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23.04.2013

Ich drucke mir ein Auto…

Möglichkeiten und Grenzen von Rapid Protoyping, LaserCutting & Co. Nachlese zum 66. Treffpunkt WissensWerte


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Manch einer sieht sie schon: Hightech-Fabriken für Jedermann. Kreative Menschen designen ihre Möbel oder Haushaltsgeräte selber und drucken sie sich gleich aus – im 3D-Copyshop um die Ecke. Und wenn Mann/Frau das nötige Know-how fehlt, wird das mithilfe der Internet-Community oder via Facebook ausgeglichen.

Jedoch mischen sich 2013 noch Vision und Realität. Alles ist in Entwicklung begriffen, die Hoffnungen aber sind riesig: Herzklappen, Knochenimplantate, Architekturmodelle, Karosserieteile, Nanoelektronik – weltweit wird vielerorts experimentiert, manches ist bereits dem Versuchsstadium entwachsen. Es stehen uns wahlweise paradiesische oder höllische Zeiten bevor – je nach persönlicher Überzeugung. Denn auch Schnitzel und Maschinenpistole könnten aus dem 3D-Drucker kommen. Der amerikanische Autor und Zukunftsforscher Jeremy Rifkin sieht das 3D-Printing gemeinsam mit dem Internet und grüner Energiegewinnung als Dritte Industrielle Revolution an.

3D-Print und Laser-Cut

Wie aber funktioniert 3D-Druck? Ganz einfach gesagt: Man nehme eine Art Tintenstrahldrucker, der anstelle von Tinte einen Klebstoff hat, und der wird schichtweise auf ein Pulver aus Gips oder Plastik gespritzt. Dabei wird die Unterlage millimeter- oder hundertstelmillimeterweise nach unten bewegt. Nach dem Aushärten und Ausblasen des überflüssigen Pulvers bleibt das dreidimensionale Objekt stehen. Das ist allerdings nur eine Möglichkeit des 3D-Druckens. „Es gibt inzwischen etwa 50 verschiedene Möglichkeiten, etwas dreidimensional zu drucken oder entstehen zu lassen“, sagt Prof. Eckart Uhlmann, Direktor des Berliner Fraunhofer Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK. Unterschiedlichste Materialien – von Keramik bis Metall kommen dabei zum Einsatz als Pulver, als Granulat oder als Flüssigkeit. Anstelle des Klebstoffs kann ein Laserstrahl das Material erhitzen und somit verfestigen. Und ein Laserstrahl kommt auch beim Laser-Cutting zum Einsatz. Der funktioniert wie ein superscharfes Messer, das zweidimensionale Objekte aus Plexiglas oder Metallblechen ausschneidet, die anschließend zu dreidimensionalen Objekten zusammengesetzt werden. Stefanie Müller, Doktorandin am Potsdamer Hasso-Plattner-Institut, hat dort in der Human Computer Interaction Group ein Verfahren entwickelt, mit Laser-Cutting auch 3D-Objekte entstehen zu lassen. Dazu wird der fokussierte Laserstrahl defokussiert, das heißt die Hitze wird auf eine größere Fläche verteilt, das Plexiglas lässt sich nach unten abwinkeln. „Das ist wie Origami nur eben nicht mit Papier sondern mit Plexiglas“, sagt Müller. Mit ihren Studenten hat sie so zu Demonstrationszwecken Stiftehalter oder Blumenampeln hergestellt. Es gehe darum, wieder eine direkte Verbindung zwischen Design, Konstruktionszeichnung und fertigem Produkt herzustellen, wie es früher z.B. bei der Bearbeitung eines Werkstückes mit Feile und Säge war. „Wir haben Laserpointer entwickelt, mit denen direkt auf dem Werkstück gezeichnet werden kann. Die Bewegung wird aufgezeichnet und im Anschluss genau dort mit dem Lasercutter geschnitten.“

Ich drucke mir ein Auto…

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Möglichkeiten und Grenzen von Rapid Prototyping, Laser Cutting & Co.

Podcast zum 66.Treffpunkt WissensWerte

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Rapid Prototyping

Es lassen sich aber auch aus Funktionsmaterialien wie Keramik oder Metall mit dem Laser-Melting Verfahren Bauteile für Maschinen herstellen, die genutzt werden, betont Eckart Uhlmann. Dabei wird das Metall- oder Keramikpulver mit dem Laserstrahl erhitzt und verfestigt. Doch der Anfang war die Herstellung von Prototypen aus Plastik. „Deswegen heißt das Rapid Prototyping, “ so Uhlmann „weil Prototypen entstanden sind, Anschauungsbeispiele für Produkte, die später ganz anders und billiger gefertigt werden, weil sie dann in Funktionsmaterialien gefertigt werden.“ Gehäuse für Handys beispielsweise, Haushaltsgeräte oder Autobauteile. Das sei das Haupteinsatzgebiet von Rapid Prototyping in Unternehmen, die neue Produkte entwickeln. Im Bereich der Metalle sei man aber über Prototypen hinaus. „Standardmäßig auf dem Markt sind Medizinprodukte, Implantate aus Titanlegierungen“, sagt Uhlmann. Gelenk- oder Hüftprothesen werden ganz individuell für den Patienten anhand einer Computertomographieaufnahme gedruckt.

