Was ist 3D-Druck?

Der 3D-Druck, auch additive Fertigung gennant, ist ein Fertigungsverfahren, das auf der Idee basiert, ein numerisches Model in ein dreidimensionales Objekt umzuwandeln. Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Technologien für 3D-Druck in der Industrie entwickelt, die alle die Gemeinsamkeit haben, Schicht für Schicht ein physisches Objekt zu schaffen.

Das ursprüngliche Konzept zur additiven Fertigung stammt aus den 1980er Jahren, als Dr. Kodama vom Städtischen Industrieforschungsinstitut in Nagoya eine Technik für das sogenannte Rapid Prototyping entwickelte, mit welchem ein Objekt Schicht für Schicht hergestellt wurde. Im Jahr 1984 ließ zudem ein Team aus französischen Forschern ein Patent anmelden, welches jedoch einige Jahre später wieder aufgegeben wurde. Letztendlich war es Chuck Hall, der spätere Gründer von 3D Systems, für welchen das erste kommerzielle Patent im Jahre 1986 zugelassen wurde. Diese Technik kennen wir heute unter dem Namen Stereolithografie (SLA).

Diese erste Entwicklung markiert den Beginn der sogenannten vierten industriellen Revolution (Industry 4.0), welche heutzutage ganz neue Anwendungsmöglichkeiten in den unterschiedlichsten Bereichen, wie der Medizin, der Luft- und Raumfahrt oder der Schmuckindustrie bietet.

3D-Druck: Verfahren und deren Entwicklung 
Eines der am häufigsten angewandten Verfahren für 3D-Druck ist die Stereolithografie. Diese verwendet als Druckmaterial flüssiges Harz, das unter UV-Licht aushärtet. Seit diesem ersten Fortschritt sind im Laufe der Jahre zahlreiche neue Technologien für die additive Fertigung entstanden. Im Jahr 1988 meldete der Professor Carl Deckard von der Universität in Texas das Selective Laser Sintering (SLS), auch Selektives Lasersintern genannt, zum Patent an. Hierbei wird Plastikpulver mithilfe eines Lasers verschmolzen. Zu der selben Zeit entwickelte Scott Crump, der spätere Gründer der Stratasys-Gruppe, die ersten 3D-Drucker für die Extrusion eines Kunststofffilaments. Diese patentierte Technik nennt sich Fused Deposition Modelling (FDM) und gehört heutzutage wegen ihrer einfachen Handhabung und den relativ geringen Anschaffungskosten zu den populärsten Technologien der additiven Fertigung.
Seit den 90er Jahren setzt die Branche ihren Erfolgskurs mit neuen Technologien für 3D-Druck, wie dem von ZCorp erfundenen Binder Jetting (Pulverdruck), fort. Bei diesem Verfahren werden mineralische Pulver, Bindemittel und Farbtinte verwendet. Außerdem fand eine Weiterentwicklung des PolyJetting bzw. des Material Jetting statt, welches einst vom israelischen Unternehmen Objet (welches 2012 mit Stratasys fusionierte) erfunden wurde. Hierbei werden tausende feine Polymertröpfchen durch einen Lichtblitz verfestigt. Das SLS-Verfahren konnte sich inzwischen so weit entwickeln, dass sogar der 3D-Druck von Metallen möglich ist – zum Beispiel mit DMLS, welches von den Akteuren Phénix Systems, SLM Solutions, EOS oder Concept Laser vermarktet wird. Außerdem hat die schwedische Firma Acram das Elekronenstrahlschmelzen (EBM) entwickelt.

Trotz des hohen Konkurrenzdrucks drängen immer noch zahlreiche Akteure auf den Markt, von denen einige bereits bestehende Verfahren verbessern und andere neue Verfahren entwickeln. So haben der Hersteller EnvisionTec mit dem DLP-Druck (Digital Light Processing), das französische Unternehmen Prodways mit dem MovingLight oder auch Carbon3D mit CLIP Technologien entwickelt, die von der Stereolithografie abgeleitet sind. Im Jahr 2016 kündigte der Gigant HP überraschend seinen Einstieg in den Markt für 3D-Druck mit einer neuen hauseigenen Technik namens Multi Jet Fusion an, die Pulverbinden und Materialstrahl für die additive Fertigung von Kunststoffteilen kombiniert.

Obwohl sich die Technologien im Laufe der Jahre weiterentwickelt haben und die verwendeten Prozesse von Methode zu Methode variieren, haben alle Arten des 3D-Drucks Gemeinsamkeiten und es lässt sich ein allgemeiner 3D-Druckprozess festlegen.

Heute ist es jedoch Metall, das als das neue Eldorado für Maschinenhersteller erscheint. Zu den Neuankömmlingen gehören BeAM Machines (ein von Addup aufgekauftes Unternehmen), XJet, Markforged, Addup, Desktop Metal oder AdMatec (von Nano Dimension aufgekauft), die alle ihre Argumente vorbringen: Kostensenkung, kürzere Druckzeiten, Vielfalt der kompatiblen Metalle usw… Der Markt für 3D-Druck, der den Verkauf von Maschinen, Druckmaterialien und damit verbundenen Dienstleistungen umfasst, wird für das Jahr 2023 auf 22,39 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Materialien für 3D-Druck und deren Entwicklung

Die Entwicklung von Materialien für den 3D-Druck war im Laufe der Jahre unterschiedlich. Einige haben sich im Laufe der Zeit verbessert, andere haben sich weiterentwickelt oder sind einfach mit dem Aufkommen neuer Technologien entstanden. Von Kunststoff über Metall bis hin zu überraschenden Materialien wie Essbarem oder sogar der Asche Verstorbener – jedes Material erfüllt bestimmte Eigenschaften und passt sich oft an eine bestimmte Technologie an.

Jedes der Materialien kommt in verschiedenen Formaten vor, Harze für die DLP- und SLA-Technologien, Filamente für die FDM-Technologien oder Metallpulver für die DMLS-Technologien. Täglich werden neue Formate und Materialien entwickelt, um die Entwicklung widerstandsfähigerer Modelle zu ermöglichen und die Druckqualität zu verbessern.

Der Markt für 3D-Druckmaterialien hat derzeit eine große Reichweite und befindet sich noch im Wachstum. Viele Akteure setzen auf seine Entwicklung und es wird erwartet, dass der Markt für 3D-Druckmaterialien im Jahr 2032 einen Wert von 150,20 Milliarden US-Dollar erreichen wird.