Die faszinierende Geschichte des 3D-Drucks

Der 3D-Druck hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und ist von einer Nischentechnologie zu einem weit verbreiteten Werkzeug in Industrie, Handwerk und sogar im privaten Bereich geworden. Die Fähigkeit, digitale Designs in greifbare Objekte zu verwandeln, hat unzählige neue Möglichkeiten eröffnet, von schnellen Prototypen bis hin zu personalisierten Produkten. Doch wo liegen die Ursprünge dieser revolutionären Technologie, die das Potenzial hat, unseren Alltag ähnlich stark zu prägen wie einst das Smartphone?

Die Geschichte des modernen 3D-Drucks, wie wir ihn heute kennen, ist eng mit dem Jahr 1989 verbunden. Dieses Jahr war ein Wendepunkt, in dem gleich mehrere entscheidende Entwicklungen stattfanden, die den Grundstein für die heutige Vielfalt legten.

Die frühen Pioniere und Schlüsseltechnologien des Jahres 1989

Das Jahr 1989 war zweifellos ein entscheidendes Jahr für die Evolution des 3D-Drucks. In diesem Jahr wurden mehrere wichtige Verfahren zum Patent angemeldet, die bis heute die Landschaft des additiven Fertigens prägen. Einer der Pioniere dieser Zeit war Carl Deckard. Er meldete 1989 eine Technologie zum Patent an, die als Lasersinterverfahren bekannt wurde (US4863538). Bei diesem Verfahren wird ein feines Pulvermaterial, typischerweise Kunststoff, durch die gezielte Energie eines Lasers lokal aufgeschmolzen und so Schicht für Schicht zu einem festen Objekt aufgebaut. Deckards Innovation legte den Grundstein für das, was heute als Selective Laser Sintering (SLS) bekannt ist und vor allem im industriellen Bereich für seine Materialvielfalt und die Möglichkeit, komplexe Geometrien ohne Stützstrukturen zu fertigen, geschätzt wird. Carl Deckard blieb der Technologie treu und war 2012 Mitbegründer der Structured Polymers LLC, einem Unternehmen, das sich auf die Entwicklung spezialisierter Polymere für Laserintermaschinen konzentriert.

Ebenfalls im Jahr 1989, einem Jahr voller Durchbrüche, wurde in Deutschland ein bedeutendes Unternehmen im Bereich des 3D-Drucks gegründet. Hans Langer und Hans Steinbichler riefen die EOS GmbH ins Leben. EOS hat sich seither zu einem der weltweit führenden Anbieter von Systemen für die industrielle additive Fertigung entwickelt, insbesondere im Bereich des Lasersinterns von Kunststoffen und Metallen. Die Gründung von EOS markierte die frühe und starke Beteiligung deutscher Ingenieurskunst an der Entwicklung und Kommerzialisierung des 3D-Drucks.

Ein weiterer bahnbrechender Schritt im Jahr 1989 war die Patentanmeldung (US5121329) eines Verfahrens durch Scott Crump, das heute als FDM (Fused Deposition Modelling) bekannt ist. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundlegend vom Lasersintern. Anstatt Pulver zu schmelzen, wird bei FDM ein thermoplastischer Kunststoff in Form eines Drahtes, des sogenannten Filaments, in einem beheizten Druckkopf aufgeschmolzen. Dieser geschmolzene Kunststoff wird dann präzise Schicht für Schicht auf einer Bauplattform aufgetragen, wo er schnell abkühlt und aushärtet. Dieses Prinzip der schichtweisen Ablagerung von geschmolzenem Material ist das Herzstück des FDM-Verfahrens.

FDM/FFF: Die populärste Methode im Detail

Das FDM-Verfahren, oft auch als FFF (Fused Filament Fabrication) bezeichnet – wobei beide Begriffe dasselbe Grundprinzip beschreiben: die Fabrikation aus aufgeschmolzenem Faden – hat sich zahlenmäßig zur dominierenden Technologie im Bereich der 3D-Drucker entwickelt. Die Gründe für diese weite Verbreitung sind vielfältig. Zum einen sind die technischen Hürden für den Aufbau und Betrieb eines FDM-Druckers im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Lasersintern oder der Stereolithographie vergleichsweise gering. Dies führt dazu, dass FDM-Drucker oft kostengünstiger in der Anschaffung sind.

