Rapid Prototyping, die dreidimensionale Revolution aus dem Drucker

Auf den ersten Blick sieht es aus wie Zauberei: Vasen, Schmuck, Spielzeug oder Prothesen, die fast aus dem Nichts heraus in kurzer Zeit real werden. Mit Magie aber hat Rapid Prototyping weniger zu tun, als mit einem weiteren revolutionären Schritt in unserer modernen Welt: 3D-Drucker sind in der Lage, dreidimensionale Objekte umzusetzen. Der Druck erfolgt dabei schichtweise, die grundsätzliche Funktion ähnelt der des guten alten Tintenstrahldruckers. Die entsprechende Düse des 3D-Druckers aber gibt anstatt Tinte einen verflüssigten Kunststoff schichtweise auf eine absinkende Trägerplatte ab. Die erste Generation von 3D-Druckern besaß bloß eine Düse. Sie arbeitete mit Stützstrukturen, neuere Geräte dagegen geben in der Regel zwei Stoffe aus zwei unterschiedlichen Düsen ab. Aus der einen wird der Kunststoff, Keramik oder ein anderes Material versprüht, die andere gibt ein unterstützendes Wachs oder Gel ab. Der Aufbau der Form und die Maße werden dabei vom Computer gesteuert. Keine Hexerei also, sondern moderne Technik.

Rapid Protytyping für die schnelle Herstellung von Anschauungsmodellen

3D-Drucker werden seit einigen Jahren bereits erfolgreich in der Industrie und der Forschung eingesetzt. Viele Hersteller nutzen diese Technologien zum Beispiel, um Entwicklungszeiten zu senken und ihre Produkte schneller, kostengünstiger auf den Markt zu bringen. Schließlich wurde in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von Prozessen entwickelt, die den Einsatz verschiedener Materialien von Kunststoffen bis hin zu Metallen für die Produktentwicklung ermöglichen.

Der größte Vorteil dieser Art des Rapid Protoytping aber war es von Anfang an und ist es wohl bis heute, dass schnell und preiswert exakte Modelle hergestellt werden können. Designer oder auch Architekten profitieren etwa davon, wenn sie ihre Konstruktionen auf diese Weise körperlich werden lassen. Zu den Bereichen, in denen Rapid Prototyping durch den 3D-Druck am häufigsten eingesetzt wird, gehören daher auch der Modellbau, Architektur, Maschinenbau, Automobilbau sowie Bauverfahren und die Arbeit in Wissenschaftlichen Laboratorien. Die schnelle Herstellung von Anschauungsmodellen findet aber auch immer häufiger Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst. Dazu aber später mehr.

Die Geschichte des 3D-Druckers

Möglich gemacht hat das Rapid Prototyping der amerikanische Erfinder und Ingenieur Charles W. Hull (* 12. Mai 1939). Hull arbeitete bei einem Unternehmen, das UV-Licht benutzte, um dünne Platten aus Plastikfurnieren auf Tischplatten, Möbel und Papierprodukte aufzutragen. Er erkannte, dass dreidimensionale Objekte in fast jeder erdenklichen Form zu bilden wären, wenn man Tausende von diesen Laminatschichten übereinander überlagert. In den frühen 1980er Jahren begann er schließlich damit, den langwierigen Prozess der Schaffung von kleinen Kunststoff-Teilen für das Prototyping in der Prüfung neuer Produkt-Designs zu verbessern.

Nur ein Jahr nachdem er das erste Modell seines 3D-Druckers entwickelt hatte, beantragte Hull ein Patent für seine Erfindung: eine Maschine, die eine Produktion innerhalb von Minuten ausführen könnte, was normalerweise mehrere Wochen des Formens und des Gusses dauern würde. Der 3D-Druck erblickte auf diese Weise das Licht der Welt. Den Kinderschuhen entwachsen aber ist er erst durch das Prinzip des Lasersintern, das 1987 von Dr. Charles Deckard von der Universität in Texas publiziert wurde. Dabei handelt es sich um ein lasergestützte Verfahren, ein generatives Schichtbauverfahren, welches das größte Potenzial im Rapid Prototyping bietet. Dabei können dreidimensionale Objekte durch Laserstrahlen aus einem Kunststoffpulver heraus erzeugt werden.

