3D-Druck von Baumkuchen bis Bioprinting. Technologieüberblick und Bewertung von Zukunftsaussichten

Trabajo de Seminario , 2016 , 54 Páginas , Calificación: 1,0

Informática - Informatica de negocios

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit 3D-Druck: Den Begriffen und Verfahren sowie den Auswirkungen auf verschiedene Bereiche heute und in Zukunft.

Dafür wird in Kapitel 1 zunächst der Hintergrund der Arbeit erläutert.

Anschließend wird in Kapitel 2 kurz die Geschichte des 3D-Drucks mit den wichtigsten Daten wiedergegeben.
Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit beginnt mit Kapitel 3, welches zunächst die wichtigsten Begriffe aus dem Umfeld des 3D-Drucks erläutert, ehe einige ausgewählte Druckverfahren genauer vorgestellt werden. Auch eine kurze Übersicht über die Materialien, die für den Druck genutzt werden, wird gegeben. Zuletzt wird die Problematik der Nomenklatur einiger Druckverfahren sowie anderer Begriffe erläutert.

Als Nächstes wird in Kapitel 4 auf die Anwendungsmöglichkeiten eingegangen, die sich gegenwärtig bereits für 3D-Drucker bieten und welche Auswirkungen sich durch sie für die jeweiligen Branchen ergeben. Dabei reicht das Spektrum von der industriellen Fertigung über die Logistik und Mode bis hin zum medizinischen Bereich.

Zuletzt werden in Kapitel 5 die Zukunftsaussichten für den 3D-Druck in den ausgewählten Bereichen dargelegt. Dabei werden die Branchen aus Kapitel 4 soweit als möglich erneut aufgegriffen oder erweitert, um etwa auch den potenziellen Einsatz im Militär sowie Bioprinting einzuschließen.
Abschließend wird in Kapitel 6 ein Fazit gezogen.

Inhaltsverzeichnis

1 Hintergrund der Arbeit

2 Geschichte des 3D-Drucks

3 Druckverfahren und -materialien
3.1 Begriffserklärung
3.1.1 Additive Manufacturing (AM) und Generative Fertigungverfahren . .
3.1.2 Rapid Prototyping (RP)
3.1.3 Rapid Tooling (RT)
3.1.4 Rapid Manufacturing (RM)
3.1.5 Rapid-Verfahren im Produktentstehungsprozess .
3.2 Druckverfahren
3.2.1 Fused Deposition Modeling (FDM)
3.2.2 Selective Laser Sintering (SLS)
3.2.3 Weitere Verfahren
3.3 Druckmaterialien
3.4 Klassifizierung der Verfahren nach Aggregatzustand
3.5 Problematik der Nomenklatur

4 3D-Druck in der praktischen Anwendung
4.1 3D-Druck nutzende Branchen
4.2 Industrielle Fertigung
4.3 Logistik
4.4 Alltägliches: Mode, Lebensmittel - und Häuser
4.5 Funktionierende Schusswaffen
4.6 Medizinischer Bereich

5 Zukunftsaussichten des 3D-Drucks
5.1 Die Entwicklung im privaten Bereich
5.2 Auswirkungen auf Fertigung und Logistik
5.3 Lebensmittel-Druck
5.4 Einsatz im Militär
5.5 Bioprinting

6 Fazit

A Anhang 1: Würfelergebnisse

B Anhang 2: Fotos

Literatur

Magazin

Sonstige schriftliche Quellen

Internetquellen

Abbildungsverzeichnis

2.1 Funktionsweise der Stereolithographie nach U.S. Patent 4.575.330

2.2 Gartner Hype-Zyklus

3.1 Rapid-Verfahren innerhalb des Produktentstehungsprozesses

3.2 Verdeutlichung der Funktionsweise von FDM

3.3 Stützkonstruktion

3.4 Nudel-3D-Drucker der Firma Barilla

4.1 Druckerzeugnis aus Zucker

4.2 3D-gedrucktes Implantat mit horizontaler Achse

5.1 3D-gedruckter Oktopus aus Kartoffelbrei

B.1 Eigene Darstellung: Entstehung der Würfel während des Druckens

B.2 Eigene Darstellung: Würfel nach Beendigung des Drucks

B.3 Eigene Darstellung: 30 % Füllung des Hohlraumes

B.4 Eigene Darstellung: Vergleich der '6'-Seite: Würfel mit '6' (links) und '1' (rechts) als Druckunterseite

Tabellenverzeichnis

3.1 Tabellarische Übersicht der 3D-Druckverfahren mit festem Ausgangsmaterial

3.2 Tabellarische Übersicht der 3D-Druckverfahren mit flüssigem und gasförmigen Ausgangsmaterial

A.1 Würfelergebnisse

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit 3D-Druck: Den Begriffen und Verfahren sowie den Auswirkungen auf verschiedene Bereiche heute und in Zukunft.

Dafür wird in Kapitel 1 zunächst der Hintergrund der Arbeit erläutert. Anschließend wird in Kapitel 2 kurz die Geschichte des 3D-Drucks mit den wichtigsten Daten wiedergegeben.

Der Hauptteil der vorliegenden Arbeit beginnt mit Kapitel 3, welches zunächst die wichtigs ten Begriffe aus dem Umfeld des 3D-Drucks erläutert, ehe einige ausgewählte Druckverfahren genauer vorgestellt werden. Auch eine kurze Übersicht über die Materialien, die für den Druck genutzt werden, wird gegeben. Zuletzt wird die Problematik der Nomenklatur einiger Druckverfahren sowie anderer Begriffe erläutert.

Als Nächstes wird in Kapitel 4 auf die Anwendungsmöglichkeiten eingegangen, die sich gegenwärtig bereits für 3D-Drucker bieten und welche Auswirkungen sich durch sie für die jeweiligen Branchen ergeben. Dabei reicht das Spektrum von der industriellen Fertigung über die Logistik und Mode bis hin zum medizinischen Bereich.

Zuletzt werden in Kapitel 5 die Zukunftsaussichten für den 3D-Druck in den ausgewählten Bereichen dargelegt. Dabei werden die Branchen aus Kapitel 4 soweit als möglich erneut aufgegriffen oder erweitert, um etwa auch den potenziellen Einsatz im Militär sowie Bio printing einzuschließen.

Abschließend wird in Kapitel 6 ein Fazit gezogen.

Schlagworte: 3D-Druck, Additive Fertigung, Additive Manufacturing, Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing

Einleitende Erklärung

Zur besseren Lesbarkeit wird in dieser Arbeit generell die maskuline Form verwendet.

Sämtliche Personenbezeichnungen gelten gleichwohl für beide Geschlechter.

Des Weiteren werden Begriffe, deren Bedeutung relevant, aber unter Umständen nicht allgemein bekannt sind, in der Fußnote erklärt. Diese sind daran erkennbar, dass der Fußnotenanker in Klammern steht. Auch Anmerkungen zu Begriffen sind auf diese Weise gekennzeichnet.