Zum anderen zeichnet sich das FDM/FFF-Verfahren durch eine bemerkenswerte leichte Handhabbarkeit aus. Der Prozess des Druckens ist für den Anwender oft intuitiv zu verstehen und zu steuern. Das Verbrauchsmaterial, das Filament, ist einfach zu wechseln und in einer enormen Vielfalt an Farben, Materialien und Durchmessern erhältlich. Diese Zugänglichkeit und Benutzerfreundlichkeit haben dazu geführt, dass FDM/FFF 3D-Drucker bei 3D-Druck-Enthusiasten weltweit am weitesten verbreitet sind. Sie haben ihren Weg in zahlreiche Wohn- und Arbeitszimmer gefunden und ermöglichen es einer breiten Masse, eigene Ideen zu realisieren und physische Objekte zu erschaffen.

Die Bezeichnung Filament bezieht sich, wie erwähnt, auf die Kunststoffdrähte, die als Ausgangsmaterial für FDM/FFF-Drucker dienen. Filamente sind in verschiedenen Standarddurchmessern verfügbar, typischerweise 1,75 mm und 2,85 mm, um den Anforderungen unterschiedlicher Druckermodelle gerecht zu werden. Die Materialauswahl reicht von Standardkunststoffen wie PLA und ABS bis hin zu spezialisierten Polymeren mit verbesserten mechanischen Eigenschaften oder sogar mit Füllstoffen wie Holz- oder Metallpartikeln. Diese Vielfalt macht FDM/FFF zu einem extrem flexiblen Werkzeug für eine breite Palette von Anwendungen.

Vielfalt der Verfahren: Von Desktop-Druckern bis zur Industrie

Seit den frühen Tagen im Jahr 1989 wurden die Basisverfahren des 3D-Drucks kontinuierlich weiterentwickelt und verfeinert. Neben den bereits genannten Verfahren wie FDM/FFF und Lasersintern (SLS) hat sich beispielsweise auch die Stereolithographie (SLA) etabliert, bei der flüssiges Harz mittels Licht (typischerweise UV-Licht, oft von einem Laser oder DLP-Projektor) schichtweise ausgehärtet wird. Diese Verfahrensvielfalt ermöglicht es, für nahezu jede Anwendung und Anforderung das passende 3D-Druckverfahren zu finden.

Moderne Desktop 3D-Drucker haben die Technologie für eine breitere Masse zugänglich gemacht. Diese Geräte, die kompakt genug sind, um beispielsweise auf einem Schreibtisch im Büro oder zu Hause Platz zu finden, erfreuen sich großer Beliebtheit. Ihre Zielgruppen sind vielfältig: Sie reichen von Privatanwendern und Hobbyisten über Modellbauer und Architekten bis hin zu Produktentwicklern und Ingenieuren. Diese modernen Desktop-Systeme basieren typischerweise auf dem FDM/FFF-Verfahren oder dem Stereolithographie-Verfahren (SLA).

Während FDM/FFF-Desktop-Drucker aufgrund ihrer Robustheit, Materialvielfalt und vergleichsweise niedrigen Kosten weit verbreitet sind, bieten SLA-Drucker oft eine höhere Detailgenauigkeit und glattere Oberflächen, was sie ideal für Anwendungen macht, bei denen ästhetische Qualität und feine Details im Vordergrund stehen, wie beispielsweise bei der Herstellung von Schmuckformen oder hochdetaillierten Prototypen. Die Geräte werden oft nicht allein angeboten, sondern als Teil eines Ökosystems, das Software zur Druckvorbereitung, Zubehör für die Nachbearbeitung und eine breite Palette an Verbrauchsmaterialien umfasst, die optimal auf den jeweiligen Drucker abgestimmt sind.

Auch das Lasersinterverfahren (SLS), das ursprünglich eher im industriellen Maßstab angesiedelt war, findet mittlerweile seinen Weg in kleinere Varianten, die für den Einsatz in kleineren Unternehmen oder professionellen Umgebungen geeignet sind. Allerdings sind SLS-Desktop-Drucker in der Anschaffung und im Betrieb immer noch vergleichsweise teuer, was ihre Verbreitung bei reinen Privatanwendern bisher einschränkt.

