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Wie funktioniert 3D-Druck?
Das Grundprinzip: Additive Fertigung
Im Grunde funktioniert 3D-Druck nach dem Prinzip der additiven Fertigung, dies bedeutet Folgendes: Im additiven Fertigungsverfahren wird nicht etwa dreidimensional gedruckt, sondern es werden vielmehr zweidimensionale Schichten nacheinander aufgetragen. Eine dreidimensionale CAD-Datei, aus der die Druckschichten errechnet werden, ist die Voraussetzung für den Prozess. Der Aufbau des 3D-Objekts erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen.
Typische Werkstoffe für den 3D-Druck sind:
- Kunststoff
- Kunstharz
- Keramik
- Metall
Beim Auftragen der Schichten entstehen sichtbare Kanten, das Produkt muss daher von Hand nachbearbeitet und gesäubert werden. 3D-Drucker werden sowohl in Industrie und Forschung als auch im Heim-, Unterhaltungsbereich und der Kunst eingesetzt. Es gibt verschiedene Druckverfahren, zwei für die Heimanwendung gängige werden im nächsten Absatz erklärt.
Fused Deposition Modeling und Fused Filament Fabrication
Das für die Heimanwendung gängigste Verfahren ist das “Fused Deposition Modeling” (FDM). Dabei wird geschmolzenes Rohmaterial – in der Regel drahtförmiger Kunststoff – durch eine Düse in Schichten aufgetragen, bis das gewünschte Objekt entsteht. Die Düse ist frei verfahrbar und wird durch Servomotoren gesteuert, sodass der Materialauftrag sehr exakt erfolgen kann. Durch Erkalten erstarrt das Material. Vergleichbar ist die “Fused Filament Fabrication” (FFF). Beide Begriffe stehen für den Auftrag von geschmolzenem Material mittels Extrusion.
Materialien und 3D-Drucker für zuhause
Das Material (Filament), das verarbeitet wird, ist entweder ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder der Bio-Kunststoff PLA (Polyactid-Acid), der auf chemisch aneinandergebundenen Milchsäuremolekülen basiert.
| Merkmale Standard-ABS: | Merkmale PLA: | |
| Schmelztemperatur: | 220 – 250 °C | 185 – 220 °C |
| hitzebeständig: | bis 80 °C,wasserfest | bis 60 °C |
| Einsatzgebiet: | Kunststoffteile für Fahrzeuge, Spielzeug | Artikel, die keiner hohen Temperatur ausgesetzt sind |
Herzstück der Produktion ist natürlich der 3D-Drucker. Und hier hat sich in jüngster Zeit einiges getan. Noch vor wenigen Jahren waren die Geräte exorbitant teuer und der Zusammenbau nur etwas für echte Tekkies. Mittlerweile sind die Drucker, vor allem dank ausgelaufener Patente, erheblich günstiger geworden. Und die aufwendigen Installationen, um den Drucker in Betrieb nehmen zu können, löst immer öfter das benutzerfreundliche Plug-and-play ab. Auch der Bezug der Printer ist einfacher geworden: Elektronik-Märkte wie Conrad, Mediamarkt oder Saturn haben 3D-Drucker im Programm, ebenso der Versandhändler Amazon.
Beispielsweise bei Mediamarkt bekommt man einen 3D-Drucker für den Hausgebrauch ab 400 Euro. Software findet man ebenso im Internet wie Tipps und Anleitungen zum Einstieg. Auch Laien können heute Daten mit einem 3D-Scanner erzeugen und diese mittels einer kostenlosen CAD-Software bearbeiten.
3D-Druck: Was ist möglich?
Im professionellen 3D-Druck sind heute alle möglichen Dinge vorstellbar, sogar die Produktion von Lebensmitteln: In einem Studienprojekt verwendete der Pastahersteller Barilla Teig als Rohmasse zum Drucken neuer Nudelformen. Auch ein fahrtüchtiges Auto aus 3D-Einzelteilen gab es bereits, und in der Medizintechnik arbeitet man an organischen Objekten (Prothesen). In der Industrie existieren Hochleistungsdrucksysteme, die Gips, Holz und Metall verarbeiten.
Diese Anlagen zum Drucken von Metall kosten weit über eine Million Euro. Auch Plastikkarten mit Magnetstreifen und integrierten Chips werden im 3D-Druck erstellt. Im Gegensatz zu diesen Massenprodukten sind beispielsweise Statuen von Personen als Einzelanfertigungen eher der Sonderfall im industriellen dreidimensionalen Druck: Die Produktion ist zu langsam, weil derartige Figuren nach dem Druck von Hand nachbearbeitet und gesäubert werden müssen. Dementsprechend fällt der Tagesumsatz überschaubar aus.
Gibt es Firmen, die 3D-Modelle ausdrucken?
Die Nachfrage nach Dienstleistern, die 3D-Modelle ausdrucken, wächst: Sowohl Endverbraucher als auch branchenfremde Unternehmen (Architekturbüros) haben zunehmend Interesse an 3D-Druckobjekten. Sie können ihre 3D-Drucke von einer offenen Werkstatt, einem sogenannten FabLab, erstellen lassen oder ihre CAD-Daten an Onlineanbieter zu schicken, die sie drucken. Alternativ ersetzen Fotos aus verschiedenen Perspektiven oder eine Webcam und entsprechende Software eine CAD-Datei.
Vorteile des 3D-Drucks
In der industriellen Anwendung setzt sich der 3D-Druck zunehmend durch, auch was die Herstellung von Serienprodukten angeht. Das liegt daran, dass er im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren einfacher oder schneller ist:
- Das für den Spritzguss notwendige, aufwendige Erstellen von Formen entfällt.
- Generell entfallen Bearbeitungen der Urform wie das Schneiden, Drehen und Bohren.
- Energetischer Vorteil: Das Aufbauen des Materials ist nur einmal in der benötigten Größe und Masse erforderlich.
- Für unterschiedliche Bauteile sind keine unterschiedlichen Maschinen mehr notwendig.
- 3D-Drucker können komplexe Geometrien und Formen erzeugen, die mit anderen Maschinen schwer oder nicht erreichbar sind.
Lohnt es sich, 3D-Druck-Dienstleister zu werden?
Die Entwicklung, die sich gerade auf dem Markt abspielt, erinnert an die Zeit, als preisgünstige Tintenstrahldrucker die Privathaushalte eroberten – und die selbst geschossenen Fotos aus der Digitalkamera stolz auf Hochglanz-Papier ausgedruckt wurden. Nur wenig später traten auch schon die ersten Dienstleister auf den Plan, die die Fotos nicht nur in einer höheren Qualität, sondern auch ergänzende Produkte wie Fotobücher, Fotokalender, Fototassen und so weiter anboten. Für diejenigen Unternehmen, die dieses Potenzial frühzeitig erkannten und sowohl Technik als auch Workflow und Vertrieb darauf abstimmten, entwickelte sich dieser Markt zu einer echten Goldgrube.
Druckdienstleister tun also gut daran, die Technologie und Möglichkeiten auch von 3D-Druck und gerade im Hobbysegment zu beobachten. Denn wer sich eine Weile lang einfarbige Figürchen aus Plastik ausgedruckt hat, hegt vielleicht doch irgendwann den Wunsch, das eigene Kind, die Katze oder ein selbst designtes Schmuckstück vom Profi zu erhalten. Ebenso wie im Fotobereich schlummern im 3D-Druck noch jede Menge Produktideen, auf die bislang noch niemand gekommen ist.
Unter bestimmten Voraussetzungen sollten sich für Druckdienstleister lukrative Margen erzielen lassen. Zunächst einmal fließen in die Kalkulation folgende Kosten ein:
- Stundensatzes eines 3D-Drucksystems
- Herstellung eines 3D-Bilds
- Berechnung der Druckdaten
- Material
- Nachbearbeitung und Reinigung
Doch auch die Wertschätzung der Kunden spielt bei der Preisfindung eine Rolle. Diese kann aus der emotionalen Betrachtung kommen, wenn Privatleute beispielsweise Personen, Haustiere oder persönliche Gegenstände als 3D-Modell haben möchten. Die Wertschätzung rührt aber auch aus den Ansprüchen an das Modell, wenn es spektakuläre technische Objekte darstellt, einen großen Seltenheitswert hat oder große Aufmerksamkeit erregt. Hinzu kommt, wenn der Kunde durch das Modell große Ersparnisse hat, sei es an Zeit oder Geld, oder damit einen lukrativen Auftrag gewinnt: In diesen Fällen sollte man als Dienstleister lukrative Margen erzielen können.
Potenzielle Kunden finden 3D-Drucker im B2B-Bereich vornehmlich in der eigenen Region. Für ihre Abnehmer ist von Interesse, dass der Dienstleister von der 3D-Aufnahme an den gesamten Produktionsprozess aus einer Hand liefern kann. Im B2C-Bereich spielt das Internet eine große Rolle für die Kunden. Dementsprechend sollten die Dienstleister beim Aufbau des 3D-Drucks ihre Kompetenz als Online-Anbieter einsetzen.
Professioneller 3D-Druck: Zukunft, Chancen, Märkte
Schon ein Blick ins Internet zeigt, wie stark der 3D-Druck an Bedeutung zugenommen hat: Erhielt man 2014 von Google noch 300 Ergebnisse zur Suchanfrage “3D-Druck”, so sind es im Jahr 2018 sage und schreibe 417.000 Ergebnisse.
Auf dem PrintCongress 2014 war der 3D-Druck ein Hauptthema. Kompetente Referenten zeigten in Vorträgen und einer Podiumsdiskussion, welche Märkte heute bestehen und wie sie sich entwickeln können.
So erklärte beispielsweise Thomas Meurers, Geschäftsführer Ring Grafischer Druckhändler GmbH (RGF): “Ersatzteile müssen nicht immer aus Metall sein. Und wenn ein Kunde in der Nähe schnell etwas aus Plastik braucht, kann man vielleicht helfen.” Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer der Voestalpine Additive Manufacturing Center GmbH, sieht den 3D-Druck zwar als ein sich etablierendes Verfahren, jedoch nicht als Konkurrenz für etwa den Spritzguss: “Der 3D-Druck wird die ganze Prozesskette und Produktpalette ergänzen, aber nicht kannibalisieren.”
Artikel unter Verwendung von Beiträgen von Martina Reinhardt und Kurt K. Wolf.
Erstmals erschienen 2014, letzte Aktualisierung 31.07.2019.