Vom Rapid Prototyping zum Additive Manufactoring

In den vergangenen Jahren sind die Anwendungen weit über das bloße Herstellen von Modellen hinausgewachsen. Der 3D-Druck wurde dank immer besserer Materialien und belastbarer Endprodukte für breitere Produktionen entdeckt. Man spricht dabei dann auch nicht mehr vom Rapid Prototyping, sondern von einem generativen Fertigungsverfahren oder auch Additive Manufacturing. Vor allem in der Medizin ist diese Verfahrensweise sehr beliebt. So werden beispielswese individuell angepasste Gehäuse für Hörgeräte inzwischen fast ausschließlich auf diese Weise gefertigt. Auch Zahnersatz, Implantate oder auch Hüftgelenk-Schalen lassen sich dank Additive Manufactoring einfach herstellen, denn je komplexer das Bauteil und je kleiner die Stückzahl, desto eher rechnet sich eine derartige Produktion.

Neben der Medizin wird 3D-Druck zur Serienfertigung auch bei der Luft- und Raumfahrtindustrie, in der Verpackungsindustrie oder dem Bioprinting eingesetzt. BMW verwendet gar einen 3D-Drucker, der mit Acryl druckt und mit einem wasserlöslichen Gel gestützt wird. Die Schichtdicke liegt bei lediglich 16 Mikrometern, was klein genug ist, um bewegliche Teile direkt in einem Durchgang auszudrucken. BMW fertigt damit zum Beispiel einen funktionstüchtiger Engländer.

Rapid Protytyping – Für alle, denen Töpfern zu langweilig ist

Die revolutionäre Technik des 3D-Druckers ist über die Jahre hinweg immer erschwinglicher geworden. Ein eigener 3D Drucker für Bastler ist inzwischen faszinierende Realität geworden. In der Heimanwendung ermöglichen 3D-Drucker die Herstellung von einfachen Spielzeugen, Schmuck oder Dekogegenständen. Die Preisspanne geht von knapp 400 Euro bis hin zu 4.500 Euro. Man sollte aber wie bei anderen technischen Geräten auch nicht knauserig sein, wenn man sich per Mausklick Haushaltsgegenstände oder Ersatzteile bauen möchte. Am Ende soll die Nutzung ja Grund zur Freude bieten. Die vielen Möglichkeiten wollen bestmöglich ausgeschöpft werden. So bieten immer mehr Dienstleister den Ausdruck von 3D-Datensätzen an. Dabei reicht die Range von einfachen Gebrauchsobjekten bis hin zu ganzen Robotern. Wir berichteten ja bereits über Bob, den ersten Open-Source Roboter aus Düsseldorf …

Auch in der Kunst findet der 3D-Drucker seinen Platz. Der britische Künstler Jonty Hurwitz erschuf mit 3D-Druck zum Beispiel die kleinsten Skulpturen der Welt. 2015 erhielt Hurwitz für die kleinste Darstellung eines menschlichen Körpers sogar einen Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde. Die Skulptur ist gerade mal 100 Mikrometer groß – per Hand also unmöglich herzustellen. Der Künstler ließ sein Fotomodell dafür zunächst scannen, um die Daten anschließend am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) per Multiphotonen-Lithografie ausdrucken zu lassen. Dabei härteten je zwei Photonen winzige Stellen in einem Kunstharz aus, um die Skulptur zu erschaffen. Eine Skulptur, die für das bloße Auge nicht erkennbar ist. Sie musste daher von Rasterelektronenmikroskop fotografiert werden, um überhaupt gesehen und bewundert zu werden. Das Glück war dann auch leider von kurzer Dauer: ein Techniker berührte den Objektträger und zerstörte diese und auch die anderen von Hurwitz erdachten Skulpturen. Dies nur am Rande.

Ob Kunst oder Haushalt, Forschung oder Raumfahrt, die 3D-Drucktechnik gehört sicher zu den vielen technischen Revolutionen, die unseren Alltag nicht nur erleichtern können, sondern auch spannend und kreativ gestalten.