Wie funktionieren 3D-Drucker? Teil 2
Von Bauteilen für diverse Gegenstände über Haushaltsbedarf und Spielzeug bis hin zu menschlichen Organen: 3D-Drucker können die verschiedensten Gegenstände herstellen. Weil die Technik verschiedenste Objekte schnell, recht einfach und kostengünstig produzieren kann, sehen viele Experten im 3D-Druck das Fertigungsverfahren der Zukunft. Doch wie funktionieren 3D-Drucker? Wie leistungsfähig sind die Geräte? Wo sind der Technik Grenzen gesetzt? Solchen Fragen gehen wir in einem zweiteiligen Beitrag nach.
Hier ist Teil 2!:
Inhalt
3D-Drucker in der Industrie
Vor allem die additive Fertigung ist sehr effizient, wenn es um die Fertigung von Werkzeugen, Ersatzteilen und sogar ganzen Baugruppen geht. Solche Bauteile werden oft in großen Mengen benötigt. Mit dem 3D-Drucker können sie schnell in Serie gefertigt und anschließend verbaut werden.
Während die herkömmliche Produktion von Bauteilen mehrere Wochen in Anspruch nehmen kann, kann der 3D-Drucker kleine Bauteile innerhalb von 48 Stunden produzieren.
Dadurch wird es möglich, Komponenten, die kurzfristig für zum Beispiel eine Reparatur benötigt werden, schnell zu liefern. Weil die Bauteile nicht in Masse gelagert werden müssen, werden außerdem Platz und Kosten gespart.
Ein weiterer Pluspunkt ist, dass Veränderungen am Design unkompliziert realisiert werden können, ohne dass umfangreiche Testläufe notwendig sind.
Auch Formen und Konstruktionen wie zum Beispiel ineinander verschachtelte Hohlkörper oder doppelwandige Strukturen mit Wabenfüllung, die bisher nicht hergestellt werden konnten, kann der 3D-Drucker mühelos fertigen.
Kleine und große Dimensionen
Zunächst schien es undenkbar, mit einem 3D-Drucker Objekte aus Glas herzustellen. Doch inzwischen ist auch das möglich.
Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich setzten die Stereolithografie ein, um aus einem speziellen Acrylharz mittels UV-Licht Schicht für Schicht ein kleines Objekt aus Glas zu bauen. Dabei konnte das Team sogar unterschiedliche Glastypen erzeugen, indem die Forscher dem Harz Stoffe wie Borat oder Phosphat beimischten.
Die Rohlinge brannten die Forscher anschließend bei zwei verschiedenen Temperaturen. Der erste Brand erfolgte bei 600 Grad Celsius, damit das Gerüst aus Polymeren verbrannte. Danach folgte ein Brand bei 1.000 Grad Celsius, durch den die kleinen Objekte zu Glas verdichtet wurden.
Durch den Brand schrumpften die Rohlinge zwar deutlich, wurden aber genauso hart und transparent wie Fensterglas.
Während die Herstellung von Glas aus dem 3D-Drucker bislang auf eher kleine Objekte begrenzt ist, sind Gebäudeteile wie Wände schon im großen Stil möglich. Dazu wird eine Paste verwendet, die aus Bauschutt, schnell trocknendem Zement und einem speziellen Härtungsmittel besteht. Riesige 3D-Drucker können aus der Paste Schicht für Schicht stabile Bauteile produzieren.
In China wurde auf diese Weise schon eine Luxusvilla errichtet, in Dubai entstand das erste Bürogebäude weltweit, das komplett aus dem 3D-Drucker kam und tatsächlich genutzt wird.
Die Gebäude haben Flächen von mehreren hundert Quadratmetern und waren trotzdem innerhalb weniger Wochen fertig. Vor Ort waren nur wenige Arbeiter notwendig, die die gedruckten Teile zusammenfügten.
In der Raumfahrt sind die Zukunftspläne mit der Drucktechnologie noch größer.
Die Europäische Raumfahrtagentur ESA zum Beispiel hat vor, spezielle 3D-Drucker einzusetzen, um eine komplette Mondbasis zu bauen.