1 Hintergrund der Arbeit

Das Thema 3D-Druck ist in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit gerückt. So sind beispielsweise laut des Anfang 2014 veröffentlichten Ergeb nisses einer im Namen des Bundesverbandes Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. (Bitkom) durchgeführten Studie 20 % der Deutschen Bundesbürger an einem 3D-Drucker interessiert. Unter den 14- bis 49-jährigen sind es sogar 25 %.¹ Nach einer weiteren, 2015 von TNS Emnid im Auftrag der Firma reichelt elektronik durch geführten, Untersuchung, können sich zwei Drittel der Deutschen, die bisher keinen 3D- Drucker besitzen, vorstellen, privat einen solchen nutzen. Die angegebenen Hauptanwen dungsgebiete wären dabei die Herstellung von Deko-Artikeln (54 %), Hobby-Artikeln (53 %) und Ersatzteilen (48 %) nach Vorlagen aus dem Internet (Mehrfachnennungen möglich).²

Von den von TNS Emnid Befragten sind 10 % „entschlossen, sich auf jeden Fall einen 3D- Drucker anzuschaffen“.³ Einer der Hauptgründe dafür ist, dass immer mehr Hersteller erschwingliche 3D-Drucker für Privatanwender auf den Markt bringen. So lag 2014 die Preisspanne von elf durch Philip Steffan in der Computerfachzeitschrift c’t getesteten Geräten zwischen 375 und 2.300 €.⁴

„Zu sinkenden Preisen wird in allen möglichen Verfahren in immer besser werdender Druck-Qualität produziert. Gleichzeitig wächst die Auswahl an 3D-Druck-Materialien, die Dienstleister-Plattformen werden zunehmend anwenderfreundlicher und die Lieferzeiten der 3D-Druck-Dienstleister kontinuierlich kürzer.“⁵ Somit wird auf dem Markt „für Privatkunden ein fast monatlich attraktiver werdendes Angebot“⁶ geschaffen.

Teilnehmer einer Studie des IFI Institutes für Innovationsmanagement an der Johannes Kepler Universität in Linz wurden 2014 mit Hilfe eines Online-Fragebogens dazu befragt, wie sehr sie in den nächsten 10 Jahren in verschiedenen Branchen aus Industrie und Dienst- leistung Förderungen bzw. Behinderungen erwarten. Über 10 % der Befragten rechneten mit einer hinderlichen Wirkung in den Bereichen Verkehr und Lagerei, Post- Kurier- und Expressdienste sowie dem Handel. Zugleich gingen jedoch etwa 30 % von einer positiven Beeinflussung in jedem der drei Bereiche aus. Mit positiver Auswirkung rechneten über 90 % der Studienteilnehmer in den Bereichen Kraftwagen- und Fahrzeugbau, Gesundheitswesen sowie Forschung und Entwicklung. Nahezu unbeeinflusst blieben die Finanz- und Versiche- rungsdienstleistungen sowie die Beherbergung und Gastronomie, bei denen über 70% der Befragten von einer „neutralen Wirkung“des 3D-Drucks ausgingen.⁷

Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Überblick über den aktuellen Stand des Themenfeldes „3D-Druck“ zu geben. Dabei werden unter anderem einige Druckverfahren vorgestellt, um zunächst zu verdeutlichen, wie 3D-Druck funktioniert und dass es „den 3D-Druck“nicht gibt. Des Weiteren werden die tatsächlichen, derzeitigen Auswirkungen auf einige Branchen analysiert. Abschließend werden ausgewählte Zukunftsaussichten skizziert.

2 Geschichte des 3D-Drucks

Der Großteil der für diese Arbeit herangezogenen Quellen geht nicht auf die Geschichte des 3D-Drucks ein. Die wenigen, die sich mit seinem Ursprung befassen, beginnen stets in den 80er Jahren.⁸,⁹ Dies mag für moderne Materialien zutreffen, jedoch ist das allen 3D-Druckern zugrunde liegende Verfahren, das verwendete Material schichtweise auf das Werkstück aufzutragen, weitaus älter. Es fand bereits Endes des 17. Jahrhundert Anwendung: Bei der Herstellung von Baumkuchen. Dieser wird produziert indem flüssiger Teig „Schicht für Schicht [. . . ] auf eine Walze aufgetragen [wird], während sich die Walze bei kleinem Feuer dreht [. . . ].“¹⁰ Das Ergebnis dieser Produktionsmethode ist wohlschmeckend und optisch ansprechend.

Im Jahr 1983 erfand Charles 'Chuck' Hull das Stereolithografie-Verfahren, des- sen Patent Apparatus for production of three- dimensional objects by stereolithography am 08. August 1984 angemeldet wurde, ehe er 1986 seine Firma 3D Systems gründete¹², die bis heute aktiv im 3D-Druck- Geschäft tätig ist. Abbildung 2.1 zeigt eine Seite der grafischen Beschreibung seines Patents.

Am 17. Oktober 1986 folgte die Pa- tentierung des Selective Laser Sintering- Verfahrens mit dem Patent Method for se- lective laser sintering with layerwise cross- scanning¹³ von Deckard, Beaman und Darrah und am 30. Oktober 1989 meldete Stratasys das Patent Apparatus and method for creating three-dimensional ob- jects¹⁴ an, welches zugleich auch zum ersten Mal den bis heute geschützten Be- griff Fused Deposition Modeling verwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Funktionsweise der Stereolithographie nach U.S. Patent 4.575.330 ¹¹

2 Geschichte des 3D-Drucks

Im gleichen Jahr wurde in Krailling bei München die EOS GmbH gegründet¹⁵, ein deut- sches Unternehmen, welches heute als Weltmarktführer im Bereich des Lasersinterns gilt.¹⁶,¹⁷

In den nächsten Jahren wurden eine Reihe weiterer Patente für verschiedene 3D-Druck verfahren angemeldet und weitere Firmen gegründet, von denen heute jedoch nur noch drei existieren - 3D Systems, EOS und Stratasys.¹⁸ Der Fokus des 3D-Drucks lag zu dieser Zeit noch auf der industriellen Fertigung von Prototypen. Die Fertigung von Werkzeugen und fertigen Werksstücken kam um diese Zeit erst langsam auf.¹⁹

2004 lief der Patentschutz des Stereolithografie-Patents aus.²⁰ Im gleichen Jahr hatte Adrian Bowyer die Idee, einen preiswerten 3D-Drucker zu schaffen, mit dem „jeder Einzelne die Dinge, die er braucht, selbst herstellen könnte. Dies würde den Menschen zu Reichtum ver- helfen, ganz ohne Abhängigkeit von der Industrie.“²¹ Das dazugehörige Open-Source-Projekt wurde 2005 initiiert.²² Sowohl die Konstruktionspläne als auch die Software wurden unter der GNU General Public Licence veröffentlicht.²³ Dieser als Replicating Rapid-Prototyper (RepRap) bezeichnete 3D-Drucker druckte am 29. Mai 2008 fast alle benötigten Teile, um daraus einen weiteren RepRap zu konstruieren, der nach seinem Zusammenbau das erste „Enkelkind“ in Form eines weiteren RepRaps druckte.²⁴

2009 endete der Patentschutz von Fused Deposition Modeling.²⁵ Von diesem Zeitpunkt an beschleunigte sich die Entwicklung. Im gleichen Jahr entstand mit dem ChocALM ein erster Prototyp für einen auf Schokolade ausgelegten 3D-Drucker.²⁶ 2011 druckte Dr. An- thony Atala einen Prototypen für eine Niere aus lebenden Zellen.²⁷ Anfang 2012 folgte der Markteintritt für den Imagine 3D Printer von Essential Dynamics, der erste serienreife 3D-Drucker für Lebensmittel wie Schokolade und Käse.²⁸,²⁹ 2013 wurde unter dem Namen Liberator die erste funktionstüchtige Waffe gedruckt und erfolgreich abgeschossen.³⁰

Der Patentschutz des Selective Laser Sintering, derzeit das führende Verfahren in der Industrie³¹, lief 2014 aus.³²

2 Geschichte des 3D-Drucks

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Gartner Hype-Zyklus³³

Im Jahr 2015 wurde von dem Marktforschungsunternehmen Gartner ein Hype-Zyklus speziell für 3D-Druck veröffentlicht. Laut diesem haben die Herstellung von Prototypen und Hörgeräten das Plateau der Produktivität (Plateau of Productivity) nahezu erreicht, während beispielsweise Bioprinting sich noch auf dem Weg vom Technischen Auslöser (Innovation Trigger) zum Gipfel der überzogenen Erwartungen (Peak of Inflated Expectations) befindet.³⁴ Grafik 2.2 zeigt die Einschätzung der verschiedenen Bereiche des 3D-Drucks nach Gartner.

Dabei zeigt die Y-Achse die Höhe der Erwartung, während die X-Achse den zeitlichen Verlauf seit Bekanntgabe des jeweiligen Produkts/Themas darstellt.

3 Druckverfahren und -materialien

Bei 3D-Druckverfahren wird zwischen mehreren, grundsätzlich verschiedenen Techniken unterschieden. So listet beispielsweise die Fachautorin Petra Fastermann 16 verschiedene 3D-Druckverfahren auf.³⁵ Alle derzeit auf dem Markt oder in der Forschung existierenden Verfahren vorzustellen, würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, sodass hier nur die geläufigsten der heute im Einsatz befindlichen dargestellt werden.

Davor ist es jedoch nötig, eine Übersicht über die gängigen Begriffe der Branche zu geben.

3.1 Begriffserklärung

Im Bereich des industriellen 3D-Drucks gibt es mehrere häufig genannte Termini, die sich auf den ersten Blick sehr ähneln, jedoch unterschiedliche Bedeutungen haben. Einige davon werden in diesem Kapitel näher betrachtet. Diese Begriffe sind Rapid Prototyping, Rapid Tooling sowie Rapid Manufacturing. Auch Additive Fertigung/Additive Manufacturing und Generative Fertigungverfahren werden in diesem Zusammenhang oft verwendet.

3.1.1 Additive Manufacturing (AM) und Generative Fertigungverfahren

Im Deutschen auch als Additive Fertigung bezeichnet, ist Additive Manufacturing (AM) der Oberbegriff, unter dem alle Schichtbauverfahren zusammengefasst werden.³⁶ Diese Verfahren „[. . . ] schaffen die gewünschte Geometrie durch Aneinanderfügen von Volumen elementen. Man nennt sie Schichtbauverfahren, [weil] die Geometrie aus einzelnen Schichten zusammengesetzt wird.“³⁷ Vereinfacht ausgedrückt wird das Objekt von unten nach oben aufgebaut, indem immer eine neue Schicht Material auf die bereits vorhandenen Schichten aufgetragen wird. Additive Fertigung steht dabei im Gegensatz zu „klassischen subtraktiven Fertigungsverfahren wie Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material abgetragen wird, um das endgültige Bauteil zu erzeugen.“³⁸

Fast alle herangezogenen Quellen nutzen Generative Fertigung als Synonym für AM. Lediglich Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt unterscheidet zwischen den beiden Begriffen. Laut ihm liegt der Unterschied darin, dass generative Fertigungsverfahren die additive Fertigung automatisiert übernehmen können und dass „auch die Stoffeigenschaften während des Her stellungsprozesses entstehen.“Allerdings gibt auch Gebhardt zu, dass diese Entscheidung in der Praxis nicht getroffen wird.³⁹

In vorliegender Arbeit werden die Begriffe additiv und generativ ebenfalls synonym verwen- det und Additive bzw. Generative Fertigung vereinfachend als 3D-Druck oder Druck bezeichnet.

3.1.2 Rapid Prototyping (RP)

Oft als Synonym für additive Fertigung verwendet⁴⁰, bezeichnet Rapid Prototyping (RP) eigentlich „die Anwendung generativer Fertigungsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Modellen oder Prototypen.“⁴¹ Somit ist RP nur ein Teilbereich des 3D- Drucks für die Konzeptions- und Prototyping-Phase.

3.1.3 Rapid Tooling (RT)

Auch Rapid Tooling (RT) wird fälschlicherweise ebenfalls als Synonym für additive Fertigung genutzt. Korrekterweise bezeichnet es jedoch die Fertigung von Werkzeugen per 3D-Druck.⁴² Das kann entweder durch den direkten Druck des Werkzeugs oder durch den Druck der Negativ-Form geschehen.⁴³

3.1.4 Rapid Manufacturing (RM)

Oftmals ebenso mit additiver Fertigung gleichgesetzt, ist Rapid Manufacturing (RM) eigentlich nur auf die Herstellung fertiger Produkte bezogen. Bei diesen Produkten kann es sich sowohl um Einzelstücke als auch Serienproduktionen handeln. Dabei ist es unwichtig, ob das Produkt in einem Arbeitsgang vollständig gedruckt oder aus mehreren gedruckten Teilen zusammengefügt wird.⁴⁴

3.1.5 Rapid-Verfahren im Produktentstehungsprozess

Abbildung 3.1 zeigt die Verwendung der eben vorgestellten Rapid-Verfahren innerhalb des Produktentstehungsprozesses.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1 Rapid-Verfahren innerhalb des Produktentstehungsprozesses⁴⁵

3.2 Druckverfahren

Claire Warnier u. a. unterteilen in ihrem Buch Dinge drucken die 3D-Druckverfahren in zwei Hauptkategorien. Dabei handelt sich sich um auf Bindeverfahren beziehungsweise auf Abscheidungsprozessen basierende Verfahren.

Auf Abscheidungsprozessen basieren alle Techniken, die ein verflüssigtes Material in dünnen Schichten auf eine Platte auftragen. Für Überhänge werden hierbei Stützkonstruktionen benötigt. Bindeverfahren hingegen beginnen mit einer anfangs vorhandenen Schicht eines zumeist pulverförmigen Ausgangsmaterials, welches in Form „gebunden“ wird, wobei nicht gebundenes Material nach Ende des Drucks entfernt werden kann.⁴⁶

Im Folgenden werden das auf Abscheidungsprozessen basierende Schmelzschicht-Verfahren, sowie das Bindeverfahren des Selektiven Lasersinterns näher vorgestellt, da diese zu den wichtigsten in der 3D-Druck-Branche gehören.⁴⁷ Des Weiteren werden unter 3.2.3 drei weitere Verfahren kurz angeschnitten, um einen Einblick in einige weitere der am Markt befindlichen 3D-Druck-Techniken zu geben. Am Ende jedes Unterkapitels werden kurz die Vor- und Nachteile des jeweiligen Verfahrens aufgezeigt. Da, wie bereits zu Beginn dieses Kapitels erklärt, eine große Vielfalt an Verfahren existiert, muss auf eine vollständige Übersicht in dieser Arbeit verzichtet werden.

3.2.1 Fused Deposition Modeling (FDM)

Auch Schmelzschicht-Verfahren, Fused Layer Modeling (FLM) oder Fused Filament Fabrication (FFF)(⁴⁸ ) genannt, ist Fused Deposition Modeling (FDM) das Verfahren, welches in den meisten 3D-Druckern für Privatanwender Anwendung findet.⁴⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2 Verdeutlichung der Funktionsweise von FDM⁵⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.3 Stützkonstruktion⁵¹

Dieses Verfahren funktioniert nur mit Werkstoffen, welche bei Erhitzung weich und verformbar werden, etwa „thermoplastische Kunststoffe wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien- Styrol (ABS) oder Polylactid (PLA), aber auch Modellierwachs und Schokolade.“⁵² Dabei wird das Material erst in der Düse des Druckers erhitzt und von dort in der X- und Y-Achse in einer dünnen Schicht auf die Druckplatte aufgetragen. Sobald die unterste Schicht vollständig und getrocknet ist, fährt die Plattform in der Z-Achse eine Schichthöhe nach unten, sodass die zweite Schicht auf die erste aufgetragen werden kann. So entsteht nach und nach das gewünschte Objekt von unten nach oben.⁵³ Abbildung 3.2 verdeutlicht dieses Vorgehen.

Bei größeren Überhängen ist es, wie bereits in Kapitel 3.2 erwähnt, nötig, Stützkonstruktio nen zu erstellen, da das weiche Material nicht sofort erstarrt und nach unten wegknicken oder abbrechen könnte. Auch Bauteile, die sonst anfangs freischwebend wären, werden von Stützkonstruktionen gehalten. Diese Stützkonstruktionen müssen nach dem Druck entfernt werden.⁵⁴ Ein Beispiel dafür zeigt Abbildung 3.3.

