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3D-Druck
digitale Planung und Konstruktion
digitale Fertigung

3D-Druck ist ein modernes Fertigungsverfahren mit dem sich Objekte preisgünstig und schnell herstellen lassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen zerspanenden Fertigungsverfahren, bei denen Material bei der Herstellung eines Objekts abgetragen wird, wird beim 3D-Druck schichtweise Material hinzugefügt, sprich addiert. Aus diesem Grund zählt der 3D-Druck zu den Additiven Herstellungsverfahren. Mit einem 3D-Drucker lassen sich anhand von 3D-CAD-Zeichnungen Modelle, Muster, Prototypen, Werkzeuge und Endprodukte erzeugen, indem flüssiges, pulverförmiges oder festes Material Schicht für Schicht aufeinander aufgetragen wird. Es lassen sich dabei verschiedenste Werkstoffe verarbeiten, wie z. B. Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle und Verbundwerkstoffe, weshalb der 3D-Druck in Handwerk und Industrie branchenübergreifend immer häufiger eingesetzt wird.

Ansprechpartner

Gerhard Hieber

Handwerkskammer für Schwaben

An erster Stelle eines Druckvorgangs steht die Erstellung eines digitalen 3D-Modells mithilfe eines CAD-Programms. 3D-Modelle können auch durch digitale Scans oder die digitale Vermessung von Objekten erzeugt werden. Damit der Drucker funktionsfähig ist, muss er an einen PC angeschlossen sein, die vom Hersteller mitgelieferte Treibersoftware muss installiert sein und das Verbrauchsmaterial (z. B. ein Granulat oder thermoplastisches Filament) muss in der dafür vorgesehenen Kartusche eingefüllt sein. Ist die digitale Vorlage fertiggestellt und der Drucker eingerichtet, so wird das 3D-Modell beim sogenannten „Slicing“ von einer entsprechenden Software des Druckers in zweidimensionale Schichten bzw. Ebenen zerlegt.

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3D-Druck

Nachdem das Verbrauchsmaterial im Druckerkopf aufgeschmolzen wurde, werden diese Ebenen dann in sehr dünnen Schichten in einer Dicke von je 0,001 bis 0,2 mm aufeinander gedruckt. Als Endergebnis erhält man ein vollständig gedrucktes Objekt, das je nach Bedarf noch nachbehandelt werden kann.

Der 3D-Druck hat mittlerweile einen hohen technischen Reifegrad erlangt. Aktuelle 3D-Drucker arbeiten präzise und quasi fehlerfrei. Auch komplexere Formen und Körper lassen sich mit dem 3D-Drucker problemlos herstellen, während die Bedienbarkeit der 3D-Software und des Druckers stetig vereinfacht und verbessert wird. Die Technologie besitzt großes Potenzial, weshalb die gesamte Branche inklusive Fertigungsanlagen, Materialien, Software und Dienstleistungen ein rasantes Wachstum erlebt. 

Der 3D-Druck wird derzeit in folgenden Branchen angewendet:

  • Maschinen- und Anlagenbau
  • Automatisierungstechnik
  • Luft- und Raumfahrt
  • Automobilbau
  • Architektur
  • Bekleidung
  • Spielwaren
  • Elektronik
  • Medizin
  • Bauwesen
  • Kunst
  • Design
  • Sportartikel
  • Militär- und Rüstungstechnik

Die Einsatzgebiete von 3D-Druckern erweitern sich täglich und kommen in immer mehr handwerklichen Bereichen zum Einsatz. Der geringe Zeit- und Kostenfaktor, sowie die freie Gestaltungsmöglichkeit von Objekten in Verbindung mit mobilen Anwendungsmöglichkeiten machen den 3D-Druck zunehmend auch für kleine und mittlere Handwerksbetriebe attraktiv. Mit der Sofortproduktion von Einzel- oder Ersatzteilen beim Kunden vor Ort lassen sich Lagerprobleme und lange Liefer- und Wartezeiten umgehen. 3D-Drucker lassen sich beispielsweise auch in Kleintransporter einbauen, wodurch der Handwerker auch „unterwegs“ benötigte Komponenten herstellen könnte. Auch kundenspezifische Wünsche und Sonderanfertigungen lassen sich mit dem 3D-Drucker vergleichsweise preiswert realisieren. Für diejenigen Betriebe, für die die Anschaffung eines 3D-Druckers nicht rentabel ist, gibt es Dienstleister die man mit der Herstellung von Objekten beauftragen kann. Nachfolgend sind Beispiele von bereits eingeführten Anwendungsmöglichkeiten im Handwerk dargestellt.

Fertigung
Im Bereich der Zahntechnik kommt der 3D-Druck bei der Herstellung von Modellen, Prothesen, Bohrschablonen bis hin zum Ausdruck des Inlays oder der Krone zum Einsatz. Dafür muss zunächst der Kiefer des Patienten mit Hilfe eines Mundscanners gescannt werden. Anschließend wird aus dem Scan ein 3D-Modell am Computer erstellt und mit dem 3D-Drucker gedruckt. Aufgrund der dadurch stark gesunkenen Kosten und deutlich höheren Passgenauigkeit sind Zahntechniker in Deutschland wieder konkurrenzfähig im Vergleich zum Ausland. Für sehr teure Materialien wie Gold werden beispielsweise Wachsmodelle per 3D-Druck hergestellt. Auf dieser passgenauen Basis können dann im  Wachsausschmelzverfahren Inlays und Kronen schnell und kostengünstig produziert werden.

Auch in der Hörakustik werden 3D-Drucker bereits für die Herstellung von Ohrpassstücken angewendet. Durch das 3D-Verfahren wird eine Silikon-Abformung des Ohrs erstellt und diese mit Hilfe einer Modelliersoftware bearbeitet. Das fertige Ohrpassstück wird anschließend passgenau vom Drucker ausgegeben. Ein großer Vorteil der sich durch diese Anwendung ergibt, ist die Vermeidung von überschüssigem Material, da das Produkt exakt gedruckt wird. Die 3D-Druck-Technologie kann dem Hörakustikmeister auch Zeit bei einