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Essay: Wie zukunftsweisend ist die Innovation des 3D-Drucks?

Lesezeit: 10 Minuten Aktuell bieten verschiedene Unternehmen 3D-Drucker für Kinder an. Dieser kann anhand von 2D-Zeichnungen beispielsweise auf dem Tablet 3D-Objekte auslesen und diese dann auch drucken. Diese Entwicklung scheint den aktuellen Trend in Richtung dreidimensionales Drucken zu verschärfen.

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Doch was hat es mit diesen Geräten auf sich? Seit wann gibt es die Technologie und wie funktioniert sie? Haben 3D-Drucker eine zukunftsweisende Bedeutung? Der Medienpräsenz nach zu urteilen, scheint es sich um eine Innovation zu handeln, die nicht nur die Wirtschaft, sondern auch den Alltag der Menschen neu formieren kann.

1. Die Innovation des 3D-Druckers

Das Thema 3D-Druck ist derzeit in aller Munde. In zahlreichen Medien ist die Rede von einer Innovation oder gar einer Revolution. Solche Schlagzeilen suggerieren beim Leser eine neue Technologie, die nicht nur bestimmte Branchen, sondern die gesamte Gesellschaft verändern wird. Doch kann dem 3D-Drucker wirklich eine so hohe Bedeutung beigemessen werden? Wer sich mit dem Thema beschäftigt, weiß beispielsweise, dass die Technologie hinter dem 3D-Drucker nicht erst in den letzten Jahren aufkam. Um einer Antwort auf die gestellte Frage etwas näher zu kommen, wird der 3D-Drucker nachfolgend näher beleuchtet.

1.1 Entstehungsgeschichte

3D-Drucker gab es bereits in den 80er Jahren, die im Zuge der ersten CAD-Programme zunächst ausschließlich im industriellen Bereich genutzt wurden. Chuck Hull entwickelte 1983 die erste 3D-Technologie, die er 1986 patentieren ließ und als Stereolithografie bezeichnete. Zunächst nutzten vor allem die Auto- sowie Flugzeugbranche und das Militär diese Technologie, um Prototypen zu entwickeln.

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Seit 2009 fand die Technologie mehr und mehr Anklang im Dienstleistungssektor, wobei die Kosten für das Gerät sowie den Druck an sich mit hohen finanziellen Aufwendungen verbunden war. Seit 2012 erfährt der 3D-Drucker zunehmend mediale Aufmerksamkeit, nicht zuletzt durch die Veröffentlichung des Replicator 2 von Makerbot für den Desktop, der als vierte Revolution der Technologie gehandelt wird.

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Quelle: nach de.statista.com © Canalys (2014)

1.2 Die Technik des 3D-Drucks

Die innovative Technologie hält mehr und mehr Einzug auch in den privaten Bereich. Allerdings sind die Geräte heute mit 400 bis mehreren tausend Euro noch recht teuer in der Anschaffung. Wie bei anderen Technologien auch, ist mit wachsender Konkurrenz auf Herstellerseite mit noch günstigeren Preisen zu rechnen. Eigentlich kann der 3D-Drucker auch gar nicht als Drucker im herkömmlichen Sinne bezeichnet werden, weil er vielmehr als computergesteuerte Maschine zur Herstellung eines dreidimensionalen Produkts agiert.

Wie genau solch ein 3D-Drucker für den privaten Haushalt funktioniert und welche Unterschiede es zu den handelsüblichen "2D"-Druckern gibt, soll im folgenden näher Erläuterung finden.

1.2.1 Funktionsweise und Aufbau

Wie bereits erwähnt, funktioniert das System computergesteuert und zählt aus diesem Grund zu den CAD-Technologien.

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Das Gerät erhält vom Computer einen Aktionsbefehl und erhitzt daraufhin in der Regel Kunststoff als Material, welches meist durch eine Düse auf die jeweilige Druckplatte gedrückt wird. Von unten nach oben entsteht so nach und nach das dreidimensionale vom Computer angeordnete Objekt.

Der Aufbau erfolgt hierbei schichtweise. Dieses Fused-Depositions-Modeling-Verfahren gehört zu den günstigen Möglichkeiten der Herstellung. Neben diesem Verfahren gibt es noch weitere Varianten, wie ein dreidimensionales Objekt hergestellt werden kann, wie unter h//www.experto.de/3d-druck-verfahren/ nachgelesen werden kann.