Im Zusammenhang mit dieser Technik werden auch oft die Begriffe Extrusion sowie Extruder verwendet. Extrusion(⁵⁵ ) bedeutet, dass „Kunststoffe oder andere zähflüssige, härtbare Materialien in einem kontinuierlichen Verfahren durch eine Düse gepresst“⁵⁶ werden. Bei dem Extruder handelt es sich entsprechend um die Düse oder den Druckkopf.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei sechsseitige Würfel im FDM-Verfahren gedruckt. Dazu wurde eine Vorlage aus dem Internet genutzt, die möglichst ausbalancierte Würfel ergeben sollte. Gedruckt wurden sie von einem gewerblichem Anbieter mit professionellem 3D-Drucker. Die Maße waren die Standard-Maße mit einer Seitenlänge von je 16 mm. Der Innenraum wurde nur zu 30 % befüllt. Trotzdem betrugen die Kosten je Würfel etwa 5 €. Eine Versuchsreihe ergab, dass die Würfel nach dem Druck nicht gleichmäßig würfelten.

Beide wiesen eine leichte Tendenz zur '2' auf, was jedoch vermutlich durch einen Fehler in der Vorlage bedingt war. Auffällig war hingegen, dass beide Würfel seltener die Seite zeigten, die sich beim Drucken unten befand. Bei einem Würfel war dies die '1', bei dem anderen die '6', sodass ein weiterer Fehler in der Vorlage ausgeschlossen werden konnte. Die erwürfelten Zahlen der Versuchsreihe können Anhang A entnommen werden.

Die gesamte Produktionszeit betrug nahezu drei Stunden, wovon nur knapp 45 Minuten für den eigentlichen Druck benötigt wurden. Die Nachbearbeitungszeit, bei welcher die Oberfläche in Aceton-Dämpfen geglättet wurde, betrug etwas über eine Stunde. Die restliche Zeit entfiel auf die Aufwärmphase des Druckers.

Vorteile⁵⁷: stabile Objekte, relativ kostengünstig, große Materialvielfalt Nachteile⁵⁸: sichtbare Riffelung, Stützkonstruktionen erforderlich, Nachbearbeitung notwen- dig

3.2.2 Selective Laser Sintering (SLS)

Gegenüber dem soeben beschriebenen FDM, hat das auch als Laser-Sintern bezeichnete Selective Laser Sintering (SLS) (in manchen Quellen auch Direct Metal Laser Sintering (DMLS) für metallene Werkstoffe) den Vorteil, dass keine Stützkonstruktionen benötigt werden. Beim SLS wird eine dünne Schicht eines pulverförmigen Ausgangsmaterials auf die Druckplatte aufgetragen, welches gezielt durch die Bestrahlung mit Lasern verschmolzen oder gesintert(⁵⁹ ) wird. Hierbei handelt es sich um die derzeit führende Technik zur Herstellung von Funktionsteilen in der Industrie.⁶⁰

Einige der verwendeten Pulver bestehen aus einem Gemisch von zwei Materialien: Dem Strukturmaterial (in der Regel Metall oder Keramik), welches einen hohen Schmelzpunkt aufweist und dem Bindematerial, das über einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt verfügt. Der Laser erhitzt beide Materialien, bringt jedoch nur das Bindematerial zum schmelzen. Derart verflüssigt füllt es die Hohlräume im Granulat des Strukturmaterials und verbindet dieses, wenn es wieder aushärtet. Die Vorteile dieses gemischten Pulvers gegenüber einheitlichen sind eine schnellere erste Verbindung und sehr gute mechanische Eigenschaften der fertiggestellten Objekte.⁶¹

Überschüssiges Pulver, das nicht Teil des fertigen Objekts ist, übernimmt die Aufgabe der Stützkonstruktion, da es während des gesamten Fertigungsprozesses liegen bleibt. Nach Abschluss des Drucks wird das überschüssige Pulver entfernt und kann im nächsten Druckvorgang wiederverwendet werden.⁶²

Auf diese Weise gedruckte Objekte weisen oft eine raue, sandpapierartige Oberfläche auf, zeichnen sich jedoch durch hohe Robustheit aus. Zusätzlich ist es durch sehr feine Laser möglich, sehr filigrane Objekte zu drucken.⁶³

Vorteile⁶⁴: keine Stützkonstruktionen notwendig, große Materialvielfalt, hohe Robustheit Nachteile⁶⁵: raue Oberfläche, nur einfarbige Modelle möglich, langsam

3.2.3 Weitere Verfahren

Stereolithografie (STL)

Wie in Kapitel 2 beschrieben, gilt Stereolithografie (STL) als „Mutter aller 3D-Druck Ver- fahren.“⁶⁶ Sie ähnelt dem eben vorgestellten SLS, jedoch mit dem Unterschied, dass das Ausgangsmaterial in flüssiger Form vorliegt und die Druckplatte sich nach und nach in dem Flüssigkeitsbad absenkt. Begonnen wird der Prozess mit einer dünnen Schicht des flüssigen Ausgangsmaterials, aus der die unterste Schicht des Objekts mit einem oberhalb positionierten Laser verfestigt wird. Daraufhin senkt sich die Platte um eine Schichttiefe ab, sodass Flüssigkeit nachfließen und der Laser die nächsthöhere Schicht an den passenden Stellen aushärten kann.⁶⁷ Dieser Vorgang wird sooft wiederholt, bis das Objekt in einem Bad aus Flüssigkeit fertiggestellt ist. „Dabei müssen Stützkonstruktionen am Objekt angebracht werden, damit dieses im Bad nicht schwimmt.“⁶⁸ Auch Verformung wird auf diese Weise verhindert. Die nicht verwendete Flüssigkeit kann in einem späteren Druckvorgang wiederverwendet werden.

Alternativ existieren STL-Drucker, bei denen der Laser unter dem Becken platziert ist. Die bewegliche Bauplattform senkt sich dabei im ersten Schritt ganz dicht an den gläsernen Boden heran und hebt sich im Laufe des Druckvorgangs langsam.⁶⁹ Nach Auskunft von Alfred Tüllmann, Geschäftsführer der A.T. Consulting & Business Development GmbH in Bad Aibling, die unter anderem professionelle 3D-Scans und -Drucke anbietet, hat dies zwei Vorteile: Zum einen lässt sich damit eine höhere Genauigkeit bei den Modellen erreichen.

Zum anderen verringert sich der Materialbedarf, da der Flüssigkeitsbehälter nicht mehr dem Bauraum entspricht und somit keine zusätzliche Flüssigkeit benötigt, nur um ganz ausgefüllt zu sein. Laut Gebhardt weisen die so entstehenden Modelle „den höchsten Detailreichtum und die besten Oberflächen“auf.⁷⁰

Vorteile⁷¹: detaillierte und komplexe Formen möglich, transparente Objekte möglich Nachteile⁷²: Nachbearbeitung mit UV nötig, nur Kunststoffe/Harze als Material möglich Film Transfer Imaging (FTI) Es existiert eine große Anzahl an relativ neuen Verfahren, die als solche noch dem Pa- tentschutz unterliegen. Film Transfer Imaging (FTI) soll als solches beispielhaft vorgestellt werden.

