3D-Druck

In der Kunststoffverarbeitung haben die additiven Fertigungsverfahren ihren Ursprung. Bereits seit den 1980er-Jahren werden unterschiedliche Technologien eingesetzt und entwickelt. Das Fused Layer Modeling, welches Kunststoffe verarbeitet, ist bereits seit den 1990er Jahren kommerziell im Einsatz. Besonders die Entwicklung von Prototypen aus Kunststoffen steht dabei im Vordergrund. Mittlerweile haben die kunststoffverarbeitenden Verfahren einen Reifegrad erreicht, der die Serienfertigung von Hochleistungspolymeren in zertifizierten Branchen, wie der Luftfahrt oder der Medizintechnik ermöglicht.[8] Die erreichbare Genauigkeit eines Kunstharz-Druckers betrug Ende 2012 bei der Positionierung 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.[9]

Die additive Fertigung von Metallbauteilen kann direkt oder indirekt erfolgen, dabei kann eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3D-Druck verwendet werden.

Bei der direkten Herstellung von Metallbauteilen entsteht das Metallbauteil mit vollwertigen Eigenschaften direkt durch den additiven Aufbau. Auf Grund der Komplexität der Geräte mit Laser, Galvo-Scannern und spezieller Materialanforderungen sind die Investitionen jedoch wesentlich höher als bei der Kunststoffverarbeitung. Neben den hohen Kosten gibt es noch weitere Hürden, die einer großflächigen industriellen Nutzung von 3D-Druckern entgegenstehen, wie zum Beispiel die teilweise noch unzureichende Qualität, eine niedrigere Produktionsgeschwindigkeit oder fehlendes Know-how der Unternehmen.[10]

Bei der indirekten additiven Fertigung wird durch den 3D-Druck lediglich ein Grünling erzeugt, der dann in Ofenprozessen entbindet und zum gewünschten Metallbauteil gesintert wird. Diese Prozesskette hat eine große Ähnlichkeit zum Metal Injection Moulding (MIM, konventionelles Fertigungsverfahren der Pulvermetallurgie).[11] Darum wird dieses Vorgehen auch als sinterbasierte additive Fertigung bezeichnet.

Wie bei anderen automatisierten Verfahren ist je nach Anwendungsbereich eine Nachbearbeitung notwendig.[12] Verschiedene Methoden der Nachbehandlung werden angewendet, um die Bauteile zu veredeln:

• Beschichtung durch Galvanisierung[13]
• Hybridisierung mit anderen Materialien (zum Beispiel Kohlenstofffasern) oder anderen Halbzeugen (Rohren, Platten, …)

Ein Statusbericht der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) vom September 2014 den additiven Fertigungsverfahren oder 3D-Druck bietet eine allgemeine Orientierung.[14]

Innerhalb der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren stellen die 3D-Drucker die wichtigste Teilklasse der additiven, also aufbauenden Fabrikatoren dar.

Zu den Verfahren des Freistrahl-Bindemittelauftrages zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen wird, um pulverförmiges Material zu verbinden.[24] In diese Kategorie fällt unter anderem das Binder Jetting (früher auch 3D-Drucken).[20][26]

Zum Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen gebündelte thermische Energie genutzt wird, um Material, dort wo es aufgebracht wird, zu verbinden.[24] In diese Kategorie fällt unter anderem das Laserauftragschweißen.

Zur Materialextrusion zählen die additiven Fertigungsprozesse bei denen Material selektiv durch eine Düse oder Öffnung abgelegt wird.[24] In diese Kategorie fällt unter anderem das Fused Layer Modelling.[20][26]

Zu den Verfahren des Freistrahl-Materialauftrages zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen Rohmaterial in Form von Tropfen selektiv abgelegt wird.[24] In diese Kategorie fallen unter anderem das Poly-Jet Modelling[20] und das Multi-Jet Modelling.[20][26]

Zu den Verfahren des pulverbettbasierten Schmelzen zählen die additiven Fertigungsprozesse bei denen thermische Energie selektiv Regionen eines Pulverbettes verbinden oder verschmelzen.[24] In diese Kategorie fallen unter anderem das Laser-Sintern, das Laser-Strahlschmelzen, das Elektronen-Strahlschmelzen und das Thermotransfer-Sintern.[20][26]

Zu den Verfahren der Schichtlaminierung zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen Lagen (z. B. Platten) eines Materials verbunden werden um ein Bauteil zu formen.[24] In diese Kategorie fällt unter anderem das Layer Laminated Manufacturing.[20][26]

Zu den Verfahren der badbasierten Photopolymerisation zählen die additiven Fertigungsprozesse, in denen flüssiges Photopolymer in einem Behälter selektiv ausgehärtet wird, hervorgerufen durch eine Licht aktivierte Polymerisation.[24] In diese Kategorie fallen unter anderem die Stereolithografie und das Digital Light Processing.[20][26]