Eine CT-Aufnahme stand auch am Anfang eines Auftrages, den Ben Jastram erhielt als Leiter des 3D-Labors der TU Berlin. Nach dem plötzlichen Tod von Eisbär Knut im Berliner Zoo ging es darum, schnell die Todesursache zu ermitteln und der Öffentlichkeit Ergebnisse zu präsentieren. „Aus den Daten haben wir ein Schädelmodell rekonstruiert und 3D gedruckt. So konnte eine der möglichen Todesursachen ausgeschlossen werden. Das hat den Forschern Zeit verschafft für die seriöse Ursachenforschung“, sagt Jastram. In den Laborräumen stehen drei Drucker für unterschiedliche Druckverfahren zur Verfügung. Architekturmodelle werden gedruckt und Prototypen von Maschinenbauteilen. Für den Prototypenbau sei 3D-Druck mittlerweile unverzichtbar, betont Ben Jastram. „Man kann die Objekte gleichzeitig in Teams entwerfen, man kann verschiedene Versionen gleichzeitig herstellen und Verbesserungen direkt umsetzen.“ Und ganz spektakulär - kunsthistorisch wertvolle Skulpturen können dreidimensional gescannt und anschließend gedruckt werden und sind dann als Kopie für Forscher oder Besucher begreifbar – im wahrsten Wortsinn.

 Zeitalter des Desktop-3D-Printers

Doch 3D-Druck ist inzwischen nicht nur den Experten vorbehalten. Im Internet kursieren Baupläne für die Do-it-yourself-Konstruktion von 3D-Druckern. Und die amerikanische Firma Makerbot verkauft inzwischen diese Drucker für Jedermann. Der Desktop 3D-Printer Replicator 2 kostet $ 2199,00 - mit rotem oder andersfarbigem Gehäuse $ 48,00 mehr. Das sei eine Superidee, findet Stefanie Müller. „Wir können uns zukünftig 3D-Objekte mit allen teilen. Einer hat eine Idee, der andere erstellt das Design und lädt dies ins Internet und jeder kann es runterladen und bei sich zuhause ausdrucken.“

 Ich bin da schon eher skeptischer “, meint dagegen Prof. Uhlmann. Für ihn bringen die Drucker nicht die notwendige Genauigkeit und Oberflächenstruktur, auch lassen sich Bauteile nur in limitierter Größe drucken. „Von solchen Maschinen kommen keine Produkte, die die Funktionalität mitbringen, wie sie in Geräten oder Fahrzeugen notwendig sind.“ Als Gimmick jedoch findet er diese Desktop-Drucker nett. „Man kann zuhause sich eine Kunststoff-Gabel ausdrucken und damit essen oder kleine Gehäuse entwerfen. Doch ganze Produkte komplexer Art – das ist eine Vision und das bleibt noch lange eine Vision.“

Ich drucke mir ein Auto

In den USA gibt es das erste Auto, das mit seinen wesentlichen Bestandteilen aus dem 3D-Drucker und dem Laser-Cutter kommt. Jim Kor, ein amerikanischer Automobilingenieur hat es realisiert mit dem 2-sitzigen Design-Hybrid-Auto Urbee, das ca 50.000 $ kosten soll. Die Karosserie von Urbee besteht im Wesentlichen aus Spezialkunststoffen, auch Teile des Hybridmotors werden gedruckt. Umweltfreundlich, preiswert, leicht zu reparieren und sicher zu fahren sei Urbee – so die Selbstdarstellung der Entwickler. Für Eckart Uhlmann, der auch Geschäftsführender Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin ist, klingt das wenig realistisch, er ist zurückhaltend. Er habe mal alle technischen Restriktionen außer Acht gelassen und sei von der Annahme ausgegangen, dass alles sich drucken ließe, „dann würde ein VW Golf etwa 500.000 € oder sogar 1 Million kosten.“ Er halte das in der Massenproduktion weder für wirtschaftlich noch technologisch für sinnvoll. Chancen sehe er jedoch bei Spezialprodukten und Sonderanfertigungen, die einen höheren Preis rechtfertigen würden.

Maschinenpistole aus dem Drucker?

Cody Wilson ist ein texanischer Jurastudent. Er hat eine Gemeinschaft gegründet zum „Austausch von Kenntnissen über druckbare Schusswaffen und ihre Herstellung“. Über Crowdfunding hat Wilson 20.000 $ gesammelt und einen 3D-Drucker geleast, mit dem er den Verschlusskasten einer halbautomatischen Maschinenpistole gedruckt und mehr oder weniger erfolgreich getestet hat. Allerdings hat der Hersteller Stratasys den Vertrag gekündigt und den Drucker wieder abgeholt, als er von der Plänen hörte. Seine neueste druckbare Waffe, der „Liberator“, sorgt inzwischen für weitere Aufregung. Das sei eine reale Gefahr, sagt Ben Jastram, schon vorher gab es bei verschiedenen Herstellern Bestrebungen, dass diese Drucker in bestimmte Länder nicht geliefert werden und Dienstleister entsprechende Waffenteile für Privatpersonen nicht fertigen.

 Allerdings sehe er doch größere Schwierigkeiten beim Bau von Waffen aufgrund der 3D-Druck-Materialien. „Das wird vielleicht bis zum 5. Schuss funktionieren, dann wird es materialtechnisch kritisch – oder man lässt gleich die Handprothese mitdrucken, da die Gefahr besteht, dass die Waffe explodiert.“
Und es sei nun mal so, dass der Mensch so findig ist „mit jeder Technologie etwas Schlechtes anzufangen – auch mit einem Stein.“

Kommt die Dritte Industrielle Revolution?

„Ein 3D-Drucker ist das ultimative Werkzeug und der schnellste Weg, um aus Bits auf dem Bildschirm Atome in ihrer Hand zu machen“, schreibt Chris Anderson in seinem Buch Makers, denn er ermuntert uns, zu Machern zu werden mit dem Internet der Dinge als nächste industrielle Revolution. Eckart Uhlmann kann das nicht nachvollziehen. Schon heute habe jeder die Möglichkeit am Computer, Dinge zu entwickeln, und diese virtuellen Produkte mit verschiedenen Verfahren auch in physikalische Produkte umzusetzen – u.a. auch mit 3D-Print-Verfahren. „Wir haben gar keine Revolution an der Stelle, wir nutzen nur die gegebenen Möglichkeiten intelligent und verbinden das, was da ist, mit einer Logik, die uns Dinge erlaubt, die vorher nicht möglich war.“

Allerdings werde in der Zukunft der Anteil dreidimensionalen Druckens zunehmen. Kleinserien im Turbinenbau oder bestimmte komplizierte Strukturen für Motoren wie Turbolader könne er sich unter bestimmten Voraussetzungen durchaus vorstellen, betont Eckart Ullmann. „Wir möchten aber nicht nacharbeiten müssen. Wir müssen also genauer werden, wir müssen schneller werden und wir müssen bessere Oberflächen haben – ohne Risse oder Spannungen.“

 Die Europäische Raumfahrtagentur ESA denkt auch darüber nach, eine zukünftige Mondstation auf dem Erdtrabanten zu drucken. Das könne er sich vorstellen, sagt Ben Jastram, schließlich könne man keine großen Bausstofftransporte wirtschaftlich zum Mond unternehmen. Da werde man die Stoffe nutzen, die dort vorhanden sind und die Technologie, die am sinnvollsten ist. „Wenn es ein Laser ist, der Mondstaub zu Gestein verfestigt und daraus Behausungen gebaut werden können, sehe ich durchaus Potential.“

Potenzial sieht Stefanie Müller auch in der Teleportation dreidimensionaler Objekte. Dazu wird vom Original am Ausgangsort im 3D-Scanner ein virtuelles Abbild geschaffen und die Daten via Internet an einen 3D-Drucker gesendet, der am Zielort eine Kopie erstellt. Diese Verfahren gebe es zwar schon eine Reihe von Jahren. Neu am Verfahren am HPI ist, dass das Original beim Scannen sukzessive zerstört wird. „Teleportation meint ja, dass es insgesamt nur ein Objekt gibt. Hätten wir mehrere Kopien, dann würde das an Wert verlieren, “ so Müller.
Ob ein Künstler sich jedoch mit einer dreidimensional gedruckten und vorher teleportierten Skulptur zufrieden geben würde?

„Die Zukunft soll man nicht voraussehen wollen, sondern möglich machen.“ Antoine de Saint-Exupéry. Und an dieser Zukunft arbeiten Stefanie Müller von der Human Computer Interaction Group am HPI, Ben Jastram am 3D-Labor der TU Berlin und Prof. Eckart Uhmann am Fraunhofer IPK.

Autor/ Quelle:
Thomas Prinzler (inforadio rbb)

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