Los ging es schon in den 60er und 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts: Der britischer Physiker und Science Fiction-Autor Arthur C. Clarke hatte die erste Idee für einen 3D-Drucker und im Comic „Tim und Struppi und der Haifischsee“ erfindet Professor Bienlein eine 3D-Fotokopiermaschine.
Ein halbes Jahrhundert später ist aus diesen Zukunftsvisionen eine 3D-Druck-Industrie geworden mit Wachstumsprognosen von jährlich 30 Prozent. Baupläne aus dem Computer werden unmittelbare Wirklichkeit, vom digitalen Entwurf bis zum fertigen Produkt war der Weg noch nie so kurz wie heute. Mit dreidimensionalen Druckverfahren benötigt die Herstellung weniger Material, Arbeitsaufwand und Energie, Waren können in geringeren Mengen, nach dem individuellen Bedarf und näher am Kunden produziert werden.
Die 1980er Jahre: Der 3D-Druck wird geboren
Die rasante Entwicklung des 3D-Drucks begann Anfang der 80er Jahre, getrieben durch den Bedarf an schnellen und kostengünstigeren Lösungen zur Generierung von Prototypen für die Serienfertigung. Wissenschaftler aus Japan, Frankreich und den USA hatten bereits Anfang der 80er Jahre an dreidimensionalen Fertigungstechnologien gearbeitet. Als Erfinder des 3D-Drucks gilt allgemein aber der US-Amerikaner Charles Hull, der 1984 sein erstes Patent für das Fertigungsverfahren Stereolithografie anmeldete, das ihm 1986 bewilligt wurde. In der Stereolithografie kommen lichtempfindliche Flüssigkeiten zum Einsatz, bei denen mit einem UV-Laser selektiv Stellen ausgehärtet werden, die dann das gewünschte Objekt bilden.
1986 gründete Hull das Unternehmen 3D-Systems und brachte ein Jahr später den ersten kommerziellen 3D-Drucker auf den Markt. Bis heute ist 3D-Systems einer der weltweiten Branchenführer.
Wenige Jahre später kamen mit dem Lasersinterverfahren und dem FDM Verfahren (Fused Deposition Modelling) zwei weitere Prototypen-Technologien auf den Markt. 1988 meldete der Amerikaner Carl Deckard ein Patent für das Selektive Lasersintern an – ein Verfahren, bei dem ein Kunststoffpulver mit einem Laser verschmolzen wird. Hierbei können Bauteile von fast beliebiger Komplexität gefertigt werden. Zeitlich fast parallel entwickelte Scott Crump das FDM-Druckverfahren und meldete es 1989 zum Patent an. Dieses Verfahren funktioniert wie eine Heißklebe-Pistole: Das fadenförmige Kunststoff-Material wird durch eine heiße Düse gepresst, dabei wird das Material geschmolzen und schichtweise aufgetragen.
Mit diesen Patenten waren innerhalb von zehn Jahren die drei wichtigsten additiven Verfahren entstanden – der 3D-Druck war geboren.
Die 1990er Jahre: neue Verfahren werden erschaffen
Bereits 1987 kam das weltweit erste stereolithiografische Gerät auf den Markt, das die schichtweise Fertigung komplexer Komponenten in einem Bruchteil der bisher erforderlichen Zeit möglich machte (mehr zur Stereolithografie). 1992 produzierte das Start-Up-Unternehmen DTM die weltweit erste selektive Lasersinter-Maschine, die keine Flüssigkeit, sondern Pulver mit Laserlicht bestrahlte (mehr zum Lasersintern). In den Folgejahren traten weitere 3D-Druck-Akteure mit neu- oder weiterentwickelten Verfahrenstechniken in den Markt. Das Unternehmen Z Corp., von 3D-Systems aufgekauft, legte die Grundlagen für die Entwicklung des Binder-Jetting-Verfahrens. Es entwickelte den Drucker Z402, der auf dem Tintenstrahl-Druckverfahren basiert und Modelle aus Gipspulver und einem auf Wasser basierenden Bindemittel herstellt (mehr zum Colorjet Verfahren, einer Binder-Jetting Technologie). Ende der 90er Jahre war es dann auch möglich, nicht nur Kunststoffe, sondern auch Metall zu verarbeiten (mehr zum Metall 3D-Druck).
Während dieser Zeit wurden auch mehr und mehr CAD-Programme für den 3D-Drucker auf den Markt gebracht. Sanders Prototyp (heute bekannt als Solidscape) war eines der ersten Unternehmen, die spezifische Software-Lösungen für die additive Fertigung entwickelten.