Meist arbeiten 3D-Druckmaschinen nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Kombinierte Verfahren überwinden diese Einschränkung und ermöglichen beispielsweise die werkzeuglose Produktion von Mikrobauteilen, Fluidik und Mikrosystemen. Über Photopolymerisation werden auf Kunststoffen basierte Mikrobauteile hergestellt. Metallische und andere funktionelle Schichten werden direkt strukturiert und schichtübergreifend integriert. Elektronische Bauelemente wie Prozessoren, Speicherelemente, Sensoren, passive Bauteile und Energiespeicher werden im Stack oder lateral eingebaut und parallel kontaktiert.[27] Versuchsweise wurden schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben Wissenschaftler der Cornell-Universität die Teile für eine Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gefertigt.[28]

Zu den Extrusionsverfahren zählt ein anderes kombiniertes Druckverfahren, die Faserverbund-Coextrusionstechnologie des Luxemburger Unternehmens Anisoprint. Mit einem speziellen – im ungehärteten Zustand niedrigviskosem – Polymer imprägnierte Fasern werden erwärmt, so dass die Polymere aushärten und eine feste, steife Substanz ergeben. Diese derart behandelten Verbundfasern werden zusammen mit Kunststoff durch eine Düse gezogen, so dass der Kunststoff die Fasern miteinander verbindet.[29]

Mittels Multi-Material Jetting hergestelltes Modell eines menschlichen Schädels

Mittels Drucks in zwei Komponenten, von denen später eine, die nur vorübergehende Heftfunktion hat, etwa beim Poly-Jet Modeling durch Wasser[30][31] herausgelöst oder beim Binder Jetting als loses Pulver aus Fugen geblasen[32] wird, lassen sich einander durchdringende oder formschlüssig verbundene, doch drehbare oder verschiebbare Teile herstellen. Bei der Oberflächenbehandlung gibt es Überschneidungen mit anderen oder ähnlichen Verfahren.

Hewlett-Packard hat Ende Oktober 2014 einen 3D-Drucker mit der Multi Jet Fusion-Technologie vorgestellt. Bei diesem 3D-Druckverfahren werden auf das im Bauraum des 3D-Druckers liegende Pulver verschiedene flüssige Bindemittel aufgesprüht. Die konturierten Flächen – auf denen die Bindemittel aufgetragen wurden – werden über eine Wärmequelle ausgehärtet. Um scharfe Konturen zu ermöglichen, wird ein weiteres Bindemittel verwendet.

Das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben ist beim Multi-Jet Modeling und dem von Arburg entwickelten Kunststoff-Freiformen simultan möglich. So können Prozesse in einem Arbeitsgang durchgeführt werden, wo bisher mehrere Fertigungsschritte benötigt wurden. Beispielsweise kann ein Objekt stellenweise mit gummiähnlichen Flächen stoßresistent gemacht werden.[33]

Eine andere Anwendung ist das Fuel Cell Printing des Druckmaschinenherstellers Thieme GmbH & Co. KG aus Teningen, eine Art 3D-Siebdruck mit unterschiedlichen Materialien zur Herstellung von Brennstoffzellen, welche vergleichbar mit Batterien aus mehreren Schichten – wie etwa Isolierschichten und Membranen – aufgebaut werden.[34]

Außerdem werden Verfahren in Hybridmaschinen eingesetzt, die 3D-Druckverfahren beispielsweise mit spanabhebenden Verfahren kombinieren. Dazu gehören Maschinen, welche Laserauftragschweißen oder das Metall-Pulver-Auftragverfahren mit Fräsverfahren verbinden und die Bearbeitung eines Werkstückes in einer Aufspannung ermöglichen.[35] Die Bearbeitung in einer Aufspannung bedeutet, dass das Werkstück nur einmal in der Maschine eingespannt/befestigt werden muss, obwohl es mit mehreren Werkzeugen bearbeitet wird. Jede Übergabe an ein anderes Spannwerkzeug kann mit dem Risiko verbunden sein, dass die geforderte Genauigkeit oder die zulässigen Toleranzen nicht mehr eingehalten werden.

Gerät zum Lasersintern

Additive Fertigungsverfahren werden bereits in verschiedenen Industriebranchen, wie dem Maschinen- und Anlagenbau, der Automatisierungstechnik[54], dem Automobilbau[53][54], der Luft- und Raumfahrtindustrie[53][54][56], sowie dem Schiffbau und der Marinetechnik[43][44][42][11] eingesetzt. Des Weiteren zählen zu den industriellen Anwendungsgebieten die Gießereitechnik[53][54], der Werkzeug- und Formenbau[53][54], die Elektro- und Elektronikindustrie[54], die Medizintechnik[53][54][57], die Montagetechnik[54] und die Verpackungsindustrie.[58]

Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen der Herstellung von Modellen, Prototypen und Einzelstücken einerseits und der Serienfertigung andererseits. 3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen (Rapid Prototyping), dann der Herstellung von Werkzeugen (Rapid Tooling) und schließlich von Fertigteilen (Rapid Manufacturing), von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden.[59][54] In den letzten Jahren wurden die Anwendungsgebiete für die Additiven Fertigungsverfahren auf weitere Felder ausgedehnt.

In Verbindung mit weiteren modernen Technologien wie zum Beispiel dem Reverse Engineering, dem CAD sowie heutigen Verfahren des Werkzeugbaus wird die Verfahrenskette innerhalb der Produktentwicklung auch als Rapid Product Development bezeichnet. Weiterhin wird durch die digitale Schnittstelle der 3D-Drucker und deren automatisierter Fertigungsprozesse eine dezentrale Produktion ermöglicht (Cloud Producing).[60]

3D-Druck-Verfahren werden bisher vor allem dann eingesetzt, wenn geringe Stückzahlen, eine komplizierte Geometrie und ein hoher Grad der Individualisierung gefordert sind. Solche Bereiche sind unter anderem der Werkzeugbau, die Luft- und Raumfahrt oder medizinische Produkte.

Wikipedia-Globus als 3D-Druck

3D-Drucker für Heimanwender unterscheiden sich in der Arbeitsweise nicht grundsätzlich von professionell eingesetzten Geräten, unterliegen jedoch verschiedenen Einschränkungen, primär hinsichtlich der verarbeitbaren Materialien sowie der möglichen Baugrößen. Ganz überwiegend werden Drucker für Kunststofffilamente eingesetzt, zunehmend aber auch Drucker für UV-aushärtende Harze (Resin) in LCD-Technik.

3D-Drucker nach dem FDM-Verfahren für Heimanwender

Neben den auch bei 2D-Druckern wesentlichen Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Auflösung ist wichtig, welche Materialien verwendet werden können und wie sie verarbeitet werden. Die weit verbreiteten 3D-Drucker für die Heimanwendung (besonders die teil-autoreplikativen RepRap-Modelle) verwenden zum Großteil Polylactide (PLA) als Material, das sich auf Grund der relativ einfachen Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises besonders eignet. Daher unterstützen praktisch alle bekannten 3D-Drucker für die Heimanwendung diesen Materialtyp. PLA eignet sich sehr gut für Deko-Objekte, Anschauungsmodelle, Spielzeuge, Schmuck- oder Gebrauchsgegenstände, die keiner erhöhten mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt sind und die, da es weder dauerhaft wetterfest noch UV-stabil ist, nicht im Außenbereich eingesetzt werden.

Werden höhere Festigkeiten, Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit im Vergleich zu PLA gefordert, eignet sich der Einsatz von ABS. ABS ist allerdings schwerer zu verarbeiten als PLA, benötigt eine beheizte Druckplatte und hat einen höheren Schmelzpunkt von über 220 °C.[61]

Zunehmend wächst auch im Heimbereich die Verwendung technischer Kunststoffe wie ASA (Einsatz wie ABS, aber für den Außenbereich geeignet, da UV-beständig), PETG oder TPE/TPU (Flexfilamente). Andere technische Kunststoffe wie Polyamid (Nylon) oder Polycarbonat sind mit Druckern in Basisausstattung nicht verarbeitbar, da sie beispielsweise Drucktemperaturen über 250 °C, spezielle Druckbetten oder zwingend einen geschlossenen Bauraum benötigen.

Echter Metall-3D-Druck für die Heimanwendung ist derzeit wegen der erforderlichen Nachbearbeitungsschritte nicht üblich. Die für den Hobbybereich angebotenen „Metall“-Filamente weisen, ähnlich wie „Holz“- oder „Stein“-Filamente nur einen gewissen Anteil entsprechender Füllstoffe auf, um eine spezielle optische Anmutung zu erreichen.[62] Der Einsatz von glas- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen für mechanisch hochbelastbare Objekte ist auch mit Hobbydruckern möglich, allerdings verschleißen die üblichen Messingdüsen damit sehr schnell. Für viele Fabrikate sind Ersatzdüsen aus gehärtetem Stahl oder sogenannte Rubindüsen verfügbar.

Für den Modellbau reicht die Auflösung von Filamentdruckern gewöhnlich nicht aus.[12] Hier ist eher der Einsatzbereich der Resin-Drucker zu finden, die Detailauflösungen bis unter 20 µm erreichen können.

Fertige Modelle für den 3D-Druck in Form von CAD-Dateien können von Online-Tauschplattformen wie Thingiverse heruntergeladen werden. Bei der Verwendung von fremden Modellen ist zu beachten, dass auch für den 3D-Druck die Regeln des Urheberrechts gelten,[63] insbesondere bei Patenten und Gebrauchsmustern. Zeitgleich ist die Weiterentwicklung von Heim-3D-Druckern und deren Anwendung eng mit Open-Source-Hardware und freien Lizenzen verbunden.[64][65][66]

Makerspace mit RepRap-FLM-Drucker

Es ist außerdem möglich, sein Objekt in einem FabLab[67] ausdrucken zu lassen oder die CAD-Datei bei Online-Services hochzuladen und sich sein Produkt nach Hause liefern zu lassen. 3D-Scanner, um Objekte in Daten umzuwandeln, sind nicht immer erforderlich. Manchmal funktioniert das Erstellen des digitalen Modells bereits mit einer Webcam und einer speziellen Software. Es werden auch Online-Dienste angeboten, die ein Objekt anhand von Fotos aus verschiedenen Perspektiven in eine Datei umwandeln.

Auch in der Kunst-[53][54] und Designwelt[54] verbreitet sich die Nutzung von 3D-Druck.[68] Künstler kreieren mit Hilfe von 3D-Druckern Skulpturen, Reliefs und andere dreidimensionale Objekte. Künstler setzen die Technologie sowohl zur Erstellung von Prototypen als auch für die fertigen Kunstwerke ein. Hierbei kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz oder es wird sogar auf die Zusammenarbeit mit Tieren gesetzt, wie bei Neri Oxman.[69] Der 3D-Druck erweitert das Spektrum, da auch komplexeste Formen möglich sind.[70]

Ein 3D-Bioprinter zum Drucken von Zellmaterial

In biotechnologischen, chemischen und physikalischen Laboren wird der 3D-Druck angewendet, um Reaktionsgefäße, Messapparaturen und Minireaktoren geeigneter Geometrie zu erzeugen.[71] Beispielsweise werden Stopped-Flow-Kammern und Strömungsreaktoren für die Umsetzung von sehr kleinen Volumina im Bereich weniger Milliliter gedruckt. Über die Wahl der Geometrie der Mischkammer kann dabei teilweise das sich bildende Produkt gesteuert werden.[72] Bei dem 3D-Druck von Gefäßen mittels Fused Layer Modeling besteht die Möglichkeit, Reaktanden während des 3D-Druckes in den inneren Hohlraum einzufüllen und so geschlossene Reaktionsgefäße zu erzeugen.[71][72] Durch den 3D-Druck von Objekten in Form der Geometrie von klassischen Küvetten und Messröhrchen z. B. für die UV/VIS, IR- oder NMR-Spektroskopie in einer Schutzgasatmosphäre können dabei empfindliche Reagenzien eingeschlossen und der Reaktionsverlauf ohne Probenentnahme mit verschiedenen Routinemethoden untersucht werden.[73] Auch in der naturwissenschaftlichen Ausbildung und Lehre werden 3D-gedruckte Modelle eingesetzt. Von besonderem Interesse ist dabei die maßstabsgetreue Wiedergabe der Realität. So können maßstabsgetreue Molekülmodelle in stereochemischen Vorlesungen zur Diskussion von Bindungslängen, Bindungswinkeln und deren Auswirkung auf die Molekülstruktur und Reaktivität herangezogen werden.[74]

Da alle die Dateien aller 3D-Druck-Modelle frei mit Fachkollegen geteilt werden können, befördert die Verfügbarkeit der Technologie zum Teil bedeutende Kosteneinsparungen.[75]

Das Tecla-Öko-Haus aus einer Ton-Mixtur zum Stand 2021[76]

Die Idee zum Einsatz im Bauwesen[77][78] entstand aus den Erfahrungen mit Fertighäusern. Damit kann ein Gebäude exakt nach der Computerzeichnung entstehen.[79] Weitere Vorteile können ein geringerer Arbeitsaufwand, geringere Baukosten, höhere Nachhaltigkeit, schnellere Produktion und verbesserte Ermöglichung eines Eigenbaus sein.[80][81][82] Es wird auch für zukünftige Projekte im All in Betracht gezogen.[83]

Eine Konstruktion, eine Visualisierung und ein 3D-gedrucktes Modell der Fassade des Pariser Palais du Commerce

In der Architektur werden Additive Fertigungsverfahren eingesetzt, um Architekturmodelle zu erzeugen und Bauherren eine Vorstellung von den Details des Entwurfs zu geben.[54]

In Großbritannien wurden beispielsweise mehrere Schulen in einem Testprogramm mit einem 3D-Drucker ausgestattet. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Testphase plante der britische Bildungsminister Michael Gove weitere Investitionen von rund 500.000 Pfund für die Ausstattung von öffentlichen Schulen in Großbritannien mit 3D-Druckern.[84]

Auch in Deutschland werden inzwischen schon seit Jahren 3D-Drucker als Bildungsinstrument an zahlreichen Schulen eingesetzt. Firmen wie Fabmaker und MakerBot bieten neben besonders geeigneten 3D-Druckern abgestimmte Unterrichtsmaterialien sowie eine eLearning-Plattform als Lehr- und Lernkonzept an.[85][86][87] Zu Beginn erwerben Jugendliche grundlegende Fähigkeiten in der Gestaltung dreidimensionaler Objekte mit einfachen CAD-Programmen oder durch kurze Code-Programmierung. Anschließend lernen sie, diese Objekte mit 3D-Druckern herzustellen. Damit sollen Jugendliche zu Technikanwendungen und zu Programmierung hingeführt werden. Auch auf der Bildungsmesse didacta in Köln geht es um die Frage, wie sich in Zukunft 3D-Technologien wie additive Fertigung in den Unterricht integrieren lassen.[88]

In der Gesundheitsversorgung findet die Additive Fertigung in vielfältiger Weise Anwendung. Zu den Einsatzgebieten zählen die Medizintechnik[53][54][57], das Bioprinting[89][57] und die Zahntechnik[53][54]. Darüber hinaus finden die Verfahren Anwendung bei der Herstellung von Brillen[90][91][92] und von Hörgeräten[53][54][93][94][95].

Die Hörgerätetechnik[54] nimmt eine Vorreiterrolle beim Einsatz von additiven Fertigungsverfahren im Bereich des Rapid Manufacturing ein. Seit etwa 2003 ersetzt der 3D-Druck die traditionelle Herstellungsweise. Die Technologie hat sich in dem Feld rasend schnell etabliert, binnen 2 Jahre wurden mehr als 40 % Weltproduktion von Otoplastiken additiv gefertigt. Die zentrale Anwendungen ist dabei die Herstellung von Formpassstücken (Otoplastiken und Schalen) für Hörgeräte und damit ein Kunden-individuelles Produkt in der Serienproduktion. Der grundlegende Vorteil ist, dass der hohe handwerkliche Aufwand der traditionellen Herstellung automatisiert wird und somit Zeit gespart und viele Fehlerquellen vermieden werden, was letztendlich zu einer höheren Passungsgenauigkeit im Ohr des Patienten führt. Zusätzlich dazu ermöglichen die 3D-Druck-Verfahren ein neuartiges Design, welches traditionell nicht herstellbar ist. Es können spezielle Kanäle im Bereich der Ohrmuschel in die Otoplastik konstruiert werden, die die Belüftung verbessern und die Rückkopplungsneigung des Gerätes verringern. Als Material kommen im Wesentlichen biokompatible Harze zum Einsatz.[96]

In der Dentaltechnik werden schon seit einigen Jahren Brücken und Kronen aus Cobalt-Chrom-Legierungen direkt additiv gefertigt. Zusätzlich dazu finden 3D-Druck-Verfahren Anwendung in der Fertigung von Schienen, Schablonen, Abdrucklöffel oder in der Herstellung von Wachsgussformen zur indirekten Herstellung von Zahnersatz. Unter den eingesetzten Materialien finden sich Polymere, Keramiken und Hybridmaterialien, welche überwiegend mit den Verfahren Pulverbettfügen von Metallen mittels Laserstrahl und Badbasierte Photopolymerisation mittels UV-Licht verarbeitet werden.[54]

In der Endoprothetik werden unter anderem Knie-, Hüft- und Bandscheibenimplantate aus Titanlegierungen produziert, genauso wie individuelle Schädelplatten. Darüber hinaus werden auch Bohrschablonen als Hilfsmittel für die Chirurgen während der Operation hergestellt. Besondere Vorteile die der 3D-Druck bietet sind individuelle Implantate, die auf 3D-CT oder 3D-MRT-Scans des menschlichen Knochens basieren. Weitere Vorteile bieten Oberflächen des Implantats mit Knochenkontakt, die mit porösen Strukturen gefertigt werden, welche darauf optimiert sind, dass sich neue Zellen bilden und das Verwachsen des Knochens mit dem Implantat um einer Prothesenlockerung entgegenzuwirken.[54]

Im Bereich der medizinischen Hilfsmittel werden mittels 3D-Druck sowohl externe Prothesen als auch Orthesen hergestellt. Außerdem werden auch noch Schienen und orthopädische Schuheinlagen additiv gefertigt. Zu den Vorteilen zählen optimierte mechanische Eigenschaften und spezielle Körperverträglichkeit (z. B. Hautverträglichkeit).[54] Besondere Entwicklungen bieten Vorteile durch nachhaltige Materialien, wie solche die auf Rizinusöl basieren.[97]

In der medizinische Ausbildung und der Operationsvorbereitung wird der 3D-Druck eingesetzt um Anschauungsobjekte z. B. von Organen und anatomische Modelle herzustellen. Außerdem ermöglichen die Verfahren das Erzeugen von Modellen auf Basis realer Patientendaten für die medizinische Ausbildung, die Operationsvorbereitung und zur Unterstützung der Diagnostik. Als Materialien kommen hier vor allem Gips und Kunststoff zum Einsatz.[40]

Bei medizinischen Geräten findet der 3D-Druck in unterschiedlichster Form Anwendung. Dies ist zum Teil in Form von Komponenten, die in Therapiegeräten verbaut sind und von außen nicht erkennbar sind, wie ein strömungsoptimierter Luftverteiler im Handstück eines Therapiegerätes. Die Teile werden in Serienproduktion über mehrere Jahre hergestellt. Stückzahlen von mehr als 50.000 Teilen werden dabei in einigen Fällen erreicht. In solchen Fällen werden in einem Fertigungslauf gleich größere Stückzahlen, wie 300 Teile, produziert. Vorteile liefert der 3D-Druck hier bei Designoptimierungen, z. B. in dem zwei Teile eingespart werden und dadurch eine Einsparung in der folgenden Herstellungskette durch die Halbierung der Montagezeit erzielt wird. Oder durch strömungsoptimierte Kanäle und Integration von Funktionen, wie Kabelkanäle, die zu kleineren Bauformen und geringerem Gewicht führen. Das Entfallen der Werkzeugkosten führt dazu, dass die Herstellung mittels 3D-Druck auch schon bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich ist. Das Einsparen von Entwicklungszeit für Werkzeugen, gegenüber dem Spritzguss beschleunigt den gesamten Entwicklungsprozess und den Markteintritt.[98]

Bei Brillen (Augenoptik) gibt es bereits auch einige Anwendungsfälle, in denen 3D-Druck in medizinischer Hinsicht Vorteile bietet. Beispielsweise werden an die Kopfform des Trägers angepasstes Gestelle der Brille produziert, indem zunächst der Kopf über Kameras eingescannt wird und das Gestell darauf modelliert wird. Anschließend wird das individuelle Brillengestell für den Kunden hergestellt.[99][100][101] In anderen Fällen werden Brillengläser mit integrierten Wellenleitern hergestellt, welche Augmented-Reality-Funktionen ermöglichen.[102] Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Überproduktion dadurch verringert wird, dass Brillengestelle nur noch auf Bestellung für die Käufer hergestellt werden oder nachhaltige Materialien, basierend auf Rizinusöl, für die Herstellung eingesetzt werden.[103] 2020 prognostizierte das Marktforschungsunternehmen SmarTech Analysis für den 3D-Druck im Brillengeschäft ein jährliches Wachstum von 20 %, inklusive Sportbrillen und Smart-Brillen.[104]

3D Lebensmitteldruckverfahren zur Herstellung von pflanzlichen Fisch-Alternativen

Der Bereich des Bioprinting ist (Stand 2023) geprägt von intensiver Forschung und Entwicklung. Es wird an Anwendungen geforscht, um verletzte Organe direkt im Körper zu reparieren oder Ersatzorgane herzustellen. Des Weiteren werden mittels 3D-Druck organisches Material als Forschungsobjekte hergestellt, welche Tierversuche in solchen Fällen ersetzen sollen. Konkret wird daran geforscht, mit 3D-Druck Isulationskammern zu produzieren, welche zur Ansiedlung von Zellen dienen und die bei der Reparatur von Weichteilverletzungen unter die Haut implantiert werden. Vorteile bieten sich, unabhängig von Organspenden zu werden und minimalinvasive Eingriffe zu ermöglichen, sowie komplexe Wunden zu schließen.[105]

3D-Lebensmitteldruck wird für eine Vielzahl an Lebensmittelanwendungen entwickelt, etwa für die Herstellung von weichen Nahrungsmitteln für Dysphagie-Patienten, für komplexe Strukturen/Formen sowie für pflanzliche Fleisch-Alternativen. Der 3D-Druck von unterschiedlichen Materialien ermöglicht hier neue Materialeigenschaften, welche durch die konventionelle Lebensmitteltechnologie oft nicht realisiert werden können[106].

Im Rahmen der Ukraine Defense Contact Group („Ramstein-Format“) am 19. März 2024 wurden der Ukraine neben Artilleriemunition, gepanzerten Gefechtsfahrzeugen und anderen Gegenständen auch mobile 3D-Großdrucker zugesagt, um sie bei der Ersatzteilversorgung zu unterstützen.[107]

Die Übergabe der 3D-Modelle von CAD zu 3D-Druck CAM findet meist über die STL-Schnittstelle statt. Da diese lediglich Informationen über die Geometriedarstellung abbildet, werden alternativ auch andere Dateiformate verwendet, um zusätzliche Informationen auszutauschen. Die Formate VRML und OBJ speichern zusätzlich zur Geometrie noch Farbinformationen. Das in der Norm ISO/ASTM 52915 definierte AMF-Format geht noch weiter und kann allgemeine Informationen wie Materialeigenschaften abbilden und erlaubt darüber hinaus die Möglichkeit, gekrümmte Flächen zu speichern.[112][38] Das jüngste gängige Format ist das 3MF-Format, auch dieses speichert Informationen zusätzlich zu den Geometrieinformationen. Das in der Norm ISO/ASTM 52915-16 definierte Format wurde vor allem bekannt durch die Einführung von Microsoft in seinem Betriebssystem Windows 8.1.

Umwandlung eines 3D-Modells in einen druckbaren Gegenstand

Da die 3D-Druckverfahren schichtweise arbeiten, müssen die 3D-Konstruktionsmodelle für den Fertigungsprozess in Schnittkonturen zerlegt werden.[38] Neben einer Vielzahl an proprietären Dateiformaten unterschiedlicher Anlagenhersteller, werden für den Austausch der Schichtinformationen die beiden Dateiformate CLI und SLC verwendet. Diese Dateien können im einfachsten Fall lediglich die Beschreibung der Konturen für jede Schicht enthalten oder aber darüber hinaus bereits Informationen zum Fertigungsprozess. Am ausgeprägtesten ist dies beim G-Code, der in einer speziellen Ausprägung im Bereich des Fused Layer Modeling eingesetzt wird.[113]

Es existiert kein Beruf, der speziell auf eine Tätigkeit im Bereich der additiven Fertigung vorbereiten würde. Allerdings gibt es zahlreiche Berufsausbildungen, in denen Inhalte zur additiven Fertigung vermittelt werden. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Weiterbildungsangebote von unterschiedlichen Institutionen, Fachkenntnisse im 3D-Druck in der Weiterbildung mit und ohne Zertifikat zu erwerben. Auch manche allgemeinbildenden Schulen führen Schülerinnen und Schüler in den Bereich des 3D-Drucks ein. Unternehmen wie Fabmaker[142] und MakerBot[143] haben dazu spezielle Lernangebote entwickelt. Auch in FabLabs oder sogar an Bibliotheken wie in Köln[144] gibt es die Möglichkeit, niedrigschwellig in den 3D-Druck einsteigen zu können.

Bisher gibt es keinen eigenen Ausbildungsberuf zum 3D-Drucker oder zur 3D-Druckerin. Es gibt aber einige Ausbildungsberufe, in die Inhalte zur additiven Fertigung eingegangen sind.[145]

In den Ausbildungsordnungen und Ausbildungsrahmenplänen von den folgenden Berufen kommt additive Fertigung vor: Produktionstechnologe/-in, Technische/-r Modellbauer/-in, Technische/-r Produktdesigner/-in, Gießereimechaniker/-in, Graveur/in und Metallbildner/in, sowie seit 2022 (siehe BGBl. I S. 589) auch bei den Zahntechnikern und Zahntechnikerinnen.[146] Bei der 2018 erfolgten Modernisierung der industriellen Metallberufe Anlagen-, Industrie-, Konstruktions-, Werkzeug- sowie Zerspanungsmechaniker/-in und bei den Mechatronikern und Mechatronikerinnen wurden additive Fertigungsverfahren als optionale Zusatzqualifikationen – neben System- und Prozessintegration – eingeführt, diese können zwischen den Auszubildenden und den Unternehmen vereinbart werden.[147][148]

Das Angebot an Weiterbildung für additive Fertigungsverfahren ist vielfältig und nahezu unüberschaubar (Stand Februar 2023). Es wendet sich sowohl an Entscheider in Unternehmen zur Einführung additiver Fertigung im Betrieb als auch an zu qualifizierendes Personal an 3D-Druckern und Anlagen. Anbieter sind z. B. Fraunhofer-Institute, Verbände wie der DVS, TÜV, VDI, IHK Akademien, Hochschulen etc.[149] Die Formate reichen von Seminaren über Lehrgänge und Zertifikatskurse – z. B. von der Hochschule Coburg[150] – bis zum berufsbegleitenden Fernstudium wie z. B. von der Hochschule Schmalkalden.[151] Der VDMA hat eine umfassende Liste von deutschlandweiten Weiterbildungsangeboten von Bildungseinrichtungen, Hochschulen und Instituten erstellt.[152][153] In Weiterbildungsmaßnahmen vermittelte Inhalte sind vor allem Anlagen-, Verfahrens- und Materialkenntnisse, Umwelt- und Arbeitsschutz. Für die Qualifizierungen wurden vor allem Hersteller- und Softwareschulungen sowie Learning by Doing und Anlernen durch erfahrene Mitarbeiter genutzt.[154]

