Wie funktioniert eigentlich 3D-Druck? Wo findet er bereits heute Anwendung?
Welche Möglichkeiten gibt es für die Zukunft? Welche Materialien gibt es und wieso ist es eigentlich so revolutionär, mit menschlichen Zellen zu drucken?
Wie können Lehrkräfte die 3D-Modellierung im Unterricht einsetzen, so dass eine echte Bereicherung entstehen kann?
Das alles und viel mehr erfahren Sie in unserem interaktiven Infobereich!
Scanner
Alle herkömmlichen 3D-Druckverfahren benötigen, um Modelle dreidimensional drucken zu können, zunächst einen digitalen Entwurf des Modells, das sogenannte CAD Modell. Um ein CAD Modell zu erstellen, benötigt man die entsprechende Software, Kenntnisse im 3D-Design und (je nach Komplexität des Modells) mehr oder weniger Zeit. Der CAD Prozess kann durch das 3D-Scannen von Objekten ersetzt werden, welches das berührungslose Abtasten des Modells ermöglicht und alle nötigen Daten liefert. Der 3D-Scan ist somit besonders für die Digitalisierung von Personen oder empfindlichen Gegenständen geeignet.
Vgl. auch https://threedom.de/3d-scanner#was-ist-3d-scannen
Bildquelle: Revopoint POP 3D Scanner
Software
Um 3D-Modelle digital zu erstellen, benötigt man die entsprechende Konstruktionssoftware, das sogenannte CAD-Programm. Nach der Konstruktion muss das Modell in einem Slicing-Programm für den Druck vorbereitet werden, d.h. das zuvor erstellte dreidimensionale Modell wird wieder in einzelne Schichten zerlegt, welche der Drucker dann nach und nach druckt. In der Slicing-Software werden Einstellungen für das Material, die „Befüllung“ des Modells (ist es innen hohl oder komplett mit Material ausgefüllt?) oder die Notwendigkeit von Stützstrukturen angepasst.
Verschieden für Anfänger geeignete und kostenlose Softwarelösungen finden sich hier: https://3druck.com/featured/gratis-3d-druck-software-anfaenger-4284514/
Man kann allerdings auch komplett ohne Software drucken: Im Internet finden sich tausende bereits für den 3D-Druck vorbereitete Modelle, welche direkt gedruckt werden können – beispielsweise auf https://www.thingiverse.com/
Bildquelle: ZMorph3D
Funktionsweise
Bim 3D-Druck werden Objekte durch die Verschmelzung von einzelnen Schichten erzeugt, d.h. durch das sogenannte Schichtbauprinzip. Damit ist der 3D-Druck eine Form der additiven Fertigung (AM), welche sich von der subtraktiven Fertigung unterscheidet, bei welcher wiederum Material entfernt wird (z.B. Bildhauerei).
Die verschiedenen 3D-Druckverfahren unterscheiden sich dabei in ihrer genauen Funktionsweise, mehr Infos unter „Verfahren“.
Bildquelle: Berit Stier
Geschichte
1980: Erste Versuche zum 3D Druck; Chuck Hull erfindet den 3D-Druck und bezeichnet sein System als Stereolithographie (eine lichtempfindliche Flüssigkeit wird mit einem UV-Laser ausgehärtet)
1986: Chuck Hull meldet seine Erfindung zum Patent an und gründet das Unternehmen 3D-Systems. Er kommt damit Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute zuvor, welcher zu selben Zeit an einer ähnlichen Erfindung arbeitete, sie jedoch wegen eines Formfehlers nicht rechtzeitig zum Patent anmelden konnte.
1989: Carl Deckard meldet sein Lasersinterverfahren zum Patent an, bei dem ein Kunststoffpulver mit einem Laser verschmolzen wird. Außerdem gründen Hans Langer und Hans Steinbichler das bislang bedeutendste deutsche 3D-Druck Unternehmen: EOS GmbH. Im gleichen Jahr meldet Scott Crump das FDM-Druckverfahren zum Patent an, bei dem ein Kunststoff aufgeschmolzen und anschließend schichtweise aufgetragen wird.
Weitere Infos unter https://www.mission-additive.de/die-geschichte-des-3d-drucks-a-950048/
Bildquelle: Bild von sculpteo.com
Anwendungen
Medizin:
Transportwesen
Architektur, Kunst und Design
Sonstige Bereiche:
Bildquelle: splotramienny auf Pixabay
Vorteile
Bildquelle: OpenClipart-Vektors auf Pixabay
Nachteile/Hürden
Bildquelle: OpenClipart-Vektors auf Pixabay
Ethik
Beim sogenannten Bioprinting werden Zellen und Biomaterialien kombiniert, um biomedizinische Teile zu produzieren, welche in ihren Eigenschaften dem natürlichen Gewebe ähnlich sind. Damit können Gewebestrukturen oder zum gegenwärtigen Zeitpunkt sogar bereits Miniaturversionen von Organen hergestellt werden. An den 3D-gedruckten Modellen können dann beispielsweise neue Medikamente getestet werden, was unter ethischen Gesichtspunkten besonders interessant ist, da ein Verzicht auf Versuche oder Medikamententests an Mensch und Tier möglich ist.
Ziel der biomedizinischen Forschung ist es natürlich, vollständige funktionsfähige Organe zu drucken, was die Transplantationsmedizin revolutionieren würde. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist das noch nicht möglich, allerdings gelang es beispielsweise einem Forscher*innenteam aus Tel Aviv eine Miniaturversion eines menschlichen Herzens mit menschlichen Zellen zu drucken.
Mehr Infos unter https://www.3dnatives.com/de/featured-biodruck-180520171/
Ein anderer spannender Ansatz ist der 3D-Druck von Fleisch, denn die Herstellung von 3D-gedrucktem Fleisch mittels Tissue Engineering ist heute bereits möglich. Als Werkstoff dienen hier sogenannte Bio-Tinten, welche aus Zellkulturen bestehen, die sich ständig vermehren (vgl. Fastermann, 2016, S.125f und Ciric/Fastermann, 2014, S.31). Fleisch aus dem 3D-Drucker hat gegenüber konventioneller Fleischherstellung viele Vorteile (vgl. ebd.):
Mehr Infos dazu auch auf https://www.handelsblatt.com/unternehmen/mittelstand/familienunternehmer/redefine-meat-dieses-start-up-entwickelt-steaks-aus-dem-3d-drucker/25982952.html?ticket=ST-3616924-KnqM96A3c5Kaxo9Q1IdM-cas01.example.org
Bildquelle: Interpharma auf flickr
Nachhaltigkeit
Die Tatsache, dass viele 3D-Druckverfahren mit Materialien wie Harzen oder thermoplastischen Kunststoffen arbeiten, welche kaum oder nur schwer zu recyclen sind, tangiert auch die Themen Umweltschutz, Nachhaltigkeit und Plastikreduktion. Der 3D-Druck kann jedoch in vielen Bereichen auch eine nachhaltige Technologie sein (vgl. Fastermann, 2016, S. 117ff).
Wann passt der 3D-Druck also ins Konzept der Nachhaltigkeit?
Bildquelle: Clker-Free-Vector-Images auf Pixabay
Beispiel FDM/FFF-Druck
Bildquelle: Berit Stier
Materialien
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind in der Praxis verschiedenste 3D-Druckmaterialien nutzbar. In der Industrie werden beispielsweise häufig Metalle eingesetzt, im privaten und im Bildungsbereich vorwiegend Kunststoffe. Auch der Druck von Sand, Keramik, Glas und Beton ist möglich sowie der Druck menschlicher Zellen (vgl. dazu auch den Punkt „Ethik“). Die Auswahl des Materials ist immer von Druckverfahren abhängig und die Wahl richtet sich auch nach den bevorzugten Eigenschaften des zu druckenden Modells (soll es z.B. möglichst robust sein o.Ä.).
Die für den Bildungsbereich interessantesten Materialien sind die Kunststoffe PLA und PETG.
PLA (Polylactide) ist ein synthetisches Polymer und wird beispielsweise aus Maisstärke gewonnen. Es hat eine geringe Schmelztemperatur, ist biokompatibel, recyclebar und relative formstabil. Außerdem ist PLA in vielen verschiedenen Farben erhältlich und völlig ungiftig. Allerdings ist es nicht für große Hitze oder starke Belastung geeignet.
PETG (PET mit Glykol) ist ein mit Glykol modifiziertes PETG, welches man von herkömmlichen Plastikflaschen kennt. Zu den Vorteilen zählen eine hohe Transparenz, niedrige Schmelztemperatur, weniger Kristallisation und geringe Viskosität. Außerdem ist es witterungsbeständig und somit auch für den Einsatz im Außenbereich geeignet.
Infos zu weiteren Materialien beispielsweise unter https://www.mission-additive.de/die-wichtigsten-3d-druck-materialien-in-einer-uebersicht-a-1000616/
Bildquelle: Berit Stier
Branchen
Der 3D-Druck ist aus vielen Bereichen aus Industrie, Forschung und Bildung heute nicht mehr wegzudenken. In der Luft- und Raumfahrt beispielsweise müssen Bauteile extremen Temperaturen, Chemikalien und Belastungen widerstehen und gleichzeitig besonders leicht sein. Hier eignet sich der 3D-Druck besonders gut, um Bauteile mit geringem Gewicht und Volumen herzustellen. In der Automobilindustrie hingegen werden zwar auch die Bauteile selbst gedruckt, vor allem aber auch Werkzeuge und Fertigungsvorrichtungen, welche stabil und langlebig sein müssen. Spannend ist auch, dass Ersatzteile für Oldtimer etc. gedruckt werden können, die teilweise auf dem Markt so nicht mehr verfügbar sind. Vorrichtungen und Halterungen werden beispielsweise auch in der Fertigungstechnik gedruckt. In dieser Branche ist besonders reizvoll, dass maßgeschneiderte Produkte mit geringem Volumen besonders günstig hergestellt werden können. Kreative Freiheit, Kosten- und Zeitersparnis spielen hier eine große Rolle. Ein geringes Gewicht von Bauteilen ist auch für den Bereich der Robotik interessant, wo der 3D-Druck häufig zum Einsatz kommt.
Bildquelle: CR-3D auf Pixabay
Einsatzbeispiele
Im schulischen und außerschulischen Bildungsbereich lässt sich der 3D-Druck in nahezu jedem Fachbereich gewinnbringend einsetzen:
Mathematik: Kantenmodelle geometrischer Körper darstellen (z.B. zur Modellierung von Verpackungen)
Geographie: Dreidimensionale Karte, welche das Bruttoinlandsprodukt verschiedener Länder visualisiert
Biologie: Kleinstlebewesen vergrößert darstellen
Chemie: Räumliche Struktur von Molekülen veranschaulichen
Kunst: Übertrag von zweidimensionalen Kunstwerken in 3D, um neue Zugänge zur Kunst für blinde Menschen zu schaffen
Deutsch: Texte im Braille-Alphabet erstellen
Bildquelle: Berit Stier
Aktuelle Forschungslage
3D-Druck und MINT-Fächer
Den 3D-Druck im Unterricht zu implementieren kann vor allem in den MINT-Fächern zahlreiche Vorteile bringen:
Bildquelle: Oliver Straser
Mögliche Probleme beim Druck
Warping: Warping bedeutet, dass sich die Form des Modells beim Druck verzieht (z.B. dass sich die Ecken hochziehen), was rauaf zurückzuführen ist, dass das Filament zu schnell erkaltet. Warping kann verhindert werden, indem man das Druckbett beheizt, die Raumtemperatur prüft, das Druckbett korrekt reinigt oder die Konstruktion ändert. Alternativ kann man auch einen Sockel um das Modell drucken, welcher dieses stützt.
Stockendes Filament: Wenn das Filament nicht flüssig aus der Düse gedrückt wird, könnte ein zu tiefes Eingraben des Motors in das Filament (weil dieses sich z.B. auf der Rolle verhakt hat) der Grund sein (= Filament grinding). Eine zu niedrige Düsentemperatur oder ein Verstopfen der Düse könnten ebenfalls der Grund sein.
Filament haftet nicht am Druckbett: Die häufigsten Gründe hierfür sind eine Verschmutzung des Druckbetts oder eine falsche Kalibrierung der ersten Druckschicht.
Skipped Layer: Hierunter versteht man Lücken im Modell, bei denen es so aussieht, als ob eine Schicht des Modells nicht gedruckt worden wäre. Das Problem kann möglicherweise auf die Düse zurückgeführt werden (vgl. oben). Ein zu niedriger Extrusionswert, falsche Kalibrierung der Schichten oder Probleme des Motors könnten ebenfalls der Grund sein. Auch ein „Haken“ der z-Achse ist denkbar, welches man durch einölen beheben kann.
Vgl. auch QUA-LiS NRW, 2016, S.3
Bildquelle: Fred Kahl auf flickr
