3-D-Druck

Schicht für Schicht in die Zukunft


Es klingt unglaublich, ist aber schon teilweise Realität: Autos, Flugzeuge, Häuser, sogar Körperteile kommen aus dem Drucker und werden bald unsere Wirtschaft und unser aller Leben revolutionieren

 

P.M. Magazin - September 2015 - Titelgeschichte

 

Von Mauritius Much

 

Chronische Knieprobleme? Kein Problem. Am Klinikum Dortmund können Sie sich einfach ein neues Gelenk ausdrucken lassen. Die Ärzte scannen nicht nur den schmerzenden Körperteil, sondern das gesamte Bein im Computertomografen. Die Daten schicken sie an eine Partnerfirma im amerikanischen Boston. Eine Software errechnet dort die exakten Maße Ihres Gelenks. Diese Informationen reichen, um aus einer Chrom-Kobalt-Legierung eine Kopie im 3-D-Drucker herzustellen. Dafür braucht die rund 780.000 Dollar teure Maschine 24 Stunden. Über 200 individuell angepasste Kniegelenke hat das Klinikum in nur zwei Jahren ausdrucken lassen und Patienten in Deutschland eingesetzt. Die sind offenbar zufrieden. Bisher klagte nur etwa ein Dutzend von ihnen über Beschwerden, während es nach dem Einsetzen von künstlichen Standardkniegelenken bis zu 35 Prozent sind.


Doch nicht nur Knie kommen inzwischen aus 3-D-Druckern, sondern auch Zähne oder Hüftknochen. Im niederländischen Utrecht haben Ärzte einer jungen Frau sogar eine gedruckte Schädeldecke implantiert. Auch bei Unfallopfern kann man mittlerweile Gesichtsknochen am Computer rekonstruieren, ausdrucken und ersetzen.


Medizinische Implantate sind nur ein Beispiel dafür, was 3-D-Druck heute alles schon kann. Anders als beim herkömmlichen zweidimensionalen Papierausdruck kommt beim 3-D-Druck eine dritte Ebene hinzu. Deshalb sind 3-D-Drucker in der Lage, beliebige Körper zu reproduzieren: Lampen, Schmuck, Triebwerke, Karosserien oder eben Knie. Der 3-D-Druck ist damit auf dem besten Weg, herkömmlichen Massenfertigungsverfahren den Rang abzulaufen. Das könnte zu großen volkswirtschaftlichen Veränderungen führen, wenn die industrielle Produktion nicht mehr in Billiglohnländer verlagert, sondern wieder in den Industriestaaten selbst ausgeführt wird. Fachblätter wie die „Wirtschaftswoche“ und das „manager magazin“ schreiben, dass es wohl keinen Industriezweig gibt, der in den nächsten fünf bis zehn Jahren nicht von dieser Technologie umgekrempelt wird.

 

Experten bezeichnen den 3-D-Druck auch als „additive“ oder „generative Fertigung“: Dabei wird das Material nicht wie bei subtraktiven Verfahren wie Drehen, Fräsen, Schneiden oder Bohren abgetragen, bis das gewünschte Objekt entstanden ist. Stattdessen generiert der 3-D-Drucker ein Objekt aus vielen Scheiben, die weniger als einen Millimeter dick sind und zu einem Körper addiert werden. „Das Schichtbauprinzip beruht darauf, dass alle Körper zumindest gedanklich in Scheiben geschnitten und somit auch aus diesen Schichten aufgebaut werden können“, erklärt Andreas Gebhardt, Professor für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping an der Fachhochschule Aachen. „Generative Fertigungsverfahren automatisieren dieses Prinzip. Sie erzeugen die Einzelschichten und fügen sie Schicht für Schicht in der richtigen Reihenfolge aneinander. Beide Teilprozesse laufen computergesteuert ab und benötigen dazu lediglich die 3-D-Computerdaten des Bauteils.“ Liegen die Abmessungen des Objekts noch nicht digital vor, muss man es, wie am Beispiel der Kniegelenke aus Boston erläutert, scannen und mit einer Software die Maße exakt bestimmen.

 
Erfunden hat die Technik Mitte der 80er Jahre der Amerikaner Chuck Hull. Seine Methode heißt „Stereolithographie“ und wird noch heute eingesetzt. Bei ihr verhärtet ein Laser flüssiges Harz Schicht für Schicht, bis der dreidimensionale Körper fertig ist.

