Alles über 3D-Drucker

Digitalisierung Jan. 17, 2020

Ein Schülerblog von Richard Krikler und Julian Singer.

Ein 3D-Drucker ohne "Gehäuse".

3D-Drucker werden immer bekannter und vor allem Hightech-Begeisterte freuen sich über diese Geräte, die anstelle bedruckten Papiers dreidimensionale Objekte ausgeben. Ob nun High-End Produkte für die Industrie, einfache Hobby-Spielereien oder sogar schussfähige Waffen, die Möglichkeiten sind unbegrenzt. Doch wie funktioniert eigentlich ein 3D-Drucker und was genau steckt dahinter? Diese und noch andere Fragen werde ich nun näher beleuchten.

3D-Drucker allgemein

Schon seit mehreren Jahren werden 3D-Drucker in der Industrie zur Herstellung von Prototypen oder Einzelstücken angewendet, wobei hier vor allem solche Techniken wie zum Beispiel das Lasersintern oder auch das Laserschmelzen zum Einsatz kommen. Der Preis jedoch von Geräten mit diesen Funktionen beginnt bei 200.000 Euro und ist nahezu grenzenlos, oder mit anderen Worten für den privaten Gebrauch nicht leistbar.

Seit geraumer Zeit gibt es auch spezielle und billigere 3D-Drucker, die mit dem Schmelzdruckverfahren arbeiten und Kunststoff schmelzen, der durch eine Düse gepresst wird. Schicht für Schicht wird so das gewünschte Werkstück hergestellt. Auch wenn diese Geräte nicht mit der Qualität und Präzision von Industriemaschinen arbeiten, sind hier schon Genauigkeiten von bis zu 0,1 mm möglich.

Werkstoffe für den 3D-Druck

3D-Drucker arbeiten in der Regel mit dem thermoplastischen Kunststoff PLA (PolylacticAcid), aber auch ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) kommt hierbei zum Einsatz. PLA ist recht einfach in der Handhabung. Ein besonderer Vorteil ist die geringe Schwindung der Werkstücke nach der Abkühlung. Allerdings sind aus PLA hergestellte Werkstücke leider nicht so stabil und bei Temperaturen ab 60 °C wird das Material wieder weich. Zwar ist PLA biologisch abbaubar, jedoch ist dazu ein spezielles Verfahren notwendig, das im privaten Gebrauch schwer durchzuführen ist.

Neben PLA gibt es aber auch noch den ABS-Kunststoff, der erst ab einer Temperatur von 100 Grad Celsius weich wird und auch deutlich belastbarer ist als PLA. Beispiele für die Verwendung von ABS sind etwa Legosteine. Ein großer Nachteil von ABS ist jedoch, dass der Kunststoff beim Abkühlen stärker schrumpft, weshalb beim 3D-Druck eine beheizte Grundplattform notwendig ist, damit das Abkühlen so weit wie möglich hinausgezögert wird und um ein genaueres Arbeiten zu ermöglichen.


3D-Druck für zu Hause

Zurzeit steckt der 3D-Drucker für den häuslichen Gebrauch noch ganz klar in den Kinderschuhen, auch wenn es inzwischen Modelle gibt, die nicht nur optisch ansprechend sind, sondern auch noch sehr hochwertig verarbeitet sind, doch kosten diese bislang noch recht viel. Für ein wirklich brauchbares Gerät müsste man schon 2.000 Euro hinlegen, ansonsten kann man keine tatsächlich brauchbare Präzision erwarten.

Einsteigergeräte gibt es bereits ab etwa 300 Euro, mit denen es trotz geringer Genauigkeit möglich ist, entsprechende Werkstücke im 3D-Druck-Verfahren zu produzieren. Hier muss dem Anwender jedoch bewusst sein, dass er keine besonders großen Erwartungen an die Qualität der Werkstücke stellen darf.

Möglichkeiten mit einem 3D-Drucker

Aus einem 3D-Drucker können alle möglichen Dinge kommen. Ob Schmuckindustrie, Modedesigner oder Hersteller von Spielzeugen und Figuren, die Bereiche, in denen 3D-Drucker inzwischen verwendet werden, sind fast nur noch durch die Vorstellungskraft begrenzt. So wurden mithilfe dieser Drucker beispielsweise folgende Gegenstände produziert:

• Instrumente

• Schmuck

• Kleidungsstücke

• Modellbau-Teile  

• Möbel

• Häuser

• Organe Sogar

bekannte Größen wurden bereits mithilfe eines 3D-Druckers eingekleidet, wie zum Beispiel Dita von These, für die ein Kleid direkt auf ihren Körper konstruiert wurde. Insgesamt besteht dieses besondere Kleid, welches aus Nylon gefertigt wurde, aus 17 verschiedenen Teilen. Nike hat einen American Football Schuh entwickelt, der ebenfalls aus einem 3D-Drucker stammt: den Nike Vapor Laser Talon.

3D-Biodruck: Menschliche Organe aus dem 3D-Drucker

Ein von einem 3D-Drucker erzeugtes Ohr.

Der Markt für 3D-gedruckte Organe konzentrierte sich bisher nur auf Nordamerika, doch mittlerweile erforschen auch schon viele Unternehmen, Labore und Universitäten auf der ganzen Welt dieses Gebiet. Mit den modernsten 3D-Drucktechniken können Biomaterialien und Zellen kombiniert Schicht für Schicht aufgetragen werden um biomedizinische Teile herzustellen, die die gleichen Eigenschaften wie natürliches Gewebe aufweisen. Dabei werden sogenannte Bioinks (Tinten) verwendet, um gewebeähnliche Strukturen zu produzieren die in der Medizin und Gewebeforschung Anwendung finden.

Das Ziel dieser Forschungen ist natürlich, erfolgreich ein voll funktionsfähiges, menschliches Organ zu drucken. Auch, wenn man sagt, dies sei die Zukunft der Medizin, ist dieses Gebiet trotz vieler Forschungen noch zu unbekannt und unsicher für eine tatsächliche, praktische Anwendung.

Die Nachfrage an Transplantaten steigt jedes Jahr. Allein in den USA stehen über 113 000 (stand 2019) Menschen auf der Warteliste für Transplantationen. Doch weil die Anzahl der Menschen auf der Liste immer weit größer als die Anzahl der Spender ist, soll 3D-Biodruck die Lösung der Zukunft sein. Im April 2019 gab es einen bedeutenden Durchbruch für den medizinischen Bereich. Ein Forscherteam der Universität Tel-Aviv hat erfolgreich ein Herz mit menschlichen Zellen gedruckt. Dieses Herz erfüllte alle immunologischen, zellulären und anatomischen Kriterien für einen menschlichen Patienten. Auch wenn es nur die Größe eines Kaninchenherzens hatte, kann man es als den „Machbarkeitsbeweis“ bezeichnen.

Häuser aus dem 3D-Drucker: Schnell mal das Eigenheim drucken

Derzeit gibt es eine rasante Entwicklung der 3D-DruckTechnologie und ist bereits jetzt oft anzutreffen. Der 3D-Druck eines Hauses ist in Sachen Geschwindigkeit und Preis im Vergleich zu herkömmlich gebauten Häusern um einiges überlegen.

Häuser aus dem 3D-Druck: Mehr als nur Betonklötze

Diese Häuser bestehen hauptsächlich aus Beton, sind aber durchaus keine Betonquadrate, denn oft werden interessante Formen mit vielen Rundungen eingebaut. Durch die geringen Material- und Arbeitskosten ist ein solches Haus auch recht erschwinglich. Weiters wird bei dieser Methode eines Hausbaues weniger Material verschwendet.

Ein Rekord nach dem anderen

Nun ein konkretes Beispiel: Das amerikanische Startup Icon stellte im Jahr 2018 einen 3D-Drucker für 32-Quadratmeter vor, welches gerade einmal 48 Stunden für den Bau benötigt (Kosten: ca. 9.000€).

Ein Jahr danach wurde von demselben Unternehmen eine verbesserte Version vorgestellt. Dieses Modell halbiert die Dauer und verringert die Kosten enorm auf 3.600€.

Die Kombination aus der schnellen und kostenarmen Bauweise macht dieses Verfahren besonders attraktiv für wirtschaftlich schwache Gegenden. Gemeinsam, mit der NGO New Story und dem Unternehmen Icon, wollen diese Wohnungssiedlungen in Entwicklungsländern errichten.

Die Goldene Ära der Riesendrucker

Nicht nur Icon druckt solche Häuser, es gibt viele weitere Unternehmen, welche verschiedene Prototypen entwickeln. Zum Beispiel Apis Cor (Russland), welche mobile 3D-Drucker für den Hausbau produzieren. Aber auch COBOD (Dänemark), dessen Drucker für das Building on Demand gedacht ist. Weiters gibt es auch noch Winsun (Shanghai). Dieses Unternehmen druckte bereits 2014 Zehn Häuser an einem Tag.

Vorteile von Häusern aus dem 3D-Drucker:

• Hohe Baugeschwindigkeit

• Geringe Kosten

• weniger Materialverschwendung

Nachteile von Häusern aus dem 3D-Drucker:

• Nicht jedes Material ist geeignet

• Auflagen sind für 3D-Druck-Gebäude unklar

• Nur Grundzüge sind druckbar

Lehmhütten, Bürogebäude und Wolkenkratzer

Nun zu exotischen Beispielen, wie von dem Startup WASP (Italien), welches mithilfe von Reisabfällen biologisch abbaubare Häuser baut. Diese sind 20 Quadratmeter groß und kosten nur 900 Euro.

Einer der fortschrittlichsten Projekte ist das Bürogebäude von Winsun, dessen Fläche 250 Quadratmeter beträgt und die Herstellung nur 17 Tage in Anspruch genommen hat. Die angefallenen Kosten sind gerade einmal halb so groß, wie für ein herkömmliches Bürogebäude.

Das Unternehmen Cazza hat das ambitionierte Vorhaben,  einen Wolkenkratzer mit 50 Stockwerken in Dubai zu errichten. Allerdings sind noch keine genauen Angaben bekannt.

Echte Wohnungen für echte Menschen

Abgesehen von den verschiedensten Demonstrationsprojekten, zeigt sich nach und nach auch der 3D-Druck, im Bereich des Hausbaus, im echten Leben. Beispielsweise bei dem Projekt von Icon für wirtschaftlich arme Regionen.

Ein weiteres Beispiel dafür ist das Projekt Milestone (Universität Eindhoven), welches fünf Häuser in den Niederlanden, als erstes kommerzielles Wohnprojekt, errichtet hat.

Quellen:

Alles über 3D-Drucker:
https://www.druckerpatronenexpress.de/lexikon/alles-ueber-3d-drucker (19.12.2019)

Häuser aus dem 3D-Drucker: Schnell mal das Eigenheim drucken: 
 https://www.uniqa.at/versicherung/wohnen/3d-drucker-haus.html (19.12.2019)

3D-Biodruck: Menschliche Organe aus dem 3D-Drucker?: 
 https://www.3dnatives.com/de/featured-biodruck-180520171/ (19.12.2019)