Beispiele moderner Desktop-Drucker

Um die Leistungsfähigkeit und die Merkmale moderner Desktop 3D-Drucker zu illustrieren, betrachten wir zwei Beispiele, die jeweils代表ative für das FDM/FFF- und das SLA-Verfahren stehen.

Ein Beispiel für einen modernen FDM/FFF 3D-Drucker ist der Ultimaker S5. Dieses Modell bietet einen großzügigen Bauraum von 330x240x300 mm, was die Fertigung relativ großer Objekte ermöglicht. Eine Besonderheit des Ultimaker S5 sind seine zwei Druckköpfe. Diese ermöglichen nicht nur den Druck mit zwei verschiedenen Farben gleichzeitig, sondern auch die Kombination eines Modellmaterials mit einem speziellen Stützstrukturmaterial. Letzteres ist wasserlöslich oder leicht zu entfernen und erleichtert das Drucken komplexer Geometrien mit Überhängen.

Der Ultimaker S5 verfügt über intelligente Funktionen, die den Druckprozess optimieren und Fehler minimieren. Eine Filamenterkennung mittels NFC-Chip identifiziert automatisch das eingelegte Ultimaker-Filament und passt die Druckeinstellungen entsprechend an. Ein automatisierter Druckbettnivellierungsprozess sorgt für eine perfekte erste Druckschicht, die entscheidend für den Erfolg des gesamten Drucks ist. Zur Überwachung des Druckprozesses sind eine integrierte Kamera und eine Filamentüberwachung vorhanden, die den Benutzer über den Fortschritt und eventuelle Probleme informieren.

Die Bedienung und Steuerung des Ultimaker S5 ist flexibel. Er kann über LAN oder WLAN ins Netzwerk eingebunden und fernbedient werden, oder direkt über einen USB-Stick und das integrierte Touchdisplay gesteuert werden. Zur Druckvorbereitung bietet Ultimaker die kostenfreie Software Cura an, die als einer der führenden Slicer auf dem Markt gilt und eine intuitive Umwandlung von 3D-Modellen in druckbare Schichten ermöglicht.

Als Beispiel für einen modernen SLA 3D-Drucker dient der Formlabs Form 2. Dieser Drucker nutzt das Stereolithographie-Verfahren und bietet einen Bauraum von 145x145x175 mm. Im Vergleich zu FDM-Druckern ist der Bauraum bei SLA-Desktop-Druckern oft kleiner, was unter anderem an den höheren Kosten für das flüssige Harzmaterial und den technologischen Anforderungen des Verfahrens liegt. SLA-Drucker wie der Form 2 eignen sich hervorragend für Anwendungen, die hohe Auflösung und glatte Oberflächen erfordern.

Formlabs stellt die kostenlose Software Preform zur Verfügung, die den Anwender bei der Druckvorbereitung unterstützt. Sie bietet automatisierte Funktionen zur Orientierung des Modells und zur Platzierung von Stützstrukturen, die bei SLA-Drucken notwendig sind, um das Modell während des Aushärtens zu stabilisieren. Eine manuelle Anpassung der Einstellungen ist jedoch ebenfalls möglich.

Die Druckjobs können per LAN oder WLAN an den Form 2 gesendet und über sein Touchdisplay gestartet, pausiert oder abgebrochen werden. Ein charakteristischer Schritt nach dem Druck bei SLA-Verfahren ist die Nachbearbeitung. Die gedruckten Objekte müssen in Isopropanol gewaschen werden, um überschüssiges flüssiges Harz zu entfernen, und anschließend meist in einer speziellen UV-Kammer nachgehärtet werden, um ihre endgültige Festigkeit und Eigenschaften zu erreichen. Dieser Nachbearbeitungsschritt ist bei FDM/FFF-Drucken in der Regel nicht erforderlich.

