3D Drucker von Prototyp bis Kleinserie

3D-Drucker geistern seit Jahren durch die Branche selbst und die Medien, welche über diese Geräte berichten. Den wirklichen Durchbruch in den Mainstream haben sie jedoch noch nicht geschafft – und wahrscheinlich wird dieses Vorhaben auch noch einige Jahre in Anspruch nehmen. Was genau diese neuartigen Drucker sind, wie sie funktionieren und wie auch der durchschnittliche Anwender von ihnen profitiert, zeigen wir in diesem Artikel.

Was genau sind 3D-Drucker?

Grundsätzlich gilt derzeit als 3D-Drucker jedes Gerät, in welches ein bestimmtes Material hineingegeben wird und welches anschließend mittels einer Vorlage ein Objekt wieder ausgibt. Diese recht lose Definition sorgt für einige Probleme: Beispielsweise ist ein 3D-Drucker ein kleines Modell für den eigenen Haushalt, welches zum Beispiel einfache Objekte aus einem plastikähnlichen Material herstellen kann. In der Industrie hingegen gelten diese Geräte auch dann als 3D-Drucker, wenn damit Prototypen von Designstudien „ausgedruckt“ werden – von der Tragfläche eines Flugzeugs bis hin zu Häuserwänden kann inzwischen fast alles gedruckt werden, wenn man über eine entsprechend teure Maschine verfügt.

In diesem Artikel möchten wir uns jedoch auf die erstgenannte Variante konzentrieren: 3D-Drucker, welche – vielleicht noch nicht jetzt, aber in einigen Jahren – für den Haushalt geeignet sind und welche in einer nicht zu fernen Zukunft genauso in eine komplett ausgestattete Wohnung gehören wie ein Computer, ein Kühlschrank oder ein Fernseher. Dort liegt das Potenzial, die Zukunft der Anwender dieser Geräte nachhaltig zu verändern. Bevor wir uns ansehen, wie das geschehen soll, stellen wir drei der derzeit bekanntesten 3D Drucker Hersteller auf diesem noch jungen Markt vor:

Ultimaker

Bei Ultimaker handelt es sich um einen der größten Hersteller von 3D-Druckern für den Privatgebrauch. Das Unternehmen wurde erst 2011 in den Niederlanden gegründet, noch im selben Jahr wurde auch das erste Produkt namens Ultimaker Original verkauft. Das Fachmagazin MAKE hat das Gerät in einem großen 3D Drucker Vergleich gleichzeitig zum schnellsten als auch genauesten 3D-Drucker auf dem Markt gekürt.

Weitgehend wird Ultimaker mit dafür verantwortlich gemacht, den „kleinen Boom“ der 3D-Drucker eingeläutet zu haben. Zwei Jahre später, im September 2013, veröffentlichte das Unternehmen den Ultimaker 2, der noch schneller und genauer arbeitet und dabei weniger Strom und Material für seine Arbeit verbraucht. Außerdem hat das Unternehmen die Software Cura bereitgestellt, welche für die Anwender der Geräte geschrieben wurde.

Leapfrog

Auch Leapfrog wurde in den Niederlanden gegründet, allerdings erst etwas später als der Mitbewerber Ultimaker im Jahr 2012. Zuerst war es das Ziel des Unternehmens, Geräte für die Industrie zu fertigen, damit dort Prototypen oder Ersatzteile für Maschinen gefertigt werden konnten, ohne Kostenexplosionen zu verursachen. Nach der Gründung von Leapfrog entschied man sich, den „ultimativen, robusten und vielseitigen 3D-Drucker“ zu bauen.

Dieser sollte letztendlich auch für den Privatanwender geeignet sein. Wenn man ein Auge auf das Portfolio des Herstellers wirft, wird das auch deutlich: Leapfrog hat mehr Geräte im Angebot als jeder andere Hersteller und ist daher im internationalen Vergleich sehr gut aufgestellt.

Sintermask

Made in Germany: Sintermask wurde 2009 gegründet und hat sich erst in den darauffolgenden Jahren auf die Entwicklung von 3D-Druckern spezialisiert. Das Unternehmen möchte Geräte anbieten, die von Spielzeug über Modelle bis hin zu einfachen Gegenständen wie „Plastikringen für Duschvorhänge“ alles herstellen können, was das Material erlaubt.

Das dazugehörige Produkt hört auf den Namen fabbster: Es handelt sich dabei um den bislang einzigen 3D-Drucker des deutschen Unternehmens. Im 3D Drucker Vergleich zeigt sich außerdem, dass Sintermask die derzeit günstigsten Geräte auf dem Markt hat – wobei Preise von über 1.500 Euro noch immer zu hoch sind, um diese Geräteklasse auch für den durchschnittlichen Anwender in interessante Regionen zu rücken.

Wie funktionieren 3D-Drucker?

Kommen wir nun zum Herzstück des Artikels: Jeder Leser kann sich mit ein wenig Fantasie wohl in etwa vorstellen, wie diese Geräte arbeiten. Ein Material wird in den Drucker eingegeben und dieser stellt daraus beliebige Gebilde her, die vorher als Vorlage an das Gerät gegeben werden. Während diese prinzipielle Methode bei allen 3D-Druckern gleich ist, unterscheiden sie sich hinsichtlich der verwendeten Fertigungsmethoden teilweise erheblich. Als roter Faden zieht sich allein die additive Wirkungsweise durch den 3D-Druck, denn die Modelle entstehen allesamt, indem das Gerät ein Material hinzufügt – und nicht etwa wegnimmt, wie es bei der subtraktiven Fertigung (Sägen, Bohren und dergleichen mehr) der Fall ist.

3D-Druck per Fused Deposition Modeling

Sehr verbreitet ist etwa das FDM-Verfahren: Per Fused Deposition Modeling lassen sich Kunststoffe oder andere weiche Materialien erhitzen, wodurch sie anschließend für eine Weiterverarbeitung geeignet sind. Der Aufbau entspricht einer erhitzten Düse, in welche das genannte Material eingegeben wird. Die präzisen Koordinaten, welche durch die 3D Drucker Vorlagen an das Gerät gesendet werden, hält diese Düse anschließend genau ein. Sobald eine Schicht Kunststoff abgekühlt ist, „druckt“ die Düse anschließend die nächste Ebene auf das Material. Je nach Objekt kann es dann mehrere Stunden dauern, bis das gewünschte Modell fertiggestellt ist.

Probleme bei dieser Fertigung entstehen unter anderem dann, wenn größere Überhänge am Objekt entstehen, welche darüber hinaus so schwer sind, dass sie abbrechen könnten. Da der verwendete Kunststoff nach Verlassen der Düse noch flüssig ist, geschieht dies sehr schnell. Gute FDM-Geräte drucken daher gleichzeitig eine Art stützendes Element, welches jene Übergänge an ihrer angedachten Position hält. Später müssen diese Elemente natürlich entfernt werden – entweder per Hand oder, wenn es besonders sauber sein muss, auch mit ein wenig Sandpapier.

Die Vorteile des FDM-Verfahrens liegen insbesondere in den niedrigen Kosten und der vergleichsweise schnellen Fertigung begründet. Weiterhin sind Kunststoffobjekte ab einer gewissen Stärke sehr belastbar. Als negativ könnten Anwender jedoch empfinden, dass diese Technik nicht immer „sauber“ arbeitet: Geriffelte Oberflächen sind selbst bei gehobenen Geräten immer wieder zu beobachten. Je nach Objekt kann das sogar gewünscht sein – wie etwa bei holzähnlichen Gegenständen –, in der Regel wird dies jedoch als Makel verstanden, welcher technikbedingt aber nicht einfach ausgeglichen werden kann.

3D-Druck durch Laserverarbeitung

Wer mehr Geld investiert, wird belohnt – wie etwa durch dieses Verfahren, welches eigentlich mehrere unterschiedliche Fertigungstechniken einschließt. In jeder Variante wird ein feines Pulver genommen (welches jedoch aus ähnlichen Materialien wie beim FDM-Verfahren bestehen kann) und extrem dünn auf eine Fläche aufgetragen. Der Druckkopf des 3D-Druckers bewegt sich anschließend über dieses Pulver und verfestigt es mit Hitze durch den Einsatz eines Lasers. Namen wie Selective Laser Melting oder Selective Laser Sintering (SLM oder SLS) werden dafür benutzt, bis auf den Namen unterscheiden sich beide Techniken jedoch nicht. Möglich ist hier auch der Einsatz von Farbe durch einen Druckkopf, der mit einem Element erweitert wird, welches einem Tintenstrahldrucker gleicht – wobei dieses Technik dann 3DP heißt. Offensichtlich wird besonders an diesem Namenswirrwarr, dass der 3D-Druck noch immer kaum marktreif ist.

Die Vorteile liegen hier unter anderem in der sauberen Arbeitsmethode: Überhängende Teile werden durch das Pulver gestützt und am Ende einfach weggebürstet, wobei diese Materialien für den nächsten Druck sogar wiederverwendet werden können. Das fertige Modell fühlt sich häufig an wie feines Sandpapier, die Riffelung wie bei FDM-Verfahren entfällt. Die Lasertechniken eignen sich dafür unter anderem für sehr robuste und gleichzeitig fein gearbeitete Objekte. Ein Nachteil besteht jedoch im recht hohen Gewicht, was durch die Verwendung einer speziellen Gipsmischung zu erklären ist, welche für diese Form der 3D-Drucker häufig verwendet wird.

Die schönsten Ergebnisse erzielen die (bereits älteren) Stereolithografie-Drucker: Hier wird ein Kunstharz verwendet, welcher sehr glatte Oberflächen erzielen kann und gleichzeitig die Zeichnung präziser Details erlaubt. Nachteilig ist nur die recht hohe Zerbrechlichkeit, was diese SLA-Maschinen, wie die Kurzform lautet, nicht für Alltagsgegenstände eignet. Für Skulpturen oder Modelle gibt es jedoch kein besseres Verfahren.

Spezialverfahren für spezielle Ansprüche

Da es nicht so scheint, dass sich die Industrie bereits auf ein einziges Fertigungsverfahren geeignet hat, wird natürlich weiterhin an Techniken für den 3D-Druck geforscht. Eine interessante Alternative kommt beispielsweise aus Irland und wurde von der Firma Mcor entwickelt. Da es sich um ein recht komplexes Verfahren handelt, haben wir diese Technik Schritt für Schritt aufgeschlüsselt:

• Gewöhnliches Papier wird zunächst gestapelt und anschließend mit einem Tintenstrahlkopf horizontal durchdrungen. Die Farbe „fließt“ durch die Stärke des Papiers und färbt somit das Modell, bevor es überhaupt entstanden ist.
• Anschließend wird auf jede Schicht unterhalb eines Blattes ein Leim aufgetragen, der die Form des späteren Objekts hat. Darauf wird danach das soeben eingefärbte Blatt Papier gelegt.
• Die Blätter werden nach diesem Verfahren der Reihe nach aneinandergeklebt. Mit einem scharfen Messer wird der überschüssige Anteil des Papiers abgeschnitten, so dass am Ende nur noch ein fertiges Modell übrig bleibt, welches bereits komplett eingefärbt ist.

Wenn dieser Prozess abgeschlossen ist, wird das Objekt noch einmal in ein Bad aus Kunstharz herabgelassen. Mit dem eher rauen Gefühl, das Papier auf der Haut hinterlässt, hat das Objekt dann nichts mehr zu tun. Es entsteht viel mehr ein sehr stabiles, glattes Modell, welches für Vorlagen jeglicher Art geeignet ist. Ein deutlicher Nachteil ist jedoch das (noch) recht langsame Verfahren und die mitunter hohen Kosten, welcher in erster Linie durch die verwendete Farbe verursacht werden – aber möglicherweise ist auch dieses Verfahren ein Mitbewerber für den 3D-Druck der Zukunft.

Ein weiteres, nicht minder interessantes Stück Technik kommt hingegen von vom 3D Drucker Hersteller Stratasys: Die Geräte dieses Unternehmens beherbergen gleich mehrere Drüsen, die mit unterschiedlichen Materialien gefüllt werden können und welche anschließend flüssige Stoffe sofort verhärten. Komplizierte Objekte – wie vielleicht ein Bilderrahmen aus Metall mit einer Oberfläche aus Kunstglas – können so in einem Durchgang gefertigt werden, was natürlich eine erhebliche Zeitersparnis bedeutet. Auch existieren 3D Drucker, welche Kunststoffe vor der Verarbeitung beliebige Konsistenzeigenschaften verpassen können. Im Gegensatz zu den FDM- und Laserverfahren, welche wir bereits angesprochen hatten, sind diese Geräte jedoch eher für die Industrie gedacht und werden in absehbarer Zeit kaum einen Einzug in die Privathaushalte feiern können.

Können Bausätze für 3D-Drucker die „echten“ Geräte ersetzen?

Insbesondere der erwähnte Hersteller Sintermask aus Deutschland hat sich auch einen Namen in Bastlerkreisen gemacht – durch den Verkauf von Geräten zum Selberbauen. Mit einem 3D Drucker Bausatz können ebenso interessierte wie hoffentlich versierte Anwender den Zusammenbau des Druckers selbst in die Hand nehmen. Der Vorteil: Die Preise für den Drucker selbst sinken auf wenige Hundert Euro und die Qualität der ausgedruckten Objekte entspricht – im Idealfall – den Modellen, welche auch aus den professionell zusammengestellten Geräten entspringt. Trotzdem genießt der 3D Drucker Bausatz sogar innerhalb der Szene einen noch nicht gänzlich guten Ruf, was vor allem an der neuartigen Technik liegt.

Denn gerade neue Anwender, die noch nie vorher mit einem 3D Drucker gearbeitet haben, können sich nicht auf Erfahrungswerte berufen. Wer schon einmal an einem Auto geschraubt hat, wird auch in etwa wissen, wie das nächste Auto aufgebaut ist – und eine ähnliche Analogie könnte in vielen technischen Bereichen gezogen werden. Da es sich beim 3D-Druck jedoch nicht um eine massenmarktkompatible Technik handelt, müssen hier erst von Grund auf neue Erkenntnisse gesammelt werden. Entsprechend hoch fällt damit auch die Einstiegsschwelle aus. Für Anfänger haben wir daher einen Tipp: Besorgen Sie sich ein fertiges Gerät und lernen Sie die Technik kennen, bevor Sie sich an den Kauf eines eigenen Bausatzes wagen.

3D-Druck nach eigenen Vorstellungen?

Software wie Cura oder andere Programme für die Erstellung von 3D-Modellen lädt natürlich auch dazu ein, jene Fähigkeiten zu nutzen. Vielleicht ist es in zehn Jahren bereits üblich, dass jeder Anwender seinen Haushalt mit Gegenständen ausstattet, welche genau den eigenen Vorstellungen entsprechen. Bis es so weit ist, muss sich aber vor allem die genannte Software noch weiterentwickeln: Ähnlich wie die 3D-Modellierung für Computergrafiken ist nämlich auch die Erstellung von 3D Drucker Vorlagen sehr kompliziert und für den durchschnittlichen Käufer nicht zumutbar. Dass wir in einigen Jahren in komplett individualisierten Haushalten wohnen, ist also zwar eine schöne Vorstellung – aber tatsächlich passieren wird dieses kleine Wunder wohl noch nicht.

3D-Druck und das Urheberrecht

Während all die Fertigungsverfahren technisch interessant sind, dürfen wir zu guter Letzt nicht vergessen, dass noch ein wichtiger Punkt einer weitreichenden Verbreitung im Weg steht: das Recht. Beispielsweise argumentieren viele Gegner der 3D-Drucker in Privathaushalten ähnlich wie in Musik- oder Filmbeispielen: Diese Inhalte sind urheberrechtlich geschützt und dürfen nicht einfach heruntergeladen werden.

Was aber geschieht, wenn Nutzer Vorlagen für beispielsweise Kunststoffschalen für die Küche herunterladen und diese anschließend ausdrucken, obwohl diese Produkte im Handel einen bestimmten Wert haben und eigentlich gekauft werden müssten? Wo beginnt das Plagiat und wo handelt es sich um Eigenkreationen durch andere Anwender? Gibt es in naher Zukunft Tauschbörsen für Vorlagen, in welchen es Haushaltsgegenstände jeglicher Art zum Herunterladen gibt – und wenn ja, wie beeinflusst dies die Weltwirtschaft, wenn plötzlich kein Bedarf mehr nach Messern und Gabeln aus dem Fachhandel besteht?

Offensichtlich ist nach diesem Absatz nur eine Tatsache: Es bestehen sehr viele Fragen, auf welche es bislang noch keine verbindlichen Antworten zu geben scheint. Bislang stehen die hohen Preise – beim erwähnten Hersteller Leapfrog kostet das günstigste Modell beispielsweise noch immer mehr als 1.000 Euro, während das Spitzenmodell schon beinahe mit 7.000 Euro zu Buche schlägt – und die relativ kompliziert zu bedienenden Geräte und Software einer weiten Verbreitung noch im Weg. Sobald diese Hürde genommen ist (und dazu wird es mit absoluter Sicherheit kommen), werden die Gesetzgeber jedoch über eine neue Form des Urheberrechts nachdenken müssen, um nicht in ein ähnliches Desaster zu rutschen wie die Content-Inhaber der Musik- und Filmindustrie.

Fazit

Welches Fertigungsverfahren der 3D-Drucker am Ende tatsächlich die Oberhand behalten wird, ist noch nicht absehbar. Alle in diesem Artikel genannten Techniken haben eigene Vor- und Nachteile – doch übergreifend scheitert die weite Verbreitung des 3D-Drucks noch immer an den immensen Kosten, die mit der Anschaffung eines solchen Geräts zusammenhängen. Weiterhin gibt es noch einige andere Baustellen zu verzeichnen, denn die Drucker sind sperrig, schwer, laut und aufgrund ihrer eher rustikalen Optik nicht wohnzimmertauglich. Gleichzeitig gilt jedoch, dass man auf diese Zeilen in einigen Jahren nur noch lächelnd zurückschauen wird, denn dann wird der 3D-Drucker bereits zum Standard in jedem Haushalt gehört.