Die 2000er Jahre: die additive Fertigung gewinnt an Reife
Vor allem im medizinischen Bereich waren dieses Jahrzehnt ein Höhepunkt in der Geschichte des 3D-Drucks: Zum ersten Mal wurde einem Menschen ein 3D-gedrucktes Organ implantiert, synthetische Stützstrukturen einer menschlichen Blase. Es wurden eine funktionierende Miniatur-Niere hergestellt, Beinprothesen aus komplexen Komponenten gedruckt und Blutgefäße mittels Bioprinttechnologie erzeugt.
In den 2000ern entwickelte sich die 3D-Druck-Technologie nicht nur in die Tiefe, sondern vor allem auch in die Breite. Im Jahr 2004 wurde der Replicating Rapid-Prototyper entwickelt. Der 3D-Drucker war fähig, große Teile für einen weiteren 3D-Drucker herzustellen. Dieses Open-Source-Projekt führte zur Verbreitung der 3D-Drucker für den Arbeitsplatz. Mit dem Auslaufen des Patentschutzes für das FDM Verfahren 2009 wurde eine neue Innovationswelle ausgelöst. Die Preise von 3D-Druckern für den Arbeitsplatz sanken, die 3D-Technik wurde für viele zugänglich. Die Firma MakerBot war eine der ersten Firmen, die diesen Trend nach kleinen, günstigen Geräten bediente; für einige Hundert USD gab es den FDM Drucker für Zuhause oder die Werkstatt in der kleinen Firma.
Der MakerBot Cupcake, eines der ersten Desktop 3D-Drucker. Das Modell war als Bausatz erhältlich und gilt als Mitbegründer des 3D-Druck Booms in Maker Szene.
Bild: Baminnick, MakerBot Spikey Gear and Raft in MakerBot Cupcake CNC, CC BY-SA 3.0
Die 2010er Jahre: an der Schwelle zur industriellen Fertigung
2010 wird der erste 3D-gedruckte Automobil-Prototyp hergestellt, das Gehäuse kam komplett aus einem rieseigen 3D-Drucker. 2011 entsteht der erste 3D-Lebensmittel-Drucker, die NASA erforscht, wie Astronauten im Weltall Nahrung in 3D drucken können. 2014 fliegt die NASA den ersten 3D-Drucker ins Weltall, um 3D-gedruckte Bauteile in der Raumstation herzustellen. 2012 wurde die erste Kieferprothese in 3D gedruckt und transplantiert, 2016 folgten die ersten Knochen in 3D.
Die 3D-Druck-Verfahren haben den Markt erobert. In der Industrie werden die Möglichkeiten der additiven Fertigung erkannt und in Innovation und Produktion integriert. Auch immer mehr kleine und mittlere Unternehmen profitieren von den sinkenden Preisen, die der 3D-Druck beim Prototyping bietet. Gleichzeitig werden die 3D-Druckverfahren weiter entwickelt, neue Druckmaterialien erforscht und in den Markt gebracht.
Auch neue Technologien kamen dazu: Das Multi Jet Fusion Verfahren ist das derzeit produktivste additive Kunststoff-Produktionsverfahren. Das gedruckte Material zeichnet sich durch eine homogene Oberfläche und eine hohe, fast porenfreie Materialdichte aus. Die erzeugten Werkstücke können sowohl als Prototypen wie auch als Serienteile verwendet werden. Auch wir als 3Faktur setzen auf diese Technologie und produzieren pro Anlage zwischen 500 und 2.000 Bauteilen pro Woche.
Die Zukunft: Alle Zeichen auf Manufacturing
Der Siegeszug der 3D-Druck-Technologie hat sich weiter beschleunigt, die 3D-Druck-Technologie steht an der Schwelle zur Serienproduktion. Immer mehr Materialien können gedruckt werden und das immer schneller und in immer besserer Qualität. Bisher genutzt für Nischen-Produkte, wird der 3D-Druck zur Schlüsseltechnologie. Diese völlig neue Art der Fertigung ist nutzbar für Prototypen, Einzelstücke und Serien – und das rund um die Uhr. Sie ermöglicht kürzere Lieferketten, die Vermeidung von Überproduktion und Ersatzteillagern, den Einsatz von recyclingfähigen Materialien im Kreislaufsystem. Die Chancen scheinen unendlich zu sein…
Bild: Desktop Metal
Über 3Faktur: 3Faktur ist Spezialist für 3D-Druck, Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing. Wir arbeiten mit dem Multi Jet Fusion-Verfahren von HP und bieten unterschiedliche Materialien für den Prototypenbau und die Serienproduktion an. Sollten Sie Fragen zu Ihrem Projekt haben, können Sie uns gern kontaktieren.