FTI funktioniert ebenfalls durch Aushärtung eines flüssigen Ausgangsmaterials. Anders als bei dem soeben vorgestellten STL wird hier jedoch kein Becken voller Flüssigkeit benötigt. Stattdessen wird jede Schicht des Photopolymer-Baumaterials über eine Transportfolie in den 3 Druckverfahren und -materialien Bauraum transportiert. Dort wird der gesamte gewünschte Bereich gleichzeitig mit einem Beamer von unten belichtet, wodurch das Photopolymer aushärtet. Dieses löst sich von der Trägerfolie ab, wenn die Bauplattform nach oben angehoben wird, um es der Transportfolie zu ermöglichen, sich um eine Bauraumabmessung weiterzubewegen oder, je nach System, durch einen Wischer neu beschichtet zu werden. Am Ende des Druckvorgangs wird die Folie ausgetauscht.⁷³,⁷⁴ Das bekanntere Digital Light Processing (DLP) funktioniert fast identisch. Vorteile⁷⁵: hohe Genauigkeit, gute Qualität der Druckerzeugnisse Nachteile⁷⁶: Stützkonstruktionen aufwendig zu entfernen, materialintensiv (verglichen mit STL)

Pulverdruck

Alternativ als Inkjet Powder Printing oder Pulverschichtdruck bezeichnet, arbeitet der Pul- verdruck mit einem pulverförmigen Ausgangsmaterial. Dieses wird mit einem Bindemittel schichtweise verklebt. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass verschiedene Farben gedruckt werden können, indem dem Bindemittel ein entsprechender Farbstoff beigemischt wird.⁷⁷ Vorteile⁷⁸: keine Stützstrukturen notwendig, vielfarbige Objekte möglich Nachteile⁷⁹: teilweise geringe Belastbarkeit der Druckerzeugnisse, raue Oberfläche

Schicht-Laminat-Verfahren

Auch Foliendruck, Laminated Object Manufacturing (LOM) oder Layer Laminated Ma- nufacturing (LLM) genannt, funktioniert dieses Verfahren, indem dünne Schichten des

Ausgangsmaterials (u. a. Papier, Kunststoff, Aluminium) auf die vorhergehende Schicht lami- niert und mithilfe eines Lasers auf die gewünschte Form zugeschnitten werden.⁸⁰ Laminiert heißt in diesem Fall, dass jeweils zwei Schichten des verwendeten Materials mit einer dünnen Schicht Klebstoff verbunden werden.⁸¹ Stützen werden nicht benötigt, da abgeschnittenes Material als Stützmaterial liegengelassen werden kann.⁸² Dieses Verfahren ist jedoch nicht, wie die anderen 3D-Druckverfahren, rein additiv, da als wesentlicher Bearbeitungsschritt

überschüssiges Material abgeschnitten und nach dem Druckvorgang weggeworfen werden muss.

Vorteile⁸³: kostengünstig, schnelle Herstellung 'massiver' Druckerzeugnisse

Nachteile⁸⁴: abgeschnittenes Material kann nicht wiederverwendet werden, Herstellung von Hohlräumen schwierig

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.4 Nudel-3D-Drucker der Firma Barilla⁸⁵

3.3 Druckmaterialien

Für den privaten Bereich werden im Moment fast ausschließlich 3D-Drucker, die mit Kunst- stoffen wie ABS oder PLA arbeiten, angeboten. Dabei handelt es sich in der Regel um Filamente(⁸⁶ ). Industrie-3D-Drucker sind im Gegensatz dazu in der Lage, eine Vielzahl an verschiedenen Materialien zu verarbeiten, deren Eigenschaften schon allein bei den Kunst- stoffen „von gummiartig bis fest, von transparent bis blickdicht, von neutral bis lebhaft bunt, von Standardkunststoffen bis hin zu bioverträglichen Kunststoffen reichen.“⁸⁷ Diese Drucker sind für Privatanwender aus finanziellen und Platzgründen in der Regel nicht geeignet.

Weitere Materialien, die für die verschiedenen Typen von 3D-Druckern erworben werden können, sind unter anderem Metalle wie Kupfer oder Bronze, verschiedene andere Kunst- fasern wie etwa Nylon und holzähnliche Stoffe wie Laywood, einer Mischung aus „40 % recycelten Holzfasern und einem polymeren Bindemittel.“⁸⁸

Auch die ersten Lebensmittel lassen sich, wie bereits im Kapitel 2 erwähnt, mit 3D-Druckern drucken. Abbildung 3.4 zeigt einen 3D-Druck von Nudeln. Das Magazin 3Druck listete am 23. September 2015 auf seiner Webseite über 440 verschiedene Materialien⁸⁹, wobei diese Liste keine Lebensmittel oder Materialien aus dem medizinischen Bereich enthält.

3.4 Klassifizierung der Verfahren nach Aggregatzustand

Tabelle 3.1 Tabellarische Übersicht der 3D-Druckverfahren mit festem Ausgangsmaterial⁹⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3.2 Tabellarische Übersicht der 3D-Druckverfahren mit flüssigem und gasförmigen Ausgangs- material⁹¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellen 3.1 und 3.2 einige nach Aggregatzustand und stofflicher Form sortierte Ausgangs- materialien. Dazu werden die allgemeinen Druckverfahren mit ihrem jeweiligen Verfesti- gungsmechanismus und mögliche Werkstoffe gelistet.

3.5 Problematik der Nomenklatur

Eine Herausforderung, die sich im Zuge dieser Arbeit ergeben hat, sind die sehr unterschiedlichen Benennungen und Abkürzungen identischer Verfahren. Einige davon wurden in Kapitel 3.2 bereits angesprochen. Des Weiteren wird das Verfahren der Stereolithografie in verschiedenen Quellen sowohl als SLA⁹² als auch als SL⁹³ abgekürzt. Auch gibt es je nach Quelle unterschiedliche Angaben darüber, ob ein abschließendes M in den Abkürzungen für Modeling oder Manufacturing steht.⁹⁴ Somit kann beispielsweise LLM sowohl als Layer Laminated Modeling als auch als Layer Laminated Manufacturing bezeichnet werden. Eine alternative Bezeichnung für Selective Laser Sintering ist Laser-Sintern, welches entsprechend als SL abgekürzt wird.⁹⁵ Weiterhin kommt hinzu, dass der in 3.2.3 vorgestellte Pulverdruck in vielen Quellen als 3D-Drucken oder 3D-Printing (3DP) bezeichnet wird, „was die Begriffsverwirrung noch erhöht.“⁹⁶

Diese Vielzahl an Synonymen hat die Recherche teilweise sehr erschwert.

Im Zuge dieser Arbeit wird versucht, sich auf einen Begriff pro Verfahren zu beschränken, auch wenn die anderen der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Die verwendete Bezeichnung entspricht der Überschrift des jeweiligen Kapitels. Um Missverständnisse zu vermeiden, wird auf den Begriff 3DP komplett verzichtet, auch wenn er in den meisten Quellen die geläufigere Bezeichnung ist.

Von einer Unterteilung in RP, RT und RM wird abgesehen, da diese keine Auswirkung auf den eigentlichen Druck hat. Der Druck eines Prototypen läuft, wenn das gleiche Druckverfahren und das gleiche Material verwendet werden, exakt identisch wie der Druck eines fertigen Produkts ab. Wenn das genutzte Druckverfahren nicht relevant ist, werden in dieser Arbeit sämtliche 3D-Druckvorgänge vereinfachend als 3D-Druck/en bezeichnet.

4 3D-Druck in der praktischen Anwendung

Im privaten Bereich sind die Möglichkeiten für zu druckende Objekte noch stark begrenzt. Die limitierenden Faktoren sind zum einen, dass 3D-Drucker für den Privathaushalt fast immer nur ein Filament gleichzeitig drucken können, zum anderen die relativ geringe Größe des Druckraumes. Als zusätzliche Erschwernisse kommen die Notwendigkeiten hinzu, sich für selbst entworfene Objekte in eine entsprechende 3D-Software einlernen zu müssen und das Objekt nach dem Druck je nach Bedarf weiter zu behandeln, etwa die Oberfläche zu schleifen oder farblich zu gestalten.