Während sich in anderen technologischen Bereichen Qualifikationen und Kompetenzen bei der Einführung neuer Technologien zuerst in betrieblichen Anpassungsqualifizierungen durchsetzen und es erst zuletzt zu einer Akademisierung für die jeweilige Technologie kommt, hat sich die Vermittlung von Kompetenzen für die additive Fertigung zuerst im Bereich der Hochschulen und Universitäten niedergeschlagen.[155]

Dabei gibt es gewöhnlich keinen eigenen Studiengang nur für die additive Fertigung, sondern additive Fertigung ist als Teil verschiedener Studiengänge in Bereichen wie Werkstofftechnik, Fertigungstechnik, Maschinenbau und Mechatronik, Lasertechnik, Anlagenbau, Konstruktionstechnik/CAD etc. in diese integriert.[156] Forschungen für die additive Fertigung an Hochschulen führen auch zu Ausgründungen wie zum Beispiel im Falle der Lithoz GmbH – den Erfindern der LCM-Technologie –, die als Spin-off der TU Wien entstanden ist.[157]

2016 hat die Deutsche Akademie der Technikwissenschaften (acatech) bei Unternehmen im Bereich der additiven Fertigung verschiedene Rollen in Wertschöpfungsnetzwerken und Geschäftsmodelle identifiziert. Neben z. B. Forschung, Standardisierungsgremien und Informationsplattformen werden folgende Funktionen genannt: Werkstoffhersteller, Komponentenhersteller, Hersteller von Messtechnik, Maschinenhersteller, Anbieter von Software zur Datenaufbereitung, Onlineshop-Betreiber, Dienstleister, Vermittler, Technologieanwender.[158]

Man könnte auch eine grobe Einteilung nach drei Funktionen vornehmen: Herstellung von Anlagen und Software, Aktivitäten im Bereich Handel sowie Anwendung von additiver Fertigung – also Produktion. In der Praxis vermischen sich diese Funktionen oft und die Unternehmen üben verschiedene Rollen gleichzeitig aus. Dadurch findet man differenzierte Strukturen mit einer Kombination aus Verfahren, Prozessketten und Geschäftsmodellen vor. Dazu gehören beispielsweise konventionelle Produktionsunternehmen, welche für Partnerunternehmen als 3D-Druck-Dienstleistungen erbringen, von konventionellen Produktionsunternehmen ausgelagerte 3D-Druck-Abteilungen als konzerninterne Dienstleister oder als Dienstleister für andere Unternehmen, Maschinenhersteller – die gleichzeitig Material und Know-how verkaufen, Unternehmen – die lediglich Produktionskapazitäten vermitteln und Dienstleister, die nicht nur produzieren, sondern zusätzlich Beratung anbieten; außerdem Marktplätze und Portale mit Spezifizierungsmöglichkeiten für 3D-Konstruktionsdatensätze und Produktion.[159][160]

Berufe von Beschäftigten in der additiven Fertigung sind unter anderem Maschinenbau-, Werkstoff- und Wirtschaftsingenieure und -ingenieurinnen zum Beispiel in Bereichen wie Konstruktion, Design und Verfahrens-, Fertigungs- und Produktionstechnik, Industriemechaniker/-innen, Techniker/-innen, Modellbauer/-innen, Produktdesigner/-innen und Konstrukteure etc., aber auch Elektroniker/-innen.[161] Für einfachere Tätigkeiten – wie zum Beispiel zum Entpacken – können auch Branchenfremde oder Quereinsteiger/-innen beschäftigt sein, die bestimmte gestalterische oder manuelle, handwerkliche Fähigkeiten mitbringen. Neben der Kenntnis über additive Verfahren sind Kenntnisse in Werkstoffkunde, Funktionsverständnis (Prozessdenken) und technisches Verständnis – wie Teile „gebaut“ werden –, Verständnis für Komplexität, aber auch Teamfähigkeit, Flexibilität und persönliche Motivation erwünscht.[162]

Die hohen Kosten für die Anlagen in der additiven Fertigung führen zum Teil dazu, dass Unternehmen dazu neigen, ihre 3D-Drucker zur besseren Auslastung auch über die Wochenenden und über Nacht laufen zu lassen. Durch die dadurch verursachte besondere Taktung entsteht der Bedarf nach Schicht- und Wochenendarbeit oder Rufbereitschaft. Möglicherweise ergeben sich flachere Hierarchien im Vergleich zu Unternehmen ohne additive Fertigung, über den Bedarf an Ingenieurinnen und Ingenieuren konnten keine eindeutigen Aussagen getroffen werden.[163] Durch die Automatisierung der Prozesse werden einfachere Tätigkeiten – wie das Entpacken – substituiert und der Bedarf an Geringqualifizierten nimmt ab, andererseits können durch Qualifizierungsmöglichkeiten unmittelbar an den Anlagen auch geringqualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter einfacher angelernt werden.