 

Bei einem anderen Verfahren, dem „selektiven Laserschmelzen“, wird Kunststoff- oder Metallpulver Lage für Lage über die Druckfläche gestreut. Ein Laser erhitzt dann  die Partikel an den Stellen, an denen das Druckobjekt sich durch die Verschmelzung der Teilchen herausbilden soll. Das nicht gebrauchte Pulver dient dazu, die sich bildenden Körper zu stützen und ein Verschmelzen benachbarter Strukturen zu verhindern. Ist das Objekt fertig, wird der Pulverrest mit Pressluft aus dem Körper entfernt und kann zu 90 Prozent wiederverwertet werden.


Für den Privatgebrauch wird meist die „Schmelzschichtung“ („Fused Deposition Modeling“, kurz FDM) angewandt. Mit diesem Verfahren können Hobbydrucker zu Hause beispielsweise einen neuen Stöpsel für eine Luftmatratze herstellen. Dafür scannen sie entweder den Stöpsel einer anderen Kammer der Matratze oder suchen in Datenbanken nach seinen Maßen.

 

Eine aktive Community von 3-D-Druck-Anwendern tauscht über das Internet Druckdaten und Software kostenlos aus (z.B. www.3dhubs.com) und treibt die technische Weiterentwicklung voran. „Das erinnert mich an die Euphorie, als in den 80er Jahren die PCs entwickelt wurden“, sagt Professor Edgar Dörsam, der das Institut für Druckmaschinen und Druckverfahren an der TU Darmstadt leitet. „Allerdings war damals der Austausch schwieriger, weil es noch kein Internet gab.“ Heute eröffnen in vielen Städten Läden, die Schmuck, Büsten oder eben Stöpsel für Luftmatratzen ausdrucken - ähnlich wie es vor Einführung der Computerdrucker die Copyshops mit Papierkopien machten. Sobald das Stöpsel-Modell im Computer erstellt ist, kann die Schmelzschichtung starten. Als Material dienen Kunststoffdrähte. Wie in einer Heißklebepistole werden sie erhitzt und durch eine Düse in kleinen Schichten aufeinandergetürmt, bis der Stöpsel fertig ist.

 

FDM-Drucker gibt es bereits ab rund 500 Euro zu kaufen. Allerdings sind bei den billigeren Geräten die einzelnen Schichten dicker, sodass die Übergänge zwischen den einzelnen Lagen oft sichtbar oder fühlbar sind. Mehrere hunderttausend Euro kosten dagegen Drucker, die das selektive Laserschmelzen anwenden. Hochwertige Drucker sind vor allem für die Industrie interessant. „Mit ihrer Hilfe können Dinge produziert werden, die man mit anderen Verfahren gar nicht, nur sehr schwer oder mit hohem finanziellen Aufwand herstellen kann“, sagt Experte Dörsam.

 

Und die Revolution hat bereits begonnen. Der US-Konzern General Electric schafft es dank 3-D-Druck, beim Bau von Flugzeugtriebwerken automatisch Kühlkanäle zu integrieren. Beim herkömmlichen Metallgussverfahren müsste man dafür mehrere Teile verschweißen und die Oberfläche der fertigen Motoren wieder aufbohren. Das erste fahrbare Auto wurde von Local Motors gedruckt und fuhr im September 2014 durch Detroit. Local Motors will in den nächsten Jahren Druckmanufakturen auch in Europa eröffnen, in denen sich der Kunde sein Auto nach individuellen Wünschen herstellen lassen kann. Druckdauer: zwölf Stunden. Altwagen können zum Recycling abgegeben werden und bringen eine Gutschrift beim Neukauf - die moderne Variante der Abwrackprämie.

 

In China werden nicht nur Autos, sondern fünfstöckige Häuser von den weltweit größten 3-D-Druckern gefertigt. Das chinesische Unternehmen Winsun ist Weltmarktführer in diesem Bereich. Die Asiaten drucken bereits stabile Häuser in 24 Stunden, jedes kostet nur 5000 Dollar. Ägypten bestellte 20.000 Exemplare der günstige Unterkünfte. Diese völlig neuen Möglichkeiten im Wohnungsbau könnten dabei helfen, Flüchtlingsunterkünfte zu errichten und bezahlbaren Wohnraum zur Verfügung zu stellen.

 

Die Vereinigung von Herstellung und Verkauf bricht Strukturen auf und ermöglicht neue Geschäftsmodelle. So wollen adidas und Nike ihre Shops mit 3-D-Druckern ausrüsten. Kunden können sich am Computer ihren Schuh selbst zusammenstellen, sie suchen sich Material, Farbe und Design aus und können zwei Stunden später das Sneaker-Unikum aus dem Drucker abholen.

