3D-Drucker. Lukas Hofer. Lukas Hofer

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1 3D-Drucker Lukas Hofer Lukas Hofer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Definition Definition Digital Fabrication Definition 3D-Drucker Geschichte. 3 3 Druckverfahren und Materialien D-Druck mit Pulver (3DP- 3 Dimensional Printing) Selective Laser Sintering (SLS) Fused Deposition Modeling (FDM) Stereolithographie (STL) Vor- und Nachteile 6 5 Produkte. 7 6 Anwendungen.7 7 Anwendungsbeispiele Schuhprototypen Medizinischer Bereich Automobilindustrie Kunst.10 8 Blick in die Zukunft Quellenangaben.12 Lukas Hofer

3 1 Definition 1.1 Definition Digital Fabrication Digital Fabrication (auch Fabber genannt) ist ein Oberbegriff für computergesteuerte Produktion und beinhaltet Verfahren die je nach Anwendung als 3D-Druck, Rapid Manufacturing und Rapid Prototyping bezeichnet werden. Dabei dient immer ein digitales 3D-Modell in Form einer CAD Datei als Basis für die Produktion. Den Begriff Digital Fabrication unterscheidet man dabei in 4 Verfahren: Additive Verfahren: Anhand eines digitalen Modells entsteht ein bestimmter Gegenstand durch hinzufügen, auftragen und Ablagern von Material. Dieses Verfahren bildet den Hauptbereich der 3D-Drucktechnologie Subtraktive Verfahren: Der Gegenstand wird mittels Fräsen, Drehen und Bohren, also durch mechanische Abtragung vom Material getrennt. Die sogenannte CNC-Maschinen (CNC Computerized Numerical Control) sind das bekannteste Beispiel dafür Formende Verfahren: Wie der Name schon sagt, wird hier ein Gegenstand durch mechanische oder thermische Verfahren geformt. Unter dieses Verfahren fallen z.b das Biegen, Pressen und Giessen Hybride Verfahren: Als hybride Verfahren bezeichnet man alle anderen Verfahren, welche sich nicht kategorisieren lassen oder mehrere Verfahren miteinander verbinden 1.2 Definition 3D-Drucker Ein 3D-Drucker (dreidimensionaler Drucker) ist eine Maschine, die aus einem 3D- Datenmodell dreidimensionale Werkstücke erzeugt. Das 3D-Model wird nach vorgegebenen Massen und Formen aus dem CAD-Programm erstellt. Unter CAD versteht man das rechnerunterstütze Konstruieren eines Produkts. Die Ausdrücke 3D-Drucker und 3D-Druck bezeichnen eigentlich nur ein einziges 3D-Druckverfahren, dem 3D-Druck mit Pulver. Dies ist technisch gesehen eigentlich nicht korrekt, jedoch wird die Bezeichnung mittlerweile oft als Ober- und Sammelbegriff zur Benennung der meisten Fertigungsverfahren verwendet. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze und Metalle, aber auch Holz ist mit einem bestimmten Verfahren möglich. Die verschiedenen Druckverfahren und Materialen werden in Kapitel 3 näher erläutert. 2 Geschichte 3D-Drucker wurden zunächst vor allem für Prototypen und Modelle verwendet. Früher wurden sie oft dort gebraucht, wo man nur eine geringe Stückzahl davon benötigte. Dieses schnelle Verfahren zur Herstellung von Musterbauteilen nennt man Rapid Prototyping. Mit diesem Verfahren wurden die Produktionsprozesse extrem beschleunigt. Lukas Hofer