1.2.2 Druck-Möglichkeiten

Doch die Verwendungsmöglichkeiten der Drucker sind weitaus umfassender als vielerlei angenommen. Das liegt im Besonderen daran, dass die unterschiedlichen 3D-Drucksysteme bereits in unterschiedlichsten Wirtschafts- und auch Gesellschaftsbereichen angewendet werden. Folglich werden in einer kurzen Übersicht bereits bestehende sowie prognostizierte „Druck“-Erzeugnisse beispielshaft dargestellt.

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Doch die Verwendungsmöglichkeiten der Drucker sind weitaus umfassender als vielerlei angenommen. Das liegt im Besonderen daran, dass die unterschiedlichen 3D-Drucksysteme bereits in unterschiedlichsten Wirtschafts- und auch Gesellschaftsbereichen angewendet werden. Folglich werden in einer kurzen Übersicht bereits bestehende sowie prognostizierte „Druck“-Erzeugnisse beispielshaft dargestellt.

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Insgesamt lässt sich festhalten, dass im Grunde jedes erdenkliche Objekt oder Produkt mit einem 3D-Drucker hergestellt werden kann. Dazu gehören dementsprechend auch Handys oder andere alltäglich genutzten Gegenstände. Aus dieser Ungewissheit über die zukünftige Zunahme an Möglichkeiten wird zunehmend Kritik bzw. die Angst größer, dass die Technologie zu Missbrauch führen kann, wie beispielsweise die Vermehrung von Plagiaten.

1.3 Unterschiede zu herkömmlichen Druckern

Obwohl ein 3D-Drucker im eigentlichen Sinne gar kein Drucker ist, wird er entsprechend deklariert. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass Gemeinsamkeiten zwischen beiden Systemen existieren, die schließlich dem 3D-Drucker zur Namensgebung verholfen haben. Aus diesem Grund wird der bekannte Tintenstrahldrucker beispielhaft mit einem 3D-Drucksystem verglichen.

1.3.1 Systemunterschiede

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Wie bereits angedeutet, handelt es sich bei 3D-Druckern um ein ganz unterschiedliches System im Vergleich zu den herkömmlichen „2D“-Druckern. Im Konkreten sehen die zentralsten Unterschiede sowie Gemeinsamkeiten wie folgt aus:

Gemeinsamkeiten:

  • 3D-Druck-Verfahren wie das Multi-Jet Modeling funktionieren im Grunde ähnlich wie Tintenstrahldrucker, da flüssiges Material durch eine Düse auf ein Trägermedium (3D-Drucker: Druckplatte bzw. Tintenstrahldrucker: Papier) gedrückt und gleichzeitig getrocknet wird.
  • Je nach verwendeten 3D-Druckverfahren werden in beiden Fällen Druckerpatronen im jeweiligen System verwendet.
  • Beide Varianten benötigen eine Software zur Übermittlung der Daten.
  • Sowohl das 3D- als auch das herkömmliche Drucken verfügt über unterschiedlichste Varianten:
    • 3D-Druckverfahren: z.B. Multi-Jet Modeling oder Fused-Depositions-Modeling-Verfahren
    • 2D-Druckverfahren: z.B. Laser- oder Tintenstrahldrucker

Unterschiede:

  • Die entstehenden Produkte der zwei Druckverfahren unterscheiden sich in ihrer Dimensionalität.
  • Die Materialienvielfalt bei 3D-Druckern ist vergleichsweise deutlich größer als bei den herkömmlichen Druckertypen. Zu den gängigsten Materialien gehören das mehrfach erwähnte Kunststoff, Gips, Acrylglas, Metall und weitere Materialien mit unterschiedlichsten Eigenschaften.
  • Aus der Materialienvielfalt ergeben sich beim 3D-Drucker weitaus mehr mögliche Anwendungsfelder, sei es für die Industrie, Kunst, Architektur, Zahnmedizin oder weitere Branchenbereiche.
  • Grundsätzlich handelt es sich bei beiden Varianten um verschiedene Systeme, da der 3D-Drucker vielmehr eine Maschine als einen Drucker im definitorischen Sinne darstellt.

1.3.2 Druckerpatronen

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Wie soeben erläutert, werden je nach System sowohl bei den 3D- als auch bei den herkömmlichen Tintenstrahldruckern Druckerpatronen zur Ausgabe des Druckmaterials genutzt. Werden beide Systeme im Detail betrachtet, lassen sich allerdings wiederum Unterschiede feststellen.

  • Lagerfähigkeit: Bei richtiger Einhaltung der angegebenen Lagerung durch die jeweiligen Hersteller können Tintenstrahldrucker eine lange Lebenszeit aufweisen, bevor sie vertrocknen bzw. verklumpen. Beim 3D-Drucker bestimmt das Material über die Lebensdauer. Beispielsweise kann bei festem Aggregatzustand von Pulver-Kartuschen aus Kunststoff bei richtiger Lagerung eine durchaus längere Lebenserwartung angenommen werden.
  • Preis: Ähnlich wie bei den Geräten an sich, sind Kartuschen für den 3D-Drucker wesentlich teurer in der Anschaffung als beispielsweise Markenpatronen für einen Tintenstrahldrucker. Liegt der Preis für ein Markenpatronen-Set um die 50 Euro, kosten Kartuschen für den 3D-Drucker in etwa das Doppelte. Dabei sei zu bedenken, dass die Materialkartuschen für die 3D-Anwendung je nach Hersteller für rund 10 bis 15 Objekte ausreichen. Hingegen reichen die herkömmlichen Patronen eines Tintenstrahldruckers für bis zu 200 Blatt.
  • Marktsituation: Folglich ist der Markt für Tintenstrahldrucker, mit Markenherstellern wie Canon, Epson oder HP, weitaus größer als der von 3D-Druckern. Aktuell konkurrieren hier im B2C-Markt im Grunde gerade einmal zwei Herstellerfirmen, Stratasys sowie Makerbot. Da sich die junge Branche noch entwickelt, ist davon auszugehen, dass in Zukunft weitere Konkurrenzunternehmen folgen werden, was nicht zuletzt den Preisdruck erhöht.
  • Kompatibilität mit günstigeren Marken: Wie in einem Blogbeitrag von TintenCenter beschrieben, sind grundsätzlich günstigere Tintenstrahlpatronen auch mit Markengeräten kompatibel. Allerdings verwenden die Hersteller zunehmend Chips bei den Markenpatronen. Aus diesen kann der Drucker Informationen wie verwendete Farbe oder die Füllmenge auslesen. Sollte beispielsweise eine falsche Farbpatrone in das jeweilige Fach des Gerätes eingefügt werden, ist ein Drucken nicht mehr möglich. Das erschwert die Nutzung von günstigeren Produkten. Dieser Trend ist im Übrigen ebenfalls bereits jetzt bei den 3D-Druckern zu erkennen, wie in einem Testbericht über den Cubify Cube unter futurzone.at zu lesen ist.

2. Unterschiedliche Anwendungsfelder

Um die Vielseitigkeit der 3D-Drucker zu verdeutlichen, ist die Betrachtung unterschiedlicher Anwendungsfelder durchaus sinnvoll. Dies zeigt weiterhin, welche zukünftigen Technologien und Weiterentwicklungen des Systems prognostiziert werden können. Beispielhaft soll dies anhand von vier unterschiedlichen Branchenfeldern erfolgen.

2.1 Automobilbranche

Der 3D-Drucker, im Besonderen die PolyJet-Technology findet in der Automobilindustrie in der Fertigung von Prototypen Anwendung. Diese gummiartigen Modelle dienen als Sichtungs-Vorlage, bevor schließlich die Serienproduktion der Automobilprodukte gestartet wird. Ziel ist es damit, letzte mögliche Fehlerquellen sicherzustellen.

Noch nicht sehr weitverbreitet, aber in einigen Unternehmen bereits angewendet, ist die Fertigung bestimmter Autoteile, wie beispielsweise die Stoßstange, anhand eines 3D-Druckers. In der Wissenschaft gibt es verschiedenste Projekte, die sich mit der Herstellung ganzer Fahrzeuge aus dem 3D-Drucker beschäftigen. So wurden Studenten der TU Berlin für die Planung und Erstellung eines Miniatur Racing Cars ausgezeichnet, deren Technikteile ebenfalls aus dem 3D-Drucker stammen. 

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=qIyCSj_RUkE

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2.2 Metall-Industrie

Zu den neusten Innovationen zählt in dieser Branche sicherlich das 3D-Drucken mit Metall. Hierbei wird ein metallisches Pulver geschmolzen und in einzelne Schichten geschnitten. Folgend wird das Objekt noch gehärtet und infiltriert, bevor es schließlich in einem Hochofen erhitzt und aufpoliert wird. Aus den verschiedenen Arbeitsschritten ergibt sich eine Fertigungszeit von mehreren Tagen. Der Vorteil, nicht nur für die Metall-Industrie, liegt schlicht und einfach darin, dass komplizierte und filigrane Formen auf relativ einfache und detaillierte Weise gefertigt werden können.

2.3 Design / Architektur / Kunst

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Im Design- oder Kunstbereich gibt es im Grunde kaum Grenzen. Der Künstler entwirft am Computer sein Objekt und lässt es sich einfach nur vom Gerät ausdrucken. Architekten können unter anderem Immobilienmodelle entwerfen, die den Kunden ein umfangreicheres und detailgetreueres Bild verschaffen.

Ein bekanntes Beispiel ist der Möbeldesigner Dirk Vander Kooij, der einen Industrieroboter zu einem riesigen 3D-Drucker anhand einiger Modifikationen umfunktionierte und seither Stühle und andere Möbelstücke produziert. 

http://www.youtube.com/watch?v=inu1phWkpM4

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2.4 Zahnmedizin

In der Zahnmedizin ist die 3D-Computertechnologie seit nunmehr 20 Jahren ein wichtiger Teil für die Entwicklung eines Zahnersatzes. In Bezug auf den 3D-Drucker sprechen mehr und mehr Zahnmediziner von einer Revolution der Zahntechnik, schließlich kann mit dessen Hilfe, der gesamte Herstellungsprozess über den Zahnmediziner erfolgen, beschreibt Oberarzt Helmut Dietrich der Mainzer Uniklinik im Gespräch mit Deutschlandradio Kultur. So können beispielsweise Kronen oder Brücken hergestellt werden.

3. Weitere Anwendungsbereiche für die Zukunft

Insgesamt gibt es unterschiedlichste Bereiche, in denen 3D-Drucker zum Teil seit mehreren Jahren bereits umfangreich Anwendung finden und das mit einer stetigen Weiterentwicklung. Doch es gibt noch zwei weitere Bereiche, die für die Forschung sowie für die Lebensqualität der Gesellschaft in der ganzen Welt grundsätzlich enormes Aufschwungspotenzial besitzen.

3.1 Gedruckte Bauteile für die Raumfahrt

Auch in der Raumfahrt sind 3D-Druckerzeugnisse seit Jahren etabliert, besonders für die Herstellung von Bauteilen. Die NASA forscht und entwickelt aktuell an ein Triebwerksystem, dessen Teile aus dem 3D-Drucker stammen und den großen Vorteil besitzen, dass diese Konstruktion im Gewicht deutlich geringer ist als Triebwerke aus herkömmlichen Materialen. Zudem sehen Experten in Zukunft eine enorme Einsparung der Kosten bei der Herstellung solcher Raumfahrtbestandteile. Einen ersten Test bestand das „gedruckte“ Triebwerksteil im letzten Jahr bereits, welches aus geschmolzenem Chrom und Nickel besteht.

3.2 Bioprinter für die Medizin

Eine der wohl nachhaltigsten Erfindungen für die Gesundheit der Menschen ist der Bioprinter als eine Form des 3D-Drucks, der ebenfalls computergesteuert und mit speziellen Techniken die Herstellung von künstlichem Gewebe aus zuvor gezüchteten Zellen erlaubt. 

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In Zukunft sollen dadurch auch Organe hergestellt werden können, die auf lange Sicht eine Warteliste für Spenderorgane unnötig machen könnten. Laut Herstellern sei die Entwicklung solcher Systeme recht weit vorangeschritten. Allerdings liegen die derzeitigen Probleme darin, dass aus mehreren Gewebetypen keine ganzen Organe gedruckt werden können. Das Druckmaterial ist hier ein polymeres Gel, welches lebende Zellen beinhaltet.

4. Gefahren, die mit der Innovation einhergehen

Die genannten Einsatzgebiete des 3D-Druckers sind allesamt Darstellungen, wie der 3D-Drucker Positives in unterschiedlichster Art und Weise bewirken kann. Doch es existieren auch Aspekte, die Anlass zur Kritik geben und in keinem Fall unterschlagen werden sollen.

4.1 Negative Umweltbilanz

Über die zukünftige Bedeutung der 3D-Drucker sind Experten unterschiedlicher Meinung. Die einen sehen enormes Potenzial gegenüber Einsparungen in Bezug auf Lagerkosten oder auch vor allem Transportkosten, was die Umweltbilanz erheblich verbessern könnte. Kritiker hingegen sehen eine einseitige Materialiennutzung von Kunststoffen oder Metallen als zusätzliche Ressourcenverknappung an. Das Freiburger Öko-Institut hat in einer beauftragten Studie Risiken und Potenziale der 3D-Drucker untersucht.

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4.2 Druckfähige Waffensysteme

Vor rund einem Jahr machte eine funktionierende Pistole aus dem 3D-Drucker Schlagzeilen in sämtlichen Medien. So berichtete unter anderem der Spiegel über die Waffe, bei der ganze 15 von 16 Teilen aus dem besagten Drucker stammten. Lediglich ein Nagel, der die Munition zündete, bestand aus Metall. Auch wenn es sich hierbei um eine legale Herstellung von Waffen handelt, da der amerikanische Jurastudent eine eigene Waffenfirma besitzt, liegt dennoch die Vermutung eines hohen Missbrauchspotenzials nahe. Immerhin stellte der Amerikaner die Anleitung für diese Waffe ins Netz.

Aus dem gleichen Grund ist die Forschung an einer Tarnkappe aus dem 3D-Drucker ebenfalls kritisch zu hinterfragen, da die Forscher selbst eingestehen, dass mit dem Gerät im Grunde sich jeder eine Tarnkappe anfertigen kann. Eine Tarnkappe ermöglicht einem Träger, dass dieser für die Radarortung unsichtbar wird. Die Forschung für solch ein Gerät dauert noch an, ist aber auf einem fortschreitenden Weg.

Fazit: Die Bedeutung der 3D-Drucker ist nicht zu unterschätzen

Allein aus den unterschiedlichen Funktionsweisen heraus, sollte deutlich geworden sein, dass der 3D-Drucker, in welcher Form auch immer, enormes Potenzial besitzt, unterschiedlichste Bereiche des Lebens zu verändern, sowohl positiv als auch negativ.

Positiv zu bewertendes Potenzial

  • Der 3D-Drucker besitzt enormes Potenzial für Forschungszwecke, im Besonderen zur Verbesserung der Voraussetzungen für die Raumfahrt oder die Entwicklung von neuen Prototypen in unterschiedlichen Wirtschaftsbereichen.
  • Aus wirtschaftlicher Sicht können neue Absatzmärkte im Dienstleistungssektor sowie in verschiedenen Industrie- oder Fertigungsbereichen erschlossen werden. Beispielsweise in der Automobilbranche können mehr und mehr Teile präziser gefertigt werden.
  • Für die Umwelt kann die Reduzierung der Transportwege eine erhebliche Verringerung der CO2-Bilanz bedeuten. Immerhin liegt ein wesentlicher Faktor für den wachsenden Klimawandel in der Zunahme der Logistik, sei es auf den Straßen, per Flugzeug oder Schiff.

Negativ zu bewertendes Potenzial

  • Sollte der Verbrauchermarkt für 3D-Drucker wachsen und der Konkurrenzdruck damit steigen, kann sich dies auch negativ darin äußern, dass nur wenige Materialienarten in Massen genutzt werden, wie eben Kunststoffe oder Metalle.
  • Bestehende Berufsgruppen könnten auf lange Sicht verschwinden, wie beispielsweise Zahntechniker, da denkbar wäre, dass durch die Verwendung von 3D-Druckern deren Bedeutung sinken könnte.
  • Der Missbrauch von 3D-Druckern, wie zum Beispiel die Herstellung von nicht-lizensierten Waffen, bedingt eine enorme Gefahrenquelle.
  • Aufgrund der hohen Kosten wird die Nutzung von 3D-Druckern nicht jedem Menschen möglich sein, was zu einer Vergrößerung der Schere zwischen arm und reich führen kann.

Insgesamt steckt viel Potenzial in den betrachteten Geräten. Allerdings bleibt fraglich, wie sich die Vermarktung der Drucker für den alltäglichen Gebrauch von Privatleuten durchsetzen wird. In Österreich bieten beispielsweise bekannte Elektronikgeschäfte erste Modelle für den Eigenverbrauch an, allerdings mit mäßigem Erfolg, was wohl nicht zuletzt dem hohen Preis geschuldet ist.

Quellen und weitere Informationen zum Nachlesen:

http://edition.cnn.com/2014/02/13/tech/innovation/the-night-i-invented-3d-printing-chuck-hall/

http://www.magazin-3d-druck.de/lexikon/geschichte-des-3d-drucks/

http://www.3d-activation.de/material/metall

http://biodrucker.net/

Bildquellen:

Bild 1: commons.wikimedia.org © S zillayali (CC BY-SA 3.0)

Bild 2: © ikonstudio – Fotolia.com

Bild 3: © Trueffelpix – Fotolia.com

Bild 4: commons.wikimedia.org © André Karwath aka Aka CC BY-SA 2.5

Bild 5: © http://www.tintencenter.com

Bild 6: Pixabay.com © Hans (CC0 1.0)

Bild 7: commons.wikimedia.org © Michaela Mastikova (CC BY-SA 3.0)

Bild 8: commons.wikimedia.org © Mik81 (CC0 1.0)

Bild 9: commons.wikimedia.org © HIA (CC BY-SA 3.0)

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