kann mit zusätzlichem Zeitaufwand in der Entwurfs- und Prüfungsphase der Produktentwicklung verbunden sein.

Ein 3D-Drucker im Büro oder in der Garage schafft hier Abhilfe und kann schnell und kostengünstig beliebig viele Prototypen ausspucken, sodass Änderungen am Produktdesign jederzeit möglich sind.

Die eigentliche Fertigung ist mit 3D-Druck ebenfalls an so gut wie jedem Standort möglich, einschließlich in strukturschwachen Regionen, und ist somit nicht mehr an traditionelle Industriegebiete gebunden.

Zahlreiche Arbeitsabläufe in der Fertigung lassen sich relativ problemlos auf additive Verfahren umstellen. Je weiter sich die Produktentwicklungszyklen durch innovative Techniken wie Generatives Design und die schnellere Bearbeitung und Wiederverwertung von Designdateien verkürzen, desto zügiger muss auch die Prototypenentwicklung und Produktion gehen – sozusagen mit digitaler Geschwindigkeit.

Auch für Privathaushalte eröffnet der 3D-Druck völlig neue Möglichkeiten beispielsweise zur Reparatur von Altgeräten, die vom Hersteller nicht mehr angeboten werden. Sofern die Designdatei für das benötigte Ersatzteil auf der Website des Herstellers bereitsteht, braucht man es nur auszudrucken und sich mithilfe von YouTube in die Montage einzuarbeiten.

Wie sieht die Zukunft des 3D-Drucks aus?

Statista prognostiziert bis einschließlich 2023 ein jährliches Wachstum des globalen Markts für additive Fertigung um 17 Prozent bedingt durch die Erweiterung des Anwendungsspektrum und insbesondere die zunehmende Wirtschaftlichkeit des Metalldrucks. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass die Nachfrage nach einschlägigen Produkten und Dienstleistungen sich im Zeitraum von 2020 bis 2026 beinahe verdreifachen wird.

Starkes Wachstum in der Luft- und Raumfahrt-, Elektronik- und Medizinbranche

Branchen wie Fertigung, Architektur und Produktdesign profitieren bereits von vielen Vorteilen der additiven Fertigung. Mittelfristig ist vor allem in der Elektronik-, Luft- und Raumfahrt- und Medizinbranche mit starkem Wachstum zu rechnen. Todd Spurgeon, der bei America Makes als Projektingenieur für den Bereich additive Fertigung zuständig ist, sieht neue Anwendungsbereiche etwa in der Maßanfertigung von Kühlkörpern für hochwertige Elektrogeräte oder der allgemeinen Verfügbarkeit 3D-gedruckter Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, die bislang nur in militärischen Anwendungsszenarien eingesetzt werden. In der Medizinbranche werde sich die patientenspezifische Maßanfertigung zunehmend als Norm durchsetzen, ist er überzeugt.

„Die Zeiten teurer Allzweckprothesen sind möglicherweise demnächst vorbei“, hofft Spurgeon. „In naher Zukunft werden maßgefertigte Prothesen auch für amerikanische Normalverbraucher erschwinglich werden – und zwar sogar für Kinder und Jugendliche, die sich noch im Wachstum befinden.“

Neue Anwendungen und neue 3D-druckbare Werkstoffe

Die nächsten Kapitel in der Entwicklungsgeschichte der additiven Fertigung werden bereits geschrieben. Spurgeon weist hier auf neue Vorstöße in Richtung Direct Ink Writing und kaltplastische Extrusion zum Drucken mit Glas und Keramik hin. Derzeit werde auch mit Werkstoffgemischen aus lichtaushärtenden Polymeren und Duroplasten zur kostengünstigen Fertigung von Schaltplatten oder Wärmetauschern experimentiert.

„Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet könnten dazu führen, dass additive Fertigung vermehrt für komplexe Anwendungen etwa in der Luft- und Raumfahrtbranche oder im Autobau eingesetzt wird“, meint Spurgeon. Einen weiteren Anwendungsbereich sieht er etwa in der Meerwasserentsalzung. Weitere Möglichkeiten erschließen sich, wenn die unterschiedlichen Anwendungsbereiche nicht getrennt voneinander, sondern ganzheitlich betrachtet werden. Denkbar wäre etwa der Einbau von Schaltplatten in Prothesen oder auch neue Formfaktoren für Akkus.

Gleichzeitig wird auch die Liste der 3D-druckbaren Werkstoffe immer länger. Als besonders vielversprechendes Beispiel nennt Spurgeon hitzebeständige Superlegierungen, die weitere Innovationen im Energiesektor, der Luft- und Raumfahrtbranche und der Rüstung ermöglichen können. Ebenfalls in der Entwicklung befinden sich strapazierfähigere Polymere, die den Anforderungen der Federal Aviation Administration in Bezug auf Feuerfestigkeit, Rauchbeständigkeit und Toxizität entsprechen. Spurgeon verspricht sich davon eine Senkung der Erhaltungskosten für die betroffenen Branchen.

Angesichts derart strahlender Zukunftsaussichten für die additive Fertigung mit beispielsweise Autodesk Fusion ist es gut zu wissen, dass mittlerweile auch Sonnenbrillen aus dem 3D-Drucker erhältlich sind.

Bei diesem Beitrag handelt es sich um die aktualisierte Fassung eines erstmals im September 2014 veröffentlichten Artikels. Die Überarbeitung entstand unter Mitwirkung von Dana Goldberg.