4 Dank unterschiedlicher Verfahren gewann der 3D-Drucker zunehmend an Bedeutung und trieb so die Weiterentwicklung an. Die Anforderungen an Haltbarkeit, Qualität und Stabilität der Modelle war anfangs noch nicht sonderlich hoch. Durch die Erfindung neuer Verfahren und der Weiterentwicklung der vorhandenen Verfahren gewannen die erstellten Prototypen zunehmend an Qualität. Die Grenze zwischen Prototyp und fertigem Produkt wurde immer schmaler. Die Objekte erreichten nun die Qualität von Endprodukten wodurch der Begriff Rapid Manufacturing eingeprägt wurde. Die Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führten und führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik auch in der Massenproduktion von Teilen. Der erste Grosskonzern, der den 3D- Drucker für sich entdeckte war der Flugzeughersteller Boeing. Boeing verwendet im Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile (Lasersintern -> Kapitel 3.2 Methoden). 3 Druckverfahren und Materialien 3.1 3D-Druck mit Pulver (3DP- 3 Dimensional Printing) Der 3D-Druck mit Pulver ist eine Technologie aus dem Bereich additive Verfahren. Grob vereinfacht funktioniert er ähnlich wie Tintenstrahl Drucker. Anstelle von Tinte wird eine Art Klebstoff und anstelle des Papiers eine Pulverschicht verwendet. Als Datengrundlage dienen die einzelnen 2D-Layer des 3D-Modells. Der unterste Layer, wird dabei wie ein Bild auf eine Pulverschicht aufgedruckt, und so miteinander verklebt. Danach folgt wiederum eine hauchdünne Pulverschicht auf das erste Bild und der Druck des nächsten Layers erfolgt. Der Kleber und das Pulver können dabei aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Das vorrangige verwendete Material ist Kunststoffpulver, aber so könnten theoretisch auch Keramik, Glas und andere pulverförmigen Materialien verarbeitet werden. Mit diesem Druckverfahren hat man den grossen Vorteil, dass man auch überhängende Strukturen erstellen kann. Als Stützstruktur für geplante Hohlräume dient das nicht verklebte Pulver. Dieses Verfahren ist somit sehr stabil. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Verfahren sehr Ressourcen schonend ist, da das verklebte Pulver mithilfe einer Luftpistole entfernt und für den nächsten Druck gebraucht werden kann. Der wohl einzige Nachteil sind die Kosten, die mit dem beschriebenen Verfahren entstehen. Schon nur der Drucker selbst hat einen stolzen Preis von , was für einen Privatanwender oft zu teuer ist. 3.2 Selective Laser Sintering (SLS) Beim Selective Laser Sintering besteht das Druckmaterial wie beim 3 Dimensional Printing aus Pulver. Der einzige Grundlegende Unterschied ist, dass die einzelnen Pulverschichten nicht mit einem flüssigen Klebstoff, sondern mit Hilfe eines Hochleistungslasers miteinander verschmelzen. Die Abfolge des Druckverfahrens ist beim SLS gleich wie beim 3D-Drucker mit Pulver. Lukas Hofer

5 3.3 Fused Deposition Modeling (FDM) Die günstigste Form ein 3-Dimensionales Objekt zu erzeugen ist das Fused Deposition Modeling Verfahren, welches ebenfalls zu den additiven Verfahren gehört. Dieses Verfahren funktioniert mit flüssigen Materialien. Der 3D-Druck mit geschmolzenen Kunststoffen hat heutzutage einen hohen Stellenwert eingenommen. Bei diesem Verfahren funktioniert der Druck wie eine bewegliche Heissklebepistole die auf Basis einer 3D-Datei die einzelnen Layer von unten nach oben aufträgt. Die Plattform auf welche die Heissklebepistole den heissen Klebstoff aufbaut ist meistens beheizt und beweglich. Je nach Modell wird auch die Düse selbst bewegt um die einzelnen Layer zu kreieren. Bevor die nächste Ebene gedruckt werden kann, muss der Drucker eine Zeit lang warten, bis er die nächste Schicht auftragen kann. Diese Wartezeit hängt vom verwendeten Material ab. Die Genauigkeit dieses Druckers ist von der Genauigkeit der Düse und vor allem von der Qualität des digitalen Entwurfs abhängig. Der einzige Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass keine überhängenden Formen erstellt werden können, da solche Drucker ohne Stützmaterial arbeiten. Es gibt allerdings Alternative Drucker, welche zusätzlich eine zweite Düse haben, die Wachs als Stützmaterial aufträgt. Dieses kann am Schluss wieder aus dem Modell geschmolzen werden. Das erstaunliche an dieser Technologie ist, dass neben Kunststoffen und Wachs auch bereits Materialien wie Lebensmittel, Beton und Gips eingesetzt wurden. Als Beispiel wurde mit Schokolade eine Schrift erzeugt (siehe Bild unten). Bild 3.3/1 3D-Druck von Lebensmitteln Die Bedeutung dieses Verfahren wurde vor allem durch das Open-Hardware Projekt RepRap bekannt. Dieses Projekt erlaubt es dem Benutzer sein persönliches 3D-Objekt zu drucken und mit unterschiedlichen Kunststoffen weiterzubauen. Dieses Projekt fand grossen Anklang, weil es bereits ab 1000 zu haben ist. Lukas Hofer