 

Natürlich gibt es auch beim 3-D-Druck Verbesserungsbedarf: Noch dauert der Druck von großen Objekten recht lang und ist in einigen Bereichen teuer. Aber eine Prognose von Siemens besagt, dass sich die Herstellungspreise in den nächsten fünf Jahren halbieren werden, während sich im gleichen Zeitraum die Druckgeschwindigkeit um 400 Prozent erhöhen wird. Wie das technisch gehen kann, zeigt ein Team um den Chemieprofessor Joseph DeSimone von der University of North Carolina. Dort wurde ein Verfahren entwickelt, das den 3-D-Druck bis zu 100-mal schneller macht: Es ähnelt der Stereolithographie, flüssiger Kunststoff wird erhärtet. Allerdings muss das UV-Licht nicht jede Schicht einzeln und nacheinander festigen, sondern kann das komplette Material erstarren lassen und somit kontinuierlich drucken. Der flüssige Kunststoff befindet sich in einer Wanne; innerhalb von zehn Minuten entsteht daraus ein Ball – in etwa so, wie sich im zweiten Film der Terminator-Reihe aus einer Pfütze flüssigen Metalls ein Roboter in Menschengestalt bildet. Bald schon könnten auf diese Weise nicht nur Bälle wachsen. Chirurgen könnten noch im OP Prothesen ausdrucken oder Zahnärzte während der Behandlung passende Implantate herstellen.

 

Es ist nur eine Frage der Zeit, bis Optik und Haptik der gedruckten Objekte den Originalen völlig entsprechen. Viele gedruckte Materialien sind bereits so beständig, dass sie serienmäßig eingesetzt werden. Airbus etwa verbaut Titanwinkel aus generativer Fertigung in seinen neuen A350 XWB.


Sogar Lebensmittelwerden gedruckt: In den Niederlanden stellt Food Designer Marijn Roovers mit einem 3D-Drucker kleine Weltkugeln aus Schokolade her. Und die US-Weltraumbehörde Nasa entwickelt ein Gerät, mit dem sich Astronauten unterwegs Pizza ausdrucken können.


Kein Wunder, dass viele Experten die Möglichkeiten des 3-D-Drucks für revolutionär halten. Im Bereich der Medizin etwa verwendet man nicht nur künstliche Gelenke mit den neuen Verfahren hergestellt. Wissenschaftler experimentieren intensiv mit dem sogenannten Bioprinting, das eines Tages in der Lage sein könnte, ganze Ersatzorgane zu drucken. Mithilfe von menschlichen Stamm- und Leberzellen gelang es in den USA bereits, eine Mini-Leber schichtweise auszudrucken. In ein paar Jahren dürfte es möglich sein, menschliche Haut oder komplexe Organe wie Herzen oder Nieren auf diese Weise herzustellen. In Anbetracht des chronischen Mangels an Spenderorganen wäre das ein gigantischer Fortschritt für die Menschheit. 

 

Kasten: 3-D-Drucker für den Hausgebrauch.

 

Noch können die Geräte nur einfache Gegenstände aus einem einzigen Material reproduzieren - aber an der nächsten Generation wird gearbeitet. Und sogar der 4-D-Druck kommt in Sicht

 

Für rund 500 Euro kann man einen 3-D-Drucker für zu Hause erwerben. damit lassen sich einfache Alltagsgegenstände aus Plastik herstellen: von Gardinenstangen über Spielzeugpuppen oder Vasen bis hin zu Deko- und Kunstgegenständen - der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Man braucht neben dem Drucker eine spezielle Software, um den gewünschten Gegenstand genau scannen zu können. Das Programm gibt es im Fachhandel oder zum Herunterladen auf den Seiten einer 3D-Druck-Community (z.B. www.3d-hubs.com). Im Elektronikfachmarkt besorgt man sich dann Kunststoffdraht in den gewünschten Farben, bei kleineren Gegenständen beträgt der Preis etwa 50 Euro pro Farbe. Den Kunststoffdraht erhitzt der 3-D-Drucker im Schmelzschichtverfahren und baut ihn Schicht für Schicht zur gewünschten Form auf. An einem 3-D-Gerät für den Hausgebrauch, das mehrere Materialien gleichzeitig verarbeiten kann, arbeitet der Technologiekonzern HP. Mitte 2016 will er einen solchen 3-D-Drucker auf den Markt bringen. Der Preis ist bisher nicht bekannt. Das Gerät wird aber noch nicht in der Lage sein, auch eine vierte Dimension zu berücksichtigen: die Zeit. An so einem 4-D-Drucker arbeiten Forscher wie der Informatiker Skylar Tibbits vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) bereits: Dabei werden Gegenstände hergestellt, die ihre Gestalt ändern können: etwa Möbel, die sich selbst aufbauen.