Unternehmen hingegen verwenden auf ihre Bedürfnisse abgestimmte 3D-Drucker. Diese ermöglichen gegebenenfalls die Fertigung von größeren Objekten und bieten, je nach zu Grunde liegendem Fertigungsverfahren, die Möglichkeit mehrere Materialien gleichzeitig zu verarbeiten. Für 3D-Konstruktion und Nachbearbeitung werden Fachkräfte eingesetzt. Somit kann eine Vielzahl an unterschiedlichsten Produkten gefertigt werden. In diesem Kapitel wird der Einfluss, den 3D-Druck bereits heute auf einige Industriezweige hat, näher erläutert.

4.1 3D-Druck nutzende Branchen

In der Industrie ist 3D-Druck keine Seltenheit mehr. Viele Firmen verschiedener Branchen haben schon heute einen Teil ihrer Fertigung auf 3D-Druck umgestellt. Darunter fallen unter anderem die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Rüstungsindustrie, aber auch andere wie die Zahnmedizin, Chirurgie und das Bauwesen.⁹⁷

Zum Vergleich: Im privaten Bereich ist die Zahl an 3D-Druckern noch überschaubar. Nur 2 % der von TNS Emnid befragten Deutschen besaßen Mitte 2015 ein solches Gerät. Als Gründe, mit der Anschaffung noch zu warten, wurden Preis und mangelnde Anwendungsmöglichkeiten genannt.⁹⁸

4.2 Industrielle Fertigung

Wie bereits in Kapitel 3.1 dargelegt, wird der 3D-Druck in der Fertigungsindustrie für drei Bereiche verwendet: Prototypen, Werkzeuge und Bauteile. Großes Potenzial zeigt sich für den 3D-Druck dabei besonders bei der Herstellung von Bauteilen. So erklärt Peter Sander, Leiter des Bereichs Emerging Technology & Concepts bei Airbus, dass durch 3D-gedruckte Bauteile bis zu eine Tonne Gewicht pro Flugzeug gespart werden können. Besonders hebt er dabei einen Halter für Hydrauliktanks hervor, der bisher aus 126 Einzelteilen zusammengebaut werden musste. Die Fertigung im 3D-Druck reduziert nicht nur das Gewicht um die Hälfte, sondern spart zugleich die Lagerkosten für die Einzelteile. Hinzu kommt, dass durch das eingesparte Gewicht der Kerosinverbrauch des Flugzeugs gesenkt werden kann.⁹⁹

Für die Automobil-Branche im Rennsport ist der Gewichtsfaktor ebenfalls relevant. Hier wurde der 3D-Druck anfangs dafür genutzt, Prototypen für den Windkanal zu produzieren. Heute werden auch Bauteile für die eigentlichen Rennfahrzeuge gedruckt.¹⁰⁰ Zudem untersucht Mercedes Benz, ob sich das serienmäßige Drucken von Teilen der Innenverkleidung, wie etwa der Lüftungsklappen oder des Lautsprechergrills, für die S-Klasse rechnet.¹⁰¹

Der Firma Siemens ist es inzwischen gelungen, die Kosten für die Reparatur von Brennerspitzen für zur Stromerzeugung genutzte Gasturbinen um 40 % zu reduzieren, indem sie die neue Spitze aufdruckt und nicht mehr, wie bisher, mithilfe eines Schweißverfahrens aufbaut. Dadurch können zusätzlich komplexere Geometrien hergestellt werden, wodurch die Effizienz der ganzen Turbine gesteigert werden konnte. Auch die Wartungszeiten konnten reduziert werden: von 44 Wochen auf vier. Das bedeutet eine Reduktion um 90 %.¹⁰²

Es zeigt sich, dass im Zuge der Fertigung durch den 3D-Druck mehrfach profitiert werden kann. Zum einen sind komplexere Konstruktionen möglich, ohne dass ein Zusammenbau aus vielen Einzelteilen erfolgen muss. Dies senkt die Lagerkosten oder macht im Idealfall eine Lagerhaltung komplett überflüssig. Zum anderen bilden interne Stützkonstruktionen, wie sie die additive Fertigung ermöglicht, eine einfache Alternative für bisher massive Füllungen, die beim Gießen entstehen. Dadurch können Material und Gewicht eingespart werden, ohne dass die Stabilität des Objekt beeinflusst wird.

Dennoch sind diese Beispiele derzeit noch Einzelfälle. Klein- und Kleinstserien, welche in der Regel auf einige wenige Bestandteile der gefertigten Produkte beschränkt sind. In der Massenfertigung ist 3D-Druck derzeit nicht rentabel, da er z. B. im Verhältnis zu vielen anderen Produktionsmethoden derzeit noch sehr langsam ist.

4.3 Logistik

Wie in Kapitel 1 dargelegt, rechneten die Befragten einer 2014 durchgeführten Studie damit, dass 3D-Druck am ehesten negative Auswirkungen auf die Logistik-Branche hat. Auch in wissenschaftlichen Arbeiten ist immer wieder zu lesen, dass die Logistik sich in Zukunft mit einem veränderten Markt konfrontiert sehen wird, wenn Unternehmen in Zukunft wieder mehr am eigenen Standort produzieren oder die Produktion ganz beim Kunden stattfindet.¹⁰³ Oft wird in diesem Zusammenhang auch von der disruptiven Wirkung des 3D-Drucks gesprochen¹⁰⁴, oder davon dass die Logistik „auf die mögliche zukünftige Situation strategisch reagieren [muss].“¹⁰⁵

Die bisher faktisch feststellbaren Auswirkungen sind allerdings überschaubar. Die Schweizerische Post hat ihr Produkt-Portfolio erweitert und verkauft 3D-gedruckte Schmuckanhänger und ganze 3D-Drucker auf ihrer Shop-Seite.¹⁰⁶ Der United Parcel Service (UPS) bietet in Amerika in vielen seiner Filialen die Möglichkeit, sich Objekte mit einem 3D-Drucker fertigen zu lassen.¹⁰⁷ Und der Verwaltungsratsvorsitzende der Kühne + Nagel International AG Karl Gernandt befürchtete am 28. September 2013 im Interview mit Birger Nicolai in der Zeitung

Die Welt: „Sollten sich 3D-Drucker so rasant weiterentwickeln wie in den vergangenen Jahren, werden meiner Meinung nach Massenartikel in Zukunft vor Ort aus dem Drucker und nicht mehr aus Fabriken in Asien kommen. Dann gäbe es für uns auf der heute wichtigsten Transportroute nach Fernost sicher weniger zu tun.“¹⁰⁸

Markus Kückelhaus, Bereichsleiter von Innovation and Trend Research bei DHL Customer Solutions & Innovation, hält dagegen, dass von DHL durchgeführte Studien zu dem Ergebnis kommen, dass die Volumenreduzierung durch immer kleiner werdende Elektronikgeräte mehr Einfluss auf die Logistik-Branche habe, als der 3D-Druck. Gegen 3D-Drucker in den Filialen, wie sie UPS in Amerika aufgestellt hat, hat sich DHL bewusst entschlossen. Als Grundlage für diese Entscheidung wurde ein Versuch im Innovationszentrum in Troisdorf durchgeführt, welches über einen 3D-Scanner und einen 3D-Drucker verfügt. Dort wurde Mitarbeitern angeboten, eigene Objekte vor Ort einscannen und ausdrucken zu lassen. Kückelhaus bezeichnet das Ergebnis als „desillusionierend“. Die meisten DHL-Mitarbeiter schienen die Grenzen des 3D-Drucks nicht zu kennen und kamen etwa mit Schmuck oder Sportschuhen. Von allen eingereichten Objekten konnten nur 30 % überhaupt reproduziert werden und nur 10 % mit der ursprünglichen Funktionalität. Nur ein einziger Mitarbeiter wäre zudem bereit gewesen, auch nur die Materialkosten zu bezahlen.¹⁰⁹

Es zeigt sich, dass die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Logistik-Branche, entgegen den Vermutungen mancher Marktteilnehmer oder Einzelpersonen, aktuell noch zu ver nachlässigen sind. Die Menge an 3D-gedruckten Objekten ist im Verhältnis zu den Waren, die noch immer transportiert werden, unerheblich. Die Behauptungen, dass die ganze Logistik-Branche in wenigen Jahren nahezu obsolet sein wird, finden sich ausschließlich in Publikationen, die nicht direkt mit der Logistik assoziiert sind. Die Branche selbst scheint das Thema 3D-Druck ruhig anzugehen und im Moment eher zu erforschen, wie sie in Zukunft ebenfalls davon profitieren kann.