6 3.4 Stereolithographie (STL) Die Stereolithographie ist ein weiteres Verfahren mit grossem Zukunftspotential. Das gewünschte 3D-Objekt wird in einem Bad, welches aus flüssigem Harz besteht, hergestellt. Das Harz, welches verwendet wird hat eine besondere Eigenschaft: bei einer bestimmten Belichtung härtet es aus. Dieses Verfahren gehört ebenfalls zu den additiven Verfahren, da auch hier jeder Layer einzeln aufgebaut wird. Bei diesem Verfahren ist es allerdings so, dass nicht wie bei den anderen Verfahren jede Ebene gedruckt wird, sondern ein Laser in das flüssige Harz Bad das gewünschte Objekt reinzeichnet. Das Material erhärtet dort, wo der Laserpunkt auftrifft. Sobald der Laser fertig ist, wird das noch nicht vollständig gehärtete Objekt aus dem Bad genommen und in einer eigenen Belichtungskammer vollständig ausgehärtet. Der Vorteile dieser Technologie ist, dass man eine höhere Druckqualität erreicht als bei den anderen Verfahren. Der Nachteil sind auch hier die teuren Materialkosten, welche entstehen. 4 Vor- und Nachteile Vorteile Einfache und schnelle Handhabung: Zur Vorstellung und Prüfung erster Konzepte eines neuen Produktes ist der 3D-Drucker sehr praktisch. Individualisierung/ Flexibilität: Ein 3D- Modell kann sehr einfach modifiziert, personalisiert und vor allem sofort gedruckt werden. Designfreiheit: Es sind Objekte ausdruckbar, welche sehr aufwendig herzustellen sind. Kein Materialverlust: Gegenüber subtraktiven Verfahren entfällt der Materialverlust. Bandbreite der Anwendungsgebiete: Die Bandbreite der Anwendungsgebiete der 3D- Drucker ist fast unbegrenzt. Ob in der Medizin, in der Wissenschaft, in der Kunst, in der Mode, im Flugbau, bei Spielwaren und nicht zuletzt im Konsumentenund Privatbereich, ist der 3D Drucker das schnellste und einfachste Gerät zum Verwirklichen von 3D Projekten. Nachteile Missbrauch: Es wurden bereits im Internet Fotos entdeckt von einem Modell eines Schalldämpfers sowie das eines Magazins einer Handfeuerwaffe. Das grösste Problem dabei ist, dass hier die Waffengesetzte nicht gelten und so jeder sich zuhause die Waffe legal ausdrucken könnte. In ein paar Jahren so vermutet man, werden Waffen aus dem 3D-Drucker funktionsfähig sein. Urheberrechtsverletzung: Was passiert wenn man Gegenstände druckt, die durch Patent-, Markenoder Urheberrecht geschützt sind? Diese Frage ist noch nicht geklärt und wird in Zukunft wahrscheinlich noch einige Probleme bereiten. Der Preis: Der grösste Nachteil heutzutage für Privatpersonen, aber auch für Firmen, ist der Preis der 3D- Drucker. Hier gilt auch wie in vielen anderen Bereichen, je genauer der Druck, desto höher die Kosten. Lukas Hofer

7 5 Produkte Die Liste aller 3D-Drucker ist ziemlich länger als die folgende. Die folgende Tabelle soll nur zeigen, was es für Arten von 3D-Druckern gibt, mit welchem Druckverfahren sie arbeiten und wie teuer sie sind. (Umrechnung USD-CHF, Kurs vom ) Foto Druckverfahren Hersteller Modell Preis (USD) Preis (CHF) FDM MakerBot MakerBot Thing-O-Matic FDM HP HPDesignjet color 3D FDM RepRap Project Darwin Open Source Open Source Food Essential Dynamics Imagine 3D- Printer STL Asiga Freeform Pico DP ExOne S-Print Anwendungen Innovationen transparent und verständlich durchzusetzen war noch nie einfacher für Ingenieure und Designer, als mit dem 3D-Drucker. Und dies über die Bereiche der Konzeption, Detailplanung, Tests und Fertigung hinaus bis in die Unternehmensbereiche Vertrieb und Marketing. Früher fand man mit der Rapid-Prototyping-Technologie 3D-Drucker hauptsächlich in den fertigenden Unternehmern. Heute trifft man sie in der Medizin, viel in der Forschung, in der Kunst, in der Architektur, in der Lebensmittelindustrie, in der Automobilindustrie, in der Schmuckbranche und sogar in der Mode. Alle diese Bereiche zeigen: der 3D-Drucker ist keine Vision, er ist vielmehr ein Hilfsmittel für Ingenieure und Designer, um ihre Ideen und Visionen zu zeigen und zu präsentieren. 7 Anwendungsbeispiele 7.1 Schuhprototypen Der Schuhhersteller Timberland verwendet 3D-Drucker, um farbige Sohlen-Prototypen herzustellen. Der 3D-Drucker ermöglicht es nun, den Komfort, die Performance und die Marktfähigkeit eines neuen Schuhs schnell und komfortabel zu beurteilen. Früher kostete ein Schuhprototyp für Timberland 1200 USD. Dank des 3D-Druckers kostet die Herstellung eines Prototyps heutzutage nur Lukas Hofer

