04.09.2017 Additive Fertigung ist über 30 Jahre alt

Die Geschichte des 3D-Drucks

Von: André Pechmann*

Was ist 30 Jahre alt, wirkt aber wie neu? Kaum zu glauben, aber wahr: der 3D-Druck. Additive Fertigungstechnologie gab es schon, als die Berliner Mauer noch stand. Daher lohnt sich ein kurzer Blick auf die Geschichte des 3D-Drucks.

3D-Druck

Bereits in den 80er-Jahren ging es um schnelle Prototypenentwicklung und 3D-Druck.

Von 1981 bis 1999 steckte die Additive Fertigung in den Kinderschuhen: Bereits im Jahr 1981 veröffentlichte Hideo Kodama vom städtischen Industrieforschungsinstitut im japanischen Nagoya seinen Bericht über ein funktionelles Verfahren zur schnellen Prototypenentwicklung (Rapid Prototyping) unter Verwendung von Photopolymeren.

Drei Jahre später, im Jahr 1984, eröffnete Charles Hull mit der Erfindung der Stereolithografie neue Perspektiven. Stereolithografie ermöglicht Produktdesignern, aus digitalen Daten 3D-Modelle zu erstellen, die dann zur Herstellung eines greifbaren Objekts verwendet werden können.

Die Schlüsselkomponente der Stereolithografie (SLA) ist ein als Photopolymer bekannter, auf Acryl basierender Werkstoff. Wenn man einen Behälter mit flüssigem Photopolymer mit UV-Laserlicht bestrahlt, wird der belichtete Teil sofort zu einem festen Kunststoffteil in der Form des 3D-Modells. Diese neue Technologie war eine Sensation für Erfinder, die ihre Prototypen jetzt theoretisch aufbauen und testen konnten, ohne bereits im Vorfeld massiv in die Fertigung zu investieren.

Im Jahr 1992 gewann Bill Clinton die US-Präsidentschaftswahlen – und Charles Hulls Firma 3D-Systems stellte das weltweit erste stereolithografische Gerät her, das die schichtweise Fertigung komplexer Komponenten in einem Bruchteil der bis dahin erforderlichen Zeit möglich machte. Im selben Jahr produzierte das Start-up-Unternehmen DTM die weltweit erste selektive Lasersintermaschine (SLS), die keine Flüssigkeit, sondern ein Pulver mit Laserlicht bestrahlt.

Diese Technologien steckten noch in den Kinderschuhen und waren bei Weitem nicht perfekt. So wies das gehärtete Material gewisse Unebenheiten auf und die Maschinen waren für private Erfinder unerschwinglich teuer. Ihre Entwicklungsfähigkeit war jedoch unverkennbar. Jahrzehnte später ist dieses Potential noch längst nicht ausgeschöpft.

1999 bis 2010: Die Jugendzeit des 3D-Drucks

Zur Jahrtausendwende wurde zum ersten Mal einem Menschen ein 3D-gedrucktes Organ implantiert. Wissenschaftler am Institut für regenerative Medizin der Wake Forest University in North Carolina druckten synthetische Stützstrukturen einer menschlichen Blase und überzogen diese mit den Zellen menschlicher Patienten. Anschließend wurde das neu erzeugte Gewebe diesen Patienten implantiert. Da es aus ihren eigenen Zellen bestand, war das Risiko einer Abstoßungsreaktion des Immunsystems nahezu ausgeschlossen.

Vor allem im medizinischen Bereich war dies ein großes Jahrzehnt in der Geschichte des 3D-Drucks. Innerhalb von nur zehn Jahren stellten Wissenschaftler aus verschiedenen Institutionen sowie Start-up-Unternehmen eine funktionierende Miniaturniere her und druckten Beinprothesen aus komplexen Komponenten in einem Vorgang. Außerdem wurden erstmals Blutgefäße mittels Bioprint-Technologie erzeugt und dabei nur menschliche Zellen verwendet.

Darüber hinaus war es auch das Jahrzehnt, in dem der 3D-Druck auf die Open-Source-Bewegung traf. Im Jahr 2005 startete Dr. Adrian Bowyer das Reprap-Projekt: eine Open-Source-Initiative zur Entwicklung eines 3D-Druckers, der sich im Prinzip selbst herstellen oder zumindest die meisten seiner Teile selbst drucken konnte. Die 2008 veröffentlichte Version, genannt Darwin, ist ein selbstreplizierender Drucker, der genau das kann. Plötzlich waren Menschen auf der ganzen Welt in der Lage, alles herzustellen, was sie sich vorstellen konnten. Hier kommen auch Projekte wie Kickstarter ins Spiel, die 2009 ins Leben gerufene Crowd-Funding-Plattform, über die seither unzählige Projekte im Bereich 3D-Druck finanziert wurden.

Im Laufe der 2000er-Jahre beflügelte die Demokratisierung der Herstellung und die Idee der seriellen Maßanfertigung die Vorstellungskraft der breiten Öffentlichkeit. Im Jahr 2006 kam die erste wirtschaftlich rentable SLS-Maschine (selektives Lasersintern) auf den Markt und ebnete den Weg für die On-Demand-Produktion von Industriebauteilen. Das inzwischen mit Stratasys fusionierte 3D-Druck-Start-up Objet baute eine Maschine, die mit mehreren Werkstoffen drucken konnte. Damit ließen sich einzelne Teile in verschiedenen Versionen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften herstellen.

Der Höhepunkt der kreativen Innovationen dieses Jahrzehnts war die Einführung von gemeinschaftlichen, sogenannten Co-Creation-Dienstleistungen wie Shapeways, einer 3D-Druck-Marktplattform, auf der Produktdesigner Rückmeldungen von Verbrauchern und anderen Produktdesignern erhalten und dann ihre Produkte erschwinglich produzieren können. Als Höhepunkt kam Makerbot mit Baukastenlösungen auf Open-Source-Basis auf den Markt, mit denen Maker ihre eigenen 3D-Drucker und -Produkte entwickeln können. Seitdem sinken die Markteintrittsbarrieren für Produktdesigner und Erfinder.

2011 bis heute: Die Blütezeit des 3D-Drucks

Mittlerweile ist der Preis von 3D-Druckern enorm gesunken und die Genauigkeit beim 3D-Drucken wurde stark verbessert. Indes gehen Innovatoren in einer Art und Weise an Grenzen, wie Charles Hull sie sich einst nur erträumen konnte. Produktdesigner sind heute nicht mehr nur auf den Druck mit Kunststoff beschränkt. So kann man heute selbst beispielsweise den Verlobungsring der Träume aus Gold oder Silber drucken. Ingenieure an der Universität von Southampton in England ließen das weltweit erste 3D-gedruckte, unbemannte Flugzeug fliegen. Kor Ecologic baute den Prototyp Urbee, ein Auto mit einer 3D-gedruckten Karosserie, das auf der Autobahn nur ca. 1,2 Liter/100 km verbraucht.

Aktuell gibt es aufgrund der rapiden Entwicklung in dem Bereich laufend neue Durchbrüche in der Additiven Fertigung. Hier den Überblick zu behalten ist schier unmöglich. In absehbarer Zeit werden unsere Kinder mit dem schuleigenen 3D-Drucker Kunstprojekte realisieren und Zahnärzte Rezepte für patientenspezifisch gedruckten Zahnersatz ausstellen.

Aktuell zählt die Nasa zu den prominentesten Befürwortern des 3D-Druckens – von Nahrungsmitteln bis hin zum ersten schwerelosen 3D-Drucker im Weltraum. Es gibt bereits 3D-Drucker auf dem Markt, die Objekte erzeugen können, die so fein sind wie ein menschliches Haar. Die Grenze des Machbaren im Bereich des 3D-Drucks ist jedenfalls noch lange nicht erreicht.

* Der Autor ist André Pechmann von Autodesk

Bildquelle: Thinkstock/iStock

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