4.4 Alltägliches: Mode, Lebensmittel – und Häuser

In den letzten Jahren wird der 3D-Druck auch in Branchen genutzt, für die er auf den ersten Blick wenig bis gar nicht geeignet erscheint. So hat ihn z. B. die Modebranche für sich entdeckt. Besonders Modedesigner haben begonnen, neue Kreationen auf diesem Weg zu erschaffen. So hat bereits im Juli 2010 hat die Modeschöpferin Iris van Herpen 3D-Druck für einen Teil ihrer Kollektion genutzt.¹¹⁰

Im März 2013 präsentierte Francis Bitonti ein in Zusammenarbeit mit Michael Schmidt Studios und Shapeways erstelltes Kleid, das für die Trägerin maßgefertigt wurde. Dafür wurden 17 größere Nylon-Teile ausgedruckt, gefärbt, lackiert und zusammengesetzt, die insgesamt aus mehreren Tausend einzelner Komponenten bestehen und mit 13.000 Swarovski-Kristallen beklebt sind.¹¹¹ Durch fast 3.000 Gelenke wird der Trägerin freie Bewegung ermöglicht.¹¹²

Die Hersteller von Schuhen nutzen den 3D-Druck bereits für die Produktion von Sohlen und die Firma Adidas plant schon die Fertigung von kundenindividuellen Laufschuhen mit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1 Druckerzeugnis aus Zucker¹¹³

3D-Druckern direkt im Ladengeschäft, basierend auf Scans der Füße der Kunden.¹¹⁴ Auf diese Weise erfasste und produzierte orthopädische Einlagen existieren bereits.¹¹⁵

Wie bereits mehrmals erwähnt, können auch Lebensmittel gedruckt werden. Als Druckmate rial wird dabei meist nur ein einzelner Werkstoff wie Zucker, Schokolade, Käse oder Teig genutzt. Abbildung 4.1 zeigt ein Druckerzeugnis aus Zucker, erzeugt mit dem ChefJet von

3D-Systems. An Druckern, die mehrere Lebensmittel gleichzeitig drucken können, wird bereits geforscht. So hat bereits 2013 die National Aeronautics and Space Administration (NASA) 125.000 US$ (damals etwa 95.000 €) für eine Studie investiert, die erforschen sollte, inwieweit 3D-Lebensmittel-Druck für Weltraummissionen geeignet ist. Dabei lagen die

Schwerpunkte darauf, dass zum einen die Zutaten möglichst lange haltbar sein (etwa auch für einen Flug zum Mars) und zum anderen der Aufwand für die Astronauten sowie der Abfall minimiert werden sollten.¹¹⁶ Das Ergebnis war ein Prototyp eines 3D-Pizza-Druckers, der Ketchup anstelle von Tomatensoße und Frischkäse statt Mozzarella verwendet. Weitere Rezepte sind geplant.¹¹⁷ Zusätzlich entstand die Idee eines Druckers, der aus Nährstoffen (Proteine, Zucker, etc.), die als Pulver vorliegen und mit Wasser und/oder Öl gemischt werden, eine fertige, auf die individuellen Bedürfnisse einer Person zugeschnittene Mahlzeit bereiten kann. Die Pulver sollten bis zu 30 Jahre haltbar sein.¹¹⁸

Ebenfalls im Bereich des 3D-Lebensmitteldrucks sollte der Markteintritt des Foodini von Natural Machines eigentlich in der ersten Hälfte des Jahres 2016 erfolgen, wurde jedoch auf unbestimmte Zeit verschoben.

[...]

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¹ vgl. Bitkom e.V., Jeder Fünfte will einen 3D-Drucker nutzen.

² vgl. reichelt elektronik GmbH & Co. KG, Zwei Drittel der Deutschen wollen 3D-Drucker nutzen.

³ Ebd.

⁴ vgl. Steffan, „Elf 3D-Drucker im Test“.

⁵ Fastermann, 3D - Drucken: Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S. 8 f.

⁶ Ebd., S. 8.

⁷ vgl. J. Gartner, Maresch und Fink, Generative Fertigungsverfahren, S. 22.

⁸ vgl. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt, S. 5.

⁹ vgl. 3D Printing Industry, History of 3D Printing: The Free Beginner’s Guide.

¹⁰ Deutscher Konditorenbund (BIV), Baumkuchen: Der König der Konditorei.

¹¹ Hull, Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography

¹² vgl. 3D Systems, The Journey of a Lifetime.

¹³ vgl. Deckard, Beaman und Darrah, Method for selective laser sintering with layerwise cross-scanning.

¹⁴ vgl. Crump, Apparatus and method for creating three-dimensional objects.

¹⁵ vgl. EOS GmbH, Geschichte.

¹⁶ vgl. J. Gartner, EOS GmbH feiert 25-jähriges Bestehen und zieht im neuen Technologie- und Kundenzentrum am Hauptsitz in Krailling ein.

¹⁷ vgl. Gröneweg, Revolution in Schichten - 3D Druck und seine künftigen Anwendungen.

¹⁸ 3D Printing Industry, History of 3D Printing: The Free Beginner’s Guide.

¹⁹ vgl. ebd.

²⁰ vgl. Gibson, Rosen und Stucker, Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, S. 294.

²¹ vgl. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt, S. 41.

²² vgl. A History of RepRap Development, S. 1.

²³ vgl. Bowyer, RepRapGPLLicence.

²⁴ vgl. Bernard, Global Product Development: Proceedings of the 20th CIRP Design Conference, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France, 19th-21st April 2010, S. 43.

²⁵ vgl. Gibson, Rosen und Stucker, Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, S. 294.

²⁶ vgl. Mend, „Linearantriebe für schnellen Einsatz“, S. 71.

²⁷ vgl. Koll, Bioprinting: Chancen, Grenzen und Herausforderungen beim gezielten Drucken von Zellen.

²⁸ vgl. J. Gartner, Imagine 3D-Printer: Der erste Lebensmittel 3D-Drucker am Markt.

²⁹ vgl. Essential Dynamics, Press Releases.

³⁰ vgl. Greenberg, Meet The ’Liberator’: Test-Firing The World’s First Fully 3D-Printed Gun.

³¹ vgl. Langer, „Kein Plug and Play“, S. 35.

³² vgl. J. Gartner, 2014 laufen die Patente für Lasersintern aus: neuer Boom erwartet.

³³ Gartner, Gartner Says Medical Applications Are Leading Advancement in 3D Printing

³⁴ vgl. ebd.

³⁵ Fastermann, 3D - Drucken: Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S. 33 ff.

³⁶ vgl. Gebhardt, „Grundlagen“.

³⁷ Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion, S. 1.

³⁸ Marquardt, Statusreport Additive Fertigungsverfahren, S. 4.

³⁹ Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion, S. 2 f.

⁴⁰ Gebhardt, Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, S. 26 ff.

⁴¹ Meindl, Beitrag zur Entwicklung generativer Fertigungsverfahren für das Rapid Manufacturing, S. 18.

⁴² vgl. Thiesse u. a., „Economic Implications of Additive Manufacturing and the Contribution of MIS“, S. 140.