Die Zukunft des 3D-Drucks

Die Geschichte des 3D-Drucks ist, wie die Entwicklung der vorgestellten Technologien und die Entstehung neuer Unternehmen und Anwendungen zeigen, noch lange nicht zu Ende geschrieben. Die Verfahren werden kontinuierlich verbessert, neue Materialien entwickelt und die Anwendungsbereiche erweitern sich ständig. Die Vision, dass 3D-Drucker eines Tages ebenso selbstverständlich zu unserem allgemeinen Hausstand gehören wie das Smartphone oder der Personal Computer, erscheint angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung, Kostensenkung und Benutzerfreundlichkeit immer realistischer.

Diese Technologie hat das Potenzial, Lieferketten zu verändern, die Massenproduktion zu ergänzen oder sogar zu ersetzen und eine Ära der personalisierten Fertigung einzuläuten. Die Entwicklungen im Bereich des 3D-Drucks bleiben spannend, und es ist zu erwarten, dass in den kommenden Jahren weitere bahnbrechende Fortschritte erzielt werden, die die Art und Weise, wie wir Dinge entwerfen, herstellen und nutzen, weiter revolutionieren werden.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Wo wurde 3D erfunden?

Die Frage nach dem genauen Ort der 'Erfindung' des 3D-Drucks ist komplex, da es verschiedene parallele Entwicklungen gab. Basierend auf den vorliegenden Informationen wurden jedoch im Jahr 1989 zwei entscheidende Patentanmeldungen für Schlüsselverfahren in den USA getätigt: das Lasersinterverfahren durch Carl Deckard (US4863538) und das FDM-Verfahren durch Scott Crump (US5121329). Im selben Jahr wurde in Deutschland die EOS GmbH gegründet, die sich zu einem führenden Unternehmen im Bereich des industriellen 3D-Drucks entwickelte. Man kann also sagen, dass wichtige technologische Grundlagen und Unternehmen, die den 3D-Druck prägten, Ende der 1980er Jahre in den USA und Deutschland entstanden sind.

Was sind die wichtigsten 3D-Druckverfahren, die im Text erwähnt werden?

Der Text nennt und beschreibt die Grundlagen von drei wichtigen 3D-Druckverfahren: dem Lasersinterverfahren (SLS), dem FDM- bzw. FFF-Verfahren und der Stereolithographie (SLA).

Wofür stehen die Abkürzungen FDM und FFF?

FDM steht für Fused Deposition Modelling, was sinngemäß 'Aufgeschmolzenes zu einem Modell auftragen' bedeutet. FFF steht für Fused Filament Fabrication, also 'Fabrikation aus aufgeschmolzenem Faden'. Beide Begriffe beschreiben das gleiche Grundprinzip des schichtweisen Auftragens von geschmolzenem Kunststoff.

Was ist Filament?

Filament bezeichnet die Kunststoffdrähte, die als Ausgangsmaterial bei 3D-Druckern verwendet werden, die nach dem FDM/FFF-Verfahren arbeiten. Es ist in verschiedenen Materialien, Farben und Durchmessern erhältlich.

Gibt es bedeutende deutsche Unternehmen im Bereich 3D-Druck, die im Text genannt werden?

Ja, der Text erwähnt die EOS GmbH, die 1989 von Hans Langer und Hans Steinbichler in Deutschland gegründet wurde und ein führender Anbieter im Bereich des industriellen 3D-Drucks ist.

Muss man SLA-Drucke nachbearbeiten?

Ja, der Text beschreibt am Beispiel des Formlabs Form 2, dass SLA-Drucke nach dem Drucken in Isopropanol gewaschen und meist in einer UV-Kammer nachgehärtet werden müssen.

Vergleich der Verfahren am Beispiel moderner Desktop-Drucker

Die Entwicklung des 3D-Drucks von seinen Anfängen im Jahr 1989 bis hin zu den hochentwickelten Desktop- und Industriesystemen von heute ist eine beeindruckende Geschichte technologischer Innovation. Verfahren wie FDM, Lasersinterverfahren und Stereolithographie, die von Pionieren wie Carl Deckard und Scott Crump sowie Unternehmen wie EOS vorangetrieben wurden, haben das Fundament für eine Technologie gelegt, die weiterhin das Potenzial hat, unsere Fertigungsprozesse und unser tägliches Leben grundlegend zu verändern. Die fortlaufende Forschung und Entwicklung verspricht eine noch aufregendere Zukunft für den 3D-Druck.

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