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Trends in der IT

3D-Druck

 

Im Juni 2011 setzten Wissenschaftler einer Patientin eine Unterkieferprothese
aus Titan ein. Das Besondere dabei war, dass diese aus einem 3D-Drucker
stammte. Die Operation sorgte weltweit für Aufsehen und gibt neue Hoffnung
für zukünftige Entwicklungen des 3D-Drucks. Architektur und Industrie sind
weitere von dieser Technik profitierende Fachgebiete.
Dieser Beitrag zielt darauf ab, die Grundlagen des 3D-Drucks darzustellen,
Anwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen und Potenziale wie auch Risiken zu
diskutieren.

 

Einleitung

Nicht nur die IT Branche entwickelt sich rasend schnell. Auch die Produktionsindustrie
schreitet immer schneller voran, stets auf der Suche nach neuen und innovativen Tech-
nologien. Dabei spielt die IT mittlerweile eine sehr wichtige Rolle, da Computer immer
mehr Prozesse im Unternehmen nicht nur unterstützen, sondern vollständig kontrollie-
ren. Eine Technologie, die zwar noch relativ unbekannt und wenig verbreitet ist, ist der
3D-Druck. Diese Technik wird erst durch die hohe Leistungsfähigkeit der Computer er-
möglicht. Beliebige Objekte, die zuvor in einem 3D-Programm kreiert wurden, können
mit 3D-Druckern in einem Produktionsschritt hergestellt werden. Dies hat den Vorteil,
dass im Gegensatz zu den bisherigen Fertigungsmaschinen wie z. B. CNC-Fräsen die Um-
rüstzeiten für verschiedene Werkzeuge entfallen und statt vieler Einzelteile nur noch ein
Werkstück erzeugt wird. Leider sind 3D-Drucker aktuell noch sehr langsam. So dauert es
mehrere Stunden, um ein wenige cm3 großes Objekt zu drucken.
Ziel des folgenden Artikels ist es, einen Überblick über 3D-Druck zu geben. Die
Funktionsweise dieser Technologie wird erklärt und die Unterschiede zu den herkömm-
lichen Druckverfahren werden erläutert. Anschließend werden einige Anwendungen im
technischen und medizinischen Bereich vorgestellt und an Beispielen aus der Praxis ver-
anschaulicht. Des Weiteren werden kurz die Auswirkungen und deren Risiken aufgezeigt.
Der Artikel schließt mit einem kurzen Fazit.

 

3D-Druck

Drucker sind, neben den herkömmlichen Ausgabegeräten wie z. B. Bildschirm, Beamer –
eine der Möglichkeiten, Daten, die sich auf einem Rechner befinden, außerhalb davon
nutzbar zu machen. Bisher beschränkte sich dies meist auf Texte, Bilder und andere zwei-
dimensionale Ausdrucke.
Durch die Möglichkeit, schnell und kostengünstig Prototypen zu erstellen, wurde die
Entwicklung von Produkten revolutioniert. Auch Kleinserien, wie sie beispielsweise bei
Ersatzteilen benötigt werden, sind nun relativ leicht umsetzbar. Jeder, der den Umgang
mit 3D-Programmen beherrscht, wird in der Lage sein, eigene Produkte anfertigen zu
lassen. Auf 3D-Druck spezialisierte Firmen vermieten ihre Produktionskapazitäten, wäh-
rend der Kunde die Konstruktionspläne liefert. Für beide Seiten, sowohl Kunde als auch
Vertriebsunternehmen, bedeutet dies Kosten- und Zeitersparnis. Dank der fortschreiten-
den Entwicklung der 3D-Drucker wird der schnelle, kostengünstige Ausdruck von Daten
auch immer mehr für dreidimensionale Objekte möglich. Der große Vorteil eines Druckers
gegenüber einer spezialisierten Maschine ist, dass ein Drucker, ohne Umbau oder Einsatz
einer besonderen Gussform, beliebige Formen kreieren kann. Die Hauptanwendungsge-
biete sind deswegen auch das Rapid Prototyping sowie die Fertigung von Produkten mit
nur sehr geringer Stückzahl.

 

 

Abbildung 1: Motorachse (4D Concepts, 2012)

Abbildung 1: Motorachse (4D Concepts, 2012)

 

Heutzutage wird der Begriff 3D-Druck oftmals ohne Differenzierung der eingesetzten
Technologie bzw. Verfahren als Oberbegriff für Schichtbauverfahren eingesetzt (Heise,
2011a).

Im Allgemeinen ist ein 3D-Drucker in der Lage, ein beliebiges dreidimensiona-
les Druckmuster in 3D auszudrucken. Je nach Technologie werden zur Erzeugung des

Objekts unterschiedliche Materialien und Drucker genutzt (3D Druck, 2011a). Aktuell greifen
die meisten Drucker auf Polymere zurück, da diese leicht zu verarbeiten sind. Gedruckt
wird immer Schicht für Schicht, so entsteht Stück für Stück ein komplexes Modell.
Die verschiedenen Druckverfahren unterscheiden sich hierbei vor allem in der Materialbe-
reitstellung (3D Druck, 2011a). Eine Möglichkeit ist, ein Pulver auf Polymerbasis mittels Laser
an den zu druckenden Stellen zu schmelzen. Das überschüssige

Pulver wird danach entfernt und
das Ergebnis ist ein fertiges 3D-Modell. Eine andere Möglichkeit ist, dass ein flüssiges Harz mit-
tels Laser an bestimmten Stellen gehärtet wird und so das Objekt entsteht.

Alternativ existieren allerdings auch Drucker, die wie ein Tintenstrahldrucker das verwendete

Material direkt in flüssiger Form auftragen und dann mit einem Laser aushärten (3D Druck, 2011a).

 

 

Abbildung 2: Operationsplanung (4D Concepts, 2012)

Abbildung 2: Operationsplanung (4D Concepts, 2012)

 

 

Zurzeit gibt es bereits einige Firmen, die sich auf Rapid Prototyping mittels 3D-Druck
spezialisiert haben. Der Kunde liefert ein valides 3D-Modell als Datei und erhält einige
Tage später seinen Prototyp oder sogar Kleinserien des gewünschten Produkts. Das ist die
große Stärke des 3D-Druckes. Während ansonsten mühsam handgefertigte Prototypen
erstellt werden müssen oder dafür eine Maschine zu entwickeln ist, reicht dem 3D-Dru-
cker das als Datei vorliegende 3D-Modell. Die Kosten liegen bei etwa 1–2 Euro pro cm3
verbrauchten Materials. Auch Objekte, die mit anderen Methoden nur schwer oder gar
nicht realisierbar sind, wie beispielsweise hoch komplexe und feine Strukturen lassen
sich erstellen, da 3D-Drucker additiv Material hinzufügen und so keine bestehenden
Strukturen stören, die eine Bearbeitung verhindern. Interessanterweise sind aber auch
einem 3D-Drucker Grenzen gesetzt. Die eigentlich einfache Form einer hohlen Kugel
lässt sich auch mit einem 3D-Drucker nicht 100%ig erstellen. Überschüssiges Material
muss nach dem Druck noch aufwändig aus dem Inneren entfernt werden, was bei einer
geschlossenen Kugel nicht möglich ist.
Einer der Hauptanwendungsbereiche ist das Rapid-Prototyping (3D Druck, 2011b).
Es wird in der Regel verwendet, um schnell und kostengünstig ein Geometriemodell zu
erhalten. Das vom Auftraggeber gewünschte Endmodell wird vom Entwickler entworfen
und anschließend erzeugt. Dieses Modell wird vom Auftraggeber begutachtet und in
Zusammenarbeit mit den Entwicklern weiterentwickelt, bis die gewünschte endgültige
Form erreicht wird. Der große Vorteil hierbei ist, dass das Objekt angefasst werden kann.
Man spricht von haptischen Eindrücken, die bei diesem Prozess gewonnen werden kön-
nen (Gebhardt, 2000).
Eine Stufe weiter gehen die Rapid Manufacturing Systeme; hier werden die Vorteile
des 3D-Drucks auch für die Fertigung eingesetzt. Im Vergleich zu den zuvor beschriebe-
nen Techniken sind hierbei jedoch höhere Investitionen in aufwändigere Anlagen not-
wendig, da die Erzeugnisse qualitativ hochwertig und robust sein müssen.
3D-Drucker werden im medizinischen Bereich aktuell vor allem in der Zahnmedizin
eingesetzt, um beispielsweise Formen für Zahnprothesen passgenau auf den Patienten
anzupassen. Einigen Instituten ist es bereits gelungen, komplette Knochenreplikate zu
drucken, wie das Eingangsbeispiel eindrucksvoll zeigte. Diese Replikate lassen sich dann
als Prothese nutzen. Das Wake Forest Institute for Regenerative Medicine beschäftigt sich
derzeit sogar damit, aus gezüchteten Zellen ein druckbares Rohmaterial zu erzeugen, um

Haut zu ersetzen (3Druck, 2011c). Sobald hier die ersten Ergebnisse vorliegen, sollen Lösungen
entwickelt werden, um Organe aus körpereigenem Material drucken und ersetzen zu können.
Die Entwicklung geht in die Richtung, dass in Zukunft sowohl Privatpersonen als auch Firmen
3D-Drucker besitzen werden. Allerdings ist die Technologie noch bei weitem nicht so ausgereift,
dass Privatpersonen damit qualitativ hochwertige Produkte erzeugen können.
Abgesehen von den stellen Urheberrechte an technischen Problemen dem Produkt ein weiteres großes
Problem dar. Es wird nur der Konstruktionsplan benötigt, um ein Produkt beliebig oft zu replizieren.
Zudem besteht in Zukunft die Gefahr, dass sich die Produktion vieler Güter aus Unter-
nehmen in den Home-Bereich verlagert, sobald die Drucker die Erstellung komplexer
Objekte marktreif beherrschen. Dadurch würde der Bedarf für Personal in der Fertigung
sinken. Es ist allerdings noch nicht abzusehen wann dies der Fall sein wird, da neben dem
Problem des eigentlichen Druckens noch die Komplexität der Nachbearbeitung eines ein-
zelnen Werkstückes verbleibt.

 

Ausblick

Die 3D-Druck Technologie bietet fast unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten in medi-
zinischen wie auch technischen Bereichen. Zudem übt sie eine unglaubliche Faszination
auf den Menschen aus, da sich greifbare Objekte einfach drucken lassen. Der Techno-
logie fehlen derzeit noch Performanz und Effizienz, um in naher Zukunft massentauglich
auch im privaten Bereich einsetzbar zu sein.
Daher wird der Markt derzeit durch das B2B-Geschäft getrieben. In der Weiterent-
wicklung dieser noch relativ jungen Technologie steckt hohes Potenzial. Erwähnenswert
ist hierbei die im Jahre 2010 geschlossene Partnerschaft zwischen Hewlett Packard und
dem 3D-Druck Spezialisten Stratasys (Channelpartner, 2010).

 

Literaturverzeichnis

3Druck. (2011a). Übersicht der aktuellen 3D-Druckverfahren. Abgerufen am 20. August 2012 von http://3druck.com/grundkurs-3d-drucker/teil-2-uebersicht-der-aktuellen-3d-druckverfahren-462146/


3Druck. (2011b). Gedruckte haut für Brandopfer. Abgerufen am 20. August 2012 von http://3druck.com/forschung/3d-gedruckte-haut-fuer-brandopfer-15270/

 

3Druck. (2011c). 3D-Druckverfahren: General Electronic eröffnet eigene Entwicklungsabteilung. Abgerufen am 20. August 2012 von http://3druck.com/forschung/3d-druckverfahren-general-electric-eroeffnet-eigene-entwicklungsabteilung-13909/

 

Abele Eberhardt, W. A. (2007). Modulare Konzepte rekonfigurierbarer Werkzeugmaschinen.

 

Channelpartner. (2010). HP steigt in den 3D-Druckein. Abgerufen am 20. August 2012 von http://www.channelpartner.de/knowledgecenter/drucken_archivieren/286641/

 

Gebhardt, A. (2000). Rapid Prototyping – Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. München: Hanser Verlag.

 

Honsel, G. (2011). Heise. Rapid Manufactoring. Abgerufen am 20. August 2012 von http://www.heise.de/tr/artikel/Rapid-Manufacturing-1211350.html

 

Pelzer, R. Auslegung von besiedelbaren Knochenimplantaten und deren Herstellung mittels 3D-Druckverfahren. Westkämper Engelbert, B. J. (2007). Oberflächenveredelung von RP-Bauteilen. Berlin: Springer Verlag.

 

 

Autoren

 

Alexander Coenen

Alexander CoenenAusgebildeter Fachinformatiker für Anwendungsentwicklung, Application Consultant bei Merck. Studiert berufintegrierend Wirtschaftsinformatik an der FH Mainz.

Jonas Grasediek
Jonas GrasediekAusgebildeter Bürokaufmann, zurzeit zweite Ausbildung zum Fachinformatiker für Systemintegration beim LDI Mainz. Studiert dual Wirtschaftsinformatik an der FH Mainz.

Cihan Sen
Cihan SenAusgebildeter Informatikkaufmann, IT Projektmitarbeiter und Administrator bei Süd-West-Kreditbank Finanzierung GmbH. Studiert berufintegrierend Wirtschaftsinformatik an der FH Mainz.