Teil 1:Einleitung

A Grundlagen und Bedeutung der 3D-Druck Technologie

Unter dem Begriff „3D-Druck“ wird die Herstellung dreidimensionaler Objekte in einem additiven Produktionsprozess verstanden. Es handelt sich mithin um eine Form der generativen Fertigung, bei der ein Gegenstand durch das i. d. R. schichtweise Auftragen einzelner Materialschichten erzeugt wird. Meist kommen heute Kunststoffe, Gips oder Metalle in Pulver-, Granulat- oder fester Form sowie flüssige Photopolymere, z. B. Harz, als Materialien zum Einsatz.[1] Die derzeit am weitest verbreiteten Verfahren lassen sich nach der Art des eingesetzten Materials in drei Kategorien unterteilen:

eigene Abbildung

Insoweit handelt es sich bei dieser Technologie eher um einen Produktionsvorgang, der computergestützt durch eine Fertigungsmaschine erfolgt und nicht um einen „Druck“ im herkömmlichen Sinne. Gleichwohl hat sich der Begriff des „3D-Drucks“ im allgemeinen und auch im wissenschaftlich-technischen Sprachgebrauch durchgesetzt und findet daher gleichfalls in dieser Arbeit Verwendung.[2] Die Grundlagen der 3D-Druckverfahren wurden bereits in den 1980er Jahren entwickelt. Charles W. Hull, Gründer des im 3D-Druck Bereich führenden Technologieunternehmens 3D Systems Inc., reichte 1984 seine erste US-Patentschrift für das Polymerisationsverfahren ein[3] und gilt heute als Begründer der 3D-Drucktechnologie[4]. Es folgten weitere 76 US-, 18 europäische sowie 14 japanische Patente für Hull.[5] In den folgenden Jahren wurden die additiven Produktionsverfahren weiterentwickelt und hielten Einzug in industrielle Fertigungsbereiche.

Mit dem Ende der Schutzfrist für wesentliche Patente aus den 1980er Jahren und begünstigt durch eine wachsende „Maker-Szene“, die als Gegenbewegung zur industriellen Massenfertigung das individuelle Basteln, Reparieren und Entwickeln wieder in den Fokus rückt, setzte spätestens seit Beginn der 2010er Jahre eine globale 3D-Druckbgeisterung außerhalb des industriellen Umfelds ein.[6] Dies ist beispielsweise anhand der Häufigkeit von weltweiten Suchanfragen zum Begriff „3d printing“ bei Google in einem Zeitraum von zehn Jahren eindrucksvoll nachzuvollziehen:

Häufigkeit der weltweiten Google Suchanfragen zum Begriff „3d printing“

zwischen September 2005 und September 2015[7]

Nicht zuletzt die seither stark sinkenden Preise für 3D-Drucker und deren Verbrauchsmaterial sowie die durch das Internet getriebenen, offenen Innovationsprozesse, ließen die Fertigungstechnologie für zahlreiche private und gewerbliche Anwender interessant und erschwinglich werden.[8] Gerade für die schnelle Herstellung von Prototypen, das sog. Rapid Prototyping, kommen 3D-Drucker immer häufiger zum Einsatz. So verwundert es kaum, dass der 3D-Druck bereits als die neue industrielle Revolution bezeichnet wurde.[9] Inwieweit diese Terminologie gerechtfertigt ist, soll an dieser Stelle nicht näher erörtert werden.

Festzuhalten ist jedoch, dass der Marktforscher Canalys, den globalen Markt für 3D-Drucker und Verbrauchsmaterial sowie 3D-Druckdienstleistungen im Jahr 2018 auf ein Volumen von 16,2 Mrd. US Doller taxiert.[10] Dies entspräche einem Wachstum gegenüber 2013 von beinahe 650%.[11] Und auch die deutsche Wirtschaft misst dem 3D-Druck Bedeutung bei. So gaben im Jahr 2014 76% der durch den Branchenverband Bitkom befragten ITK-Unternehmen an, dass der 3D-Druck einzelne Branchen stark verändern wird.[12] Eine zunehmende wirtschaftliche Bedeutung der 3D-Drucktechnologie darf vor diesem Hintergrund jedenfalls unterstellt werden.

B Einsatzmöglichkeiten und Verwendungszwecke

Die 3D-Drucktechnologie ist äußerst vielfältig einsetzbar und kommt bereits in verschiedenen Wirtschaftsbereichen zur Anwendung. Exemplarisch für diesen professionellen Einsatz seien der Fertigungsbau, die Robotik, die Luft- und Raumfahrttechnik, der Kraftfahrzeug- und Schiffsbau, die Architektur und Gebäudetechnik sowie die Medizin und Medizintechnik, die Chemietechnik aber auch das Kunst- und Designumfeld genannt.[13] Sicher nimmt dabei das bereits angesprochene[14] Rapid Prototyping während der Produktentwicklung eine herausragende Stellung unter den denkbaren Verwendungszwecken ein. Doch auch die Fertigung unmittelbar nutzbarer Endprodukte stellt ein zunehmend wichtiges Anwendungsgebiet dar. Gerade die Möglichkeiten der Just-In-Time bzw. On-Demand Produktion ohne Lagerhaltung sowie das Herstellen von Objekten unmittelbar am Einsatzort und damit ohne logistische Prozesse sind ökonomisch nutzbare Vorteile für Unternehmen.[15] Unter der Überschrift „Rapid Tooling“ sieht insbesondere das produzierende Gewerbe im 3D-Druck Chancen, die eigenen Produktionsprozesse durch Verkürzung der Herstellung von Werkzeugformen signifikant zu beschleunigen, zu flexibilisieren aber auch kostenseitig zu optimieren.[16]

Doch auch im privaten Bereich ist eine zunehmende Nutzung von 3D-Druckern erkennbar. Waren es vor allem die traditionellen Modellbau- und Modellbahn-Bastler, die in der Technologie eine neue Möglichkeit sahen, ihrem Hobby zu frönen, so traten in der jüngeren Vergangenheit neue Einsatzzwecke für Privatanwender hinzu. So ist es nicht ausgeschlossen, dass selbst das 3D-Drucken von Nahrungsmitteln künftig zum Alltag gehören könnte.[17]

C Prozess der 3D-Replikation

I. Grundlegende Prozessbeschreibung

Als Ausgangsbasis der Objektherstellung dient unabhängig vom jeweiligen Verfahren stets eine digitale Vorlage. Dieser „Bauplan“[18] ist eine 3D CAD Datei, die – unmittelbar – als Konstruktion in einer CAD-Software, durch Umwandlung aus einer digitalen 2D-Vorlage oder – mittelbar – im Wege der Digitalisierung eines Objektes durch einen Scanprozess ensteht.[19] Liegt die 3D CAD Datei vor, wird diese je nach Modell ggf. noch weiter bearbeitet. Der 3D-Druck setzt dabei stets ein sog. Volumenmodell voraus. Dieses ist dadurch gekennzeichnet, dass es wasserdicht ist, d. h. nicht nur aus einzelnen Flächen oder Hüllen, sondern einem vollständig geschlossenen Körper besteht.[20] Das fertige Volumenmodell wird sodann aus der CAD-Software in das standardisierte Datenformat STL exportiert. Die entstehende STL-Datei wird anschließend unter Nutzung spezifischer Software auf Druckbarkeit geprüft und in die sog. Slicer-Software des 3D-Druckers eingespielt. Es folgt der Slicing-Prozess, bei dem das zu produzierende 3D-Modell in einzelne, zweidimensionale Ebenen zerlegt wird[21], die anschließend durch schichtweisen Materialauftrag im 3D-Drucker das gewünschte dreidimensionale Objekt entstehen lassen. In diesem Slicing-Prozess wird ebenfalls der sog. G-Code erstellt. Dieser definiert, an welcher Stelle der 3D-Drucker welche Menge an Material aufzubringen oder zu verfestigen hat. Der G-Code stellt damit eine Maschinenanweisung dar und steuert letztlich den Druckprozess für das gewünschte 3D-Objekt.

II. Eingabemöglichkeiten

1. Eigene Konstruktion

Die Fertigung eines dreidimensionalen Objektes, das in der konkreten Formgebung oder Funktion neuartig ist, erfordert zunächst dessen technische Konstruktion in einer geeigneten Software. Abhängig von der Komplexität des Modells sowie den Fähigkeiten des Konstrukteurs wird zunächst ein zwei- oder unmittelbar ein dreidimensionales Objekt erzeugt. Dieses wird sodann für die Ausgabe in einem 3D-Drucker optimiert. Der Konstrukteur kann dabei aus einer Vielzahl verfügbarer Softwareprogramme wählen, die von kostenfreier Freeware bis hin zu jährlichen Lizenzgebühren im vierstelligen Eurobereich erhältlich sind. Die vollständige Erstellung eines neuen 3D-Modells stellt dabei meist die erste, große Hürde für den Anwender dar[22], da der sichere Umgang mit CAD-Software einiges an Erfahrung und Wissen voraussetzt.

2. Digitalisierung mittels Scan

Wenn es um die Reproduktion eines bereits bestehenden dreidimensionalen Objektes geht, stehen dem Anwender verschiedene Scantechnologien zur Digitalisierung der physischen Vorlage zur Verfügung. Es wird dabei stets die räumliche Oberflächenstruktur des Scanobjektes abgetastet und als digitale Punktewolke an die Scansoftware oder das CAD-Programm übergeben.[23] Anschließend obliegt es dem Anwender, das erfasste Modell weiter zu bearbeiten und für den 3D-Druck zu optimieren.

3. Download von Druckvorlagen

Anwender, die keine eigene Modellkonstruktion oder -bearbeitung vornehmen und stattdessen ein fertig erstelltes und für einen 3D-Drucker optimiertes Modell verwenden wollen, können auf eine zunehmende Anzahl von 3D-Vorlagen zurückgreifen. Diese werden durch...