3D-Druck – Autoreplikation für schnellere Prototypen-Erstellung

Der Ormerod-3D-Drucker bietet Unternehmern und Entwicklern im Zusammenspiel mit der Modellierungssoftware DesignSpark Mechanical die Chance, Produktentwicklungen zu beschleunigen und Innovationen zu fördern. Der dreidimensionale 3D-Druck, auch „Additives Manufacturing“ genannt, stellt eine Revolution im Bereich der Produktentwicklung und auch für einige Bereiche der Herstellung dar. Ziel ist die Produktion eines Festkörpers mithilfe eines CAD-Modells und eines generativen Fertigungsprozesses. Grundsätzlich werden dabei verschiedene Materiallagen (Plastik, Metall usw.) in verschiedenen Formen aufgetragen. Traditionelle Herstellungstechniken basieren oft auf subtraktiven Verfahren, bei denen Material abgetragen wird – sozusagen wie ein Bildhauer, der die unnötigen Teile eines Marmorblocks beseitigt, um Auguste Rodin frei zu zitieren.
Obwohl der 3D-Druck in der Öffentlichkeit erst seit kürzerem ein Thema darstellt, läuft die Entwicklung bereits seit den 80ern. Es gibt zahlreiche 3D-Druckmethoden, darunter FDM (Fused Disposition Modelling), der aktuell beim preiswerten 3D-Druck am weitesten verbreitete Prozess, SLA (Stereo Lithography), EBM (Electron Beam Melting), LOM (Laminated Object Manufacturing) und viele andere. Diese Techniken werden in zahlreichen Industriebranchen zunehmend zum Rapid Prototyping und zuweilen auch zur Fertigung verwendet. Einsatzbereiche sind Engineering, Bauwesen, Fahrzeugbau, Verteidigungswesen, Medizin und auch zahlreiche Verbraucherbranchen, wie die Bekleidungsindustrie.

Steigende Verbreitung

Seit der Jahrtausendwende sind die Verkaufszahlen von 3D-Druckern stark gestiegen, und dank der schnell sinkenden Preise werden sie immer attraktiver: Modelle für den Massenmarkt sind inzwischen für unter 2.000 Euro zu haben. Ein jüngerer Marktforschungsbericht des Analysten Markets&Markets prognostiziert ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 23 Prozent für 3D-Drucker zwischen 2013 und 2020, mit einem Zielvolumen von  8,41 Milliarden US-Dollar.
Der 3D-Druck verwandelt sich von einer Nischentechnologie, die vor allem von großen Unternehmen eingesetzt wird, zu einem Massenmarkt für Verbraucher und kleine Unternehmen. 3D-Drucker könnten auch zu Hause eingesetzt werden, um dort die Kosten für den Einkauf üblicher Haushaltsprodukte einzusparen. Die Technik wird immer zugänglicher; bald werden Verbraucher selbst verschiedene Produkte herstellen können, die mit denen großer Unternehmen vergleichbar sind.
Aus diesem Bereich gibt es ein interessantes Zitat des Dotcom-Pioniers Joe Kraus, der vor ein paar Monaten in „In Business“, einer BBC-Radio-Sendung, Folgendes über die aktuelle Revolution in Sachen Herstellung und Produktion sagte: „Im 20. Jahrhundert ging es um einige Dutzend Märkte mit Millionen von Kunden. Im 21. Jahrhundert geht es um Millionen von Märkten mit einigen Dutzend Kunden.” Es ist durchaus wahrscheinlich, dass der 3D-Druck, zusammen mit anderen Entwicklungen, etwa Open Source, eine wichtige Rolle dabei spielen wird, eine Zukunft zu schaffen, in der Anpassung an individuelle Verbraucher-Wünsche und eine optimierte Nutzeranpassung wichtiger ist als der althergebrachte Ansatz der Massenware und der „Produkte von der Stange“.

Schnelles Prototyping – Stunden statt Wochen

Der 3D-Druck macht sich bei der Produkt-Entwicklung in vielen Branchen bemerkbar, besonders bei der Herstellung geringer Stückzahlen oder individualisierter Produkte. Für die Produktion großer Stückzahlen stößt die Technik allerdings an ihre Grenzen. Beim 3D-Druck werden Produkte in Schichten aufgebaut. Das bedeutet, dass die strukturelle Integrität der Komponenten dem Einsatz in Produktionsgeräten nicht unbedingt gewachsen ist. Aus diesem Grund wird der 3D-Druck die Produktion mit geschmolzenem Metall in absehbarer Zeit nicht ersetzen können. Für die Produktion großer Stückzahlen ist hingegen die Schnelligkeit der Protoypenfertigung mithilfe des 3D-Drucks von großer Bedeutung, denn zur Erstellung von Prototypen sind keine Maschinenkenntnisse mehr erforderlich. Dies ermöglicht eine schnellere Markteinführung und mehr Freiheit beim Entwurf.
Die Produktentwicklung hat sich in zahlreichen Branchen verbessert wie beispielsweise in der Automobilindustrie, der Verbrauchertechnik bis hin zur Fertigung medizinischer Geräte. Die 3D-Drucktechnik dient in großen und kleinen Unternehmen der Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte als eine Alternative zum Einsatz speziell gefertigter Maschinen-Werkzeuge zur Herstellung von Prototypen für neue Teile oder Komponenten. Dank dieser Methode können Produktentwickler Prototypen innerhalb von Stunden erstellen, statt wie bisher, Wochen oder Monate warten zu müssen. Doch das Verfahren bietet mehr als nur Zeit- und Kosteneinsparungen. Rapid Prototyping per 3D-Druck ermöglicht innovativere und hochwertigere Produkte. Produktentwickler müssen nicht mehr darauf warten, dass ihre Teile oder Werkzeuge von externen Werkstätten oder Spritzgussunternehmen angeliefert werden. 3D-Drucker ermöglichen den physischen Test sowie die weitere Optimierung und Verbesserung von Prototypen, bevor das Produkt in die Massenfertigung geht.

RepRap und Autoreplikation

Aktuelle Trends beim 3D-Druck sind Open-Source-Initiativen und die Entwicklung selbstreplizierender 3D-Drucker: Stellen Sie sich vor, ein 3D-Drucker könnte sich selbst duplizieren? Das „Replicating Rapid Prototyper“-Projekt, auch „RepRapPro“ genannt, wurde 2004 von Adrian Bowyer, einem früheren Professor für Maschinenbau an der Universität von Bath, UK, gegründet. Ziel war, der Öffentlichkeit 3D-Druckmöglichkeiten zu einem annehmbaren Preis zur Verfügung zu stellen. Einfach gesagt ist das RepRap-Projekt eine Initiative zur Entwicklung eines preiswerten 3D-Druckers, der den Großteil seiner Komponenten selbst drucken kann.
RepRap-Drucker verwenden eine auf FDM (Modellbau aus schmelzbarem Material) basierende 3D-Druckmethode, wobei eine computergesteuerte Kunststoff-Klebepistole und ein in eine erwärmte Kammer eingeführter Kunststoffdraht eingesetzt werden. Der Kunststoff wird über eine feine Düse eingespritzt, um eine erste Lage auf einer Bodenplatte zu erzeugen, die dann Schritt für Schritt abgesenkt wird, um Platz für die nächste Lage zu schaffen usw.
Einer der grundlegenden Beweggründe von RepRap ist es, den 3D-Druck allen zugänglich zu machen. Entsprechend ist das Projekt grundsätzlich ein Open-Source-Projekt. Was immer sich selbst vervielfältigen kann, unterliegt den Gesetzen der Evolution; da es sich um eine Maschine handelt, die ihre eigenen Teile herstellen kann, müssen die Designdateien leicht verfügbar sein. Allerdings wird sich die Maschine nicht durch zufällige Mutation weiterentwickeln, sondern eher entlang der Linien eines selektiven Programms, wie es bei der Entwicklung von Linux oder Open Source der Fall ist. Die Mitglieder der RepRap-Gemeinde werden das Design unweigerlich verbessern, es optimieren oder einfacher kopierbar machen, und natürlich werden diese Verbesserungen im Web veröffentlicht werden. Benutzer, die eine ältere RepRap-Maschine besitzen, können mit dieser dann eine neue, auf dem verbesserten Design basierende Maschine erzeugen.
Der RepRapPro Ormerod ist auf RS Online unter de.rs-online.com verfügbar; DesignSpark Mechanical steht als kostenloser Download auf der DesignSpark-Website unter www.designspark.com zur Verfügung. (anm)