Statt Unmengen von Bauteilen durch den Weltraum zu befördern, soll dabei zum Beispiel das lockere Mondgestein genutzt werden, um vor Ort Bauteile und Gebäude zu drucken.
3D-Drucker in der Medizin
Auch in der Medizin werden 3D-Drucker angewendet. Die Technik eignet sich zum Beispiel für Im-Ohr-Hörgeräte. Denn der 3D-Druck bietet den Vorteil, dass schnell ein Hörgerät hergestellt werden kann, das individuell an den Gehörgang des Patienten angepasst ist.
Zahnersatz aus dem 3D-Drucker ist mittlerweile schon Standard. Doch auch bei Prothesen für Hüftgelenke und bei anderen Knochen macht die additive Fertigung stetig Fortschritte.
Hier ermöglicht es die Technik ebenfalls, die benötigten Teile zunächst am Computer individuell an den Patienten angepasst zu entwerfen und anschließend zügig auszudrucken.
In Zukunft könnten nicht nur metallische oder keramische Ersatzteile für den Körper entstehen. Wissenschaftler forschen schon an Methoden, die an den 3D-Druck angelehnt sind und ermöglichen sollen, lebende Zellen zu Geweben zusammenzufügen. Forscher haben mit einem Spezialdrucker aus Zellen und Biomolekülen schichtweise Hautschichten nachgebildet, die an tierischer Haut anwachsen.
Mit weiterer Forschung könnte es gelingen, mit diesem Verfahren in Zukunft auch funktionsfähige Organe wie Nieren und Herzen herzustellen. Patienten müssten dadurch nicht mehr nur auf Organspenden hoffen.
Auch bei Tests für Arzneimittel und Kosmetika könnten die Organe aus dem 3D-Drucker Tierversuche ersetzen.
Dabei sind erste Fortschritte bei den gedruckten Organen schon zu verzeichnen. Es ist bereits gelungen, ein vollständiges Herz per 3D-Druck zu erzeugen. Das Organ besteht vollständig aus menschlichem Gewebe und hat alle wichtigen Strukturen, inklusive Blutgefäße.
Allerdings ist das gedruckte Herz nur etwa so groß wie ein Hasenherz und damit deutlich kleiner als das menschliche Vorbild. Außerdem arbeiten die Zellen noch nicht gut genug zusammen, damit das Herz koordiniert pumpt.
Zukunftsfähige Technologie mit Schattenseiten
Ob in der Technik, der Industrie, dem Bauwesen oder der Medizin: Der 3D-Druck spart Lagerhaltung, senkt Transportkosten und reduziert Verpackungen. In kleinem Maßstab können wir schon heute mit einem 3D-Drucker für den Hausgebrauch selbst Dübel, Spielfiguren, Griffe, Halterungen, Ersatzteile fürs Fahrrad und viele andere Dinge herstellen.
Auch für die Umwelt kann der 3D-Druck eine Chance sein. Denn bei der Produktion wird nur so viel Material eingesetzt, wie am Ende im fertigen Teil steckt. Auf diese Weise werden nicht nur Rohstoffe eingespart.
Vielmehr können auch sehr leichte Bauteile gefertigt werden. Findet die Fertigung direkt vor Ort statt, müssen außerdem für den Transport keine Ressourcen eingesetzt werden.
Allerdings hat der 3D-Druck auch seine Schattenseiten. Ein Punkt dabei ist, dass Produkte, die schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden können, vermutlich kürzer genutzt und eher weggeworfen werden.
Schließlich ist es kein Problem, sie neu auszudrucken. Auf diese Weise steigt der Materialverbrauch, während die Müllberge wachsen.
Ein anderer Aspekt ist, dass es sich bei den Rohmaterialien für den 3D-Druck bislang überwiegend um Kunststoffe handelt. Dadurch könnte künftig noch mehr Plastik notwendig werden, als ohnehin schon. Auch der Energieverbrauch bei der Herstellung der Rohstoffe und beim Druck muss berücksichtigt werden.
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