8 noch 35 USD. Auch die Herstellungszeit eines 3D-Prototys ist von einer Woche auf 8 Stunden geschrumpft. Diese Kombination aus Geschwindigkeit und geringeren Kosten ermöglicht eine engere Zusammenarbeit zwischen Marketingexperten und Technikern. Timberland ist somit in der Lage schnell und sehr günstig Änderungen am Produkt vorzunehmen bis die Sohle dem gewünschten Komfort entspricht. Timberland hat mit einfachen Arbeitsschuhen angefangen, ist heutzutage 1.5 Milliarden USD schwer und zu einem der erfolgreichsten Lifestyle-Marken der Welt herangewachsen. Bild 7.2/1 Schuhsohle aus 3D-Drucker 7.2 Medizinischer Bereich In der Vergangenheit haben sich Forscher schon oft damit beschäftigt den 3D-Drucker in der Medizin verwenden zu können. Als besonders viel versprechend gilt dabei das Drucken von menschlichen Ersatzteilen. Vor kurzem gelang es der Washington State University ein Knochenimplantat aus dem 3D-Drucker in einem Tierversuch zu testen. In den Niederlanden ist man allerdings schon einen Schritt weiter: Wegen einer chronischen Knocheninfektion benötigte ein 86 jährige Patientin einen neuen Unterkiefer. Aufgrund ihres Alters konnte sie jedoch nicht auf herkömmliche Weise behandelt werden. Also entschieden sich die Mediziner für eine andere Lösung. Mit der Hilfe des Biomedical Research Institute der Hasselt University in Belgien und dem ebenfalls belgischen Unternehmen LayerWise wurde ein vollständiger Ersatz-Unterkiefer entworfen und hergestellt. Das auf die Herstellung von Metallteilen spezialisierte Unternehmen druckte dann das Implantat aus Titanium Staub mittels Selective Laser Sintering. In einer 5 stündigen Operation, verpflanzten die Mediziner das zuvor gefertigtes 3D-Modell des Unterkiefers. Dies war weniger aufwendig, als eine herkömmliche Behandlung, welche die fünffache Zeit in Anspruch genommen hätte. Die Operation verlief erfolgreich und die Patientin konnte wieder sprechen und schlucken. Was jetzt noch wie Science-Fiction klingt, soll bald schon Realität werden: Forscher planen neben Prothesen gar den 3D-Druck von ganzen Knochen, Haut und Organen. Bild 7.2/1 Unterkieferimplantat aus Titanium Lukas Hofer

9 7.3 Automobilindustrie Schon seit Jahren tüfteln Wissenschaftler mit Entwürfen und Ideen, welche eine möglicherweise effizientere und bequemere Fortbewegung ermöglichen könnten. Wurden früher vor allem kleine Modellautos aus dem 3D-Drucker gefertigt, so wird heutzutage die 3D-Technologie immer mehr für die Produktion von beweglichen Konstruktionen verwendet. Der Hochschule für Angewandte Wissenschaft und Kunst von Hildesheim ist es gelungen ein komplett gedrucktes Leichtbau-Fahrzeug aus CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) zu erstellen, welches mit einem Akkuschrauber-Motor angetrieben und bereits an einem Seifenkistenrennen teilgenommen hat. Auch die richtig grosse Automobilindustrie hat die 3D-Druck Technologie für sich entdeckt. Bereits im Jahr 2010 stellte der kanadische Ökoautohersteller Kor Ecologic mit dem 3D- Printer-Produzenten Stratasys, ein erstes fahrtüchtiges Auto namens Urbee vor, welches fast komplett mittels 3D Druckverfahren hergestellt wurde. Ein weiteres faszinierendes Projekt in der Automobilindustrie stellt der französische Autohersteller Citroën vor. Gemeinsam stellte Citroën mit dem 3D Druck Dienstleister Materialise denn Citroen GT vor. Das ursprünglich aus einem Computerspiel stammende Auto, erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 200 km/h und besteht hauptsächlich aus Carbon und Aluminium. Mithilfe des grössten 3D Drucker der Welt, welcher bis zu 2m lange Teile fertigen kann, wurde ein Grossteil der Kabineneinrichtung gedruckt. Das Auto von Citroën besteht also noch nicht komplett aus ausgedruckten Teilen und ist auch nicht gedacht für die Serienproduktion, aber es ist dennoch eine kleine Revolution. Durch dieses Projekt wurden weitere wichtige Informationen über die 3D Drucktechnologie gesammelt. Bild 7.3/1 Citroen GT aus fast komplett gedruckten Teilen Lukas Hofer

10 7.4 Kunst Auch in der Kunst hält die 3D Drucktechnologie allmählich Einzug. Die vielen attraktiven Möglichkeiten des 3D-Drucker faszinieren immer mehr Künstler und mit der Rapid Manufacturing Technologie können sie ihren kreativen Ideen freien Lauf lassen. Bild 7.4/1 Beispiel von Kunst aus einem 3D-Drucker Das grösste Museum der Welt, der Smithsonian Complex in Washington, möchte für seine Besucher das Archiv mit 3D-gedruckte Replikats erweitern. Die Koordinatoren der 3D-Initiative des Museums, Adam Metallo und Vince Rossi, druckten als Beispiel eine 1:1 Kopie einer Thomas Jefferson Bronze Statue. Mit Hilfe eines USD teuren Minolta 3D-Laser-Scanners wurden ein 3D-Modell erzeugt und mittels eines 3D-Druckers reproduziert. Die Statue wurde in drei Teilen gedruckt und dann zusammengeführt. Unten Links sieht man den obersten Teil der Statue und rechts unten die komplette fertige Statue. Die Staute wurde noch lackiert und gleicht der richtigen Statue bis ins kleinste Detail. Bild 7.4/2 Oberster Teil der Statue nach dem Druck Bild 7.4/3 Ganze Thomes Jefferson Bronze Statue nach Zusammenfügen der einzelnen Teile Lukas Hofer

11 8 Blick in die Zukunft Die beinahe unendlichen Möglichkeiten und unzähligen Anwendungsbeispiele liefern bereits viele Hinweise über das hohe Zukuntspotential der 3D-Technologie. Es gibt sehr viele Zukunftsanalysen, jene von Wissenschaftlern und 3D Druck Experten sind jedoch besonders interessant. Experten sehen die Technologie als die Produktionstechnologie des 21. Jahrhundert, mit einem riesigen Potential. Sie gehen auch davon aus, dass durch die Weiterentwicklung die 3D-Drucker günstiger und vielseitiger werden. Zukunftsvisionen reichen vom kleinen 3D-Drucker auf dem Schreibtisch bis hin zu Anlagen, welche ganze Häuser ausdrucken können. Die kurzfristigen Möglichkeiten neuer Technologien werden allerdings immer überschätzt und dafür ihr langfristiges Potential unterschätzt. Für die kommenden fünf Jahre wird es wahrscheinlich keine grösseren Veränderungen durch 3D-Druck geben. Wenn man jedoch in die Zukunft von Jahren schaut, ist das Potential riesig. Der 3D-Druck ändert die Produktionsweise grundlegend, denn mit dem 3D-Drucker wird vor Ort und nur so viel produziert, wie gerade benötigt wird. Auch immer sehr interessant ist die Zukunftsprognose von Gartner mit dem Hype Cycle. Nach Gartner wird die 3D-Druck Technologie in 5-10 Jahren einen grossen Hype erfahren (siehe roter Pfeil Bild unten). Bild 8/1 Cycle Hype vom Jahre 2012 John Kawola, CEO des 3D Druckerhersteller Z Corporation sagt, dass seiner Meinung nach die Entwicklung des 3D Druckers hauptsächlich von der 3D Softwarebranche und der weiteren Qualitätssteigerung abhängt. Die heutigen existierenden 3D Drucker sieht er als kompliziert, unpraktisch und vor allem als teuer. Wenn die 3D-Drucker an Qualität zunehmen, simpler und deutlich günstiger werden, prognostiziert er sogar eine kleine Revolution. Lukas Hofer

12 9 Quellenangaben Lukas Hofer