⁴³ vgl. Gebhardt, Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, S. 29.

⁴⁴ vgl. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion, S. 9.

⁴⁵ Meindl, Beitrag zur Entwicklung generativer Fertigungsverfahren für das Rapid Manufacturing, S. 19

⁴⁶ vgl. Warnier u. a., Dinge drucken, S. 10.

⁴⁷ vgl. ebd., S. 10.

⁴⁸ Die Bezeichnungen Fused Deposition Modeling und FDM sind von Stratasys patentrechtlich geschützt. FFF wurde als frei verfügbare Bezeichnung daran angelehnt. Fastermann, 3D - Drucken: Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S. 32, Hagl, Das 3D-Druck-Kompendium - Leitfaden für Unternehmer, Berater und Innovationstreiber, S. 25

⁴⁹ vgl. Fastermann, 3D - Drucken: Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S. 32.

⁵⁰ König und Wand, „FAQ: Einstieg in den 3D-Druck“, S. 15

⁵¹ Kolossos, Fused Deposition Modeling

⁵² König, „So arbeiten 3D-Drucker“, S. 20.

⁵³ vgl. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt, S. 120.

⁵⁴ vgl. ebd., S. 13.

⁵⁵ Aus dem Lateinischen extrudere: hinausstoßen, hinaustreiben

⁵⁶ hevo-plastics.com, Was ist Extrusion?

⁵⁷ vgl. ProTec3D, Vor- und Nachteile der 3D Druck Technologien.

⁵⁸ vgl. ebd.

⁵⁹ Sintern: „durch Einwirkung von Hitze [und Druck] oberflächlich schmelzen, zusammenwachsen und sich verfestigen.“ Dudenverlag, Sintern

⁶⁰ vgl. Langer, „Kein Plug and Play“, S. 35.

⁶¹ vgl. Kruth u. a., „Lasers and materials in selective laser sintering“, S. 360 f.

⁶² vgl. König, „So arbeiten 3D-Drucker“, S. 21.

⁶³ vgl. ebd., S. 21.

⁶⁴ vgl. ProTec3D, Vor- und Nachteile der 3D Druck Technologien.

⁶⁵ vgl. ebd.

⁶⁶ J. Gartner, Grundkurs 3D-Drucker - Teil 2: Übersicht der aktuellen 3D-Druckverfahren.

⁶⁷ vgl. Gebhardt, Understanding Additive Manufacturing, S. 35 f.

⁶⁸ Riesmeier, 3D-Druck. Auswirkungen auf Fertigungsabwicklung und Logistik, S. 5.

⁶⁹ vgl. König, Stereolithographie.

⁷⁰ Gebhardt, Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, S. 96.

⁷¹ vgl. ProTec3D, Vor- und Nachteile der 3D Druck Technologien.

⁷² vgl. ebd.

⁷³ vgl. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufacturing, S. 117 f.

⁷⁴ vgl. Protovision3D S.A.S. di Merlano Pier Mario e C., Stampante 3D Systems ProJet 1500.

⁷⁵ vgl. Fastermann, 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt, S. 122 f.

⁷⁶ vgl. ebd., S. 122 f.

⁷⁷ vgl. Breuninger u. a., Generative Fertigung mit Kunststoffen, S. 29.

⁷⁸ vgl. ProTec3D, Vor- und Nachteile der 3D Druck Technologien.

⁷⁹ vgl. ebd.

⁸⁰ vgl. Komorowsky, Generative Fertigungsverfahren.

⁸¹ vgl. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion, S. 38.

⁸² vgl. Gebhardt, Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, S. 144.

⁸³ vgl. ebd., S. 143 f.

⁸⁴ vgl. ebd., S. 143 f.

⁸⁵ CIBUSParma, Allo stand Barilla prototipo di stampante 3D per la #pasta #cibus2016 #barilla Pad.6 e004

⁸⁶ Aus dem Lateinischen filum, zu Deutsch Faden, bezeichnet Filament die fadenförmige Form, in welcher das Ausgangsmaterial in den Drucker gezogen wird

⁸⁷ Stratasys, Connex3 - Rapid Tooling und Rapid Prototyping mit mehreren Materialien.

⁸⁸ DDD-Filament.de, Laywood, ein Holzfilament für 3D Drucker.

⁸⁹ vgl. 3Druck.com, 3Druck — Material Liste.

⁹⁰ modifiziert nach Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: Rapid Prototyping - Rapid Tooling - Rapid Manufactu- ring, S. 69

⁹¹ modifiziert nach ebd., S. 69

⁹² König, „So arbeiten 3D-Drucker“, S. 21.

⁹³ Gebhardt, Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, S. 81.

⁹⁴ vgl. ebd., S. 81.

⁹⁵ vgl. ebd., S. 122.

⁹⁶ König, „So arbeiten 3D-Drucker“, S. 21.

⁹⁷ Stratasys, 3D Drucker Industrie - unbegrenzte Möglichkeiten.

⁹⁸ reichelt elektronik GmbH & Co. KG, Zwei Drittel der Deutschen wollen 3D-Drucker nutzen.

⁹⁹ vgl. Sander, „Unvorstellbares Potenzial“, S. 31 f.

¹⁰⁰ vgl. Hagl, Das 3D-Druck-Kompendium - Leitfaden für Unternehmer, Berater und Innovationstreiber, S. 46.

¹⁰¹ vgl. Kew, Interior secrets of next-generation Mercedes S-Class.

¹⁰² vgl. Klenk, „Von dieser Technik träumt jeder“, S. 34 f.

¹⁰³ Nicolai, 3-D-Drucker lehren die Logistiker das Fürchten.

¹⁰⁴ vgl. Mohr und Khan, „3D Printing and Its Disruptive Impacts on Supply Chains of the Future“.

¹⁰⁵ Nevmyvako, Der Einfluss von 3D-Druckern auf die Logistikindustrie, S. 38.

¹⁰⁶ vlg. Post CH AG, Vom 3D-Print-Angebot der Post profitieren und bei uns 3D-Print-Produkte kaufen.

¹⁰⁷ vgl. The UPS Store, 3D Printing Services from The UPS Store.

¹⁰⁸ Nicolai, 3-D-Drucker lehren die Logistiker das Fürchten.

¹⁰⁹ vgl. Kückelhaus, „Wir diskutieren mit den Kunden“, S. 38 f.

¹¹⁰ vgl. van Herpen, Couture - Crystallization.

¹¹¹ vgl. Scott, Revealing Dita Von Teese in a Fully Articulated 3D Printed Gown.

¹¹² vgl. Bitonti, DITA’S GOWN.

¹¹³ Willett, This Is The Best 3D Food Printer We’ve Seen Yet - And It Makes Stunning Desserts

¹¹⁴ vgl. adidas AG, Maßgeschneidert aus dem 3D-Drucker: Erschaffe Deinen individuellen Laufschuh.

¹¹⁵ vgl. 3D Orthotics, 3D Orthotics | 3D Printed Orthotics.

¹¹⁶ vgl. National Aeronautics and Space Administration (NASA), 3D Printing: Food in Space.

¹¹⁷ vgl. Staender, Der Star-Trek-Replikator wird Wirklichkeit: Pizza auf dem Mars.

¹¹⁸ vgl. Mims, The audacious plan to end hunger with 3-D printed food.

• Universidad: University of Applied Sciences Rosenheim
• Curso: Master-Seminar Wirtschaftsinformatik
• Calificación: 1,0
• Autor: Jana Meisinger (Autor)
• Año de publicación: 2016
• Páginas: 54
• No. de catálogo: V338917
• ISBN (Ebook): 9783668286153
• ISBN (Libro): 9783668286160
• Idioma: Alemán
• Etiqueta: 3D-Druck, 3D-Printing, Additive Fertigung, Additive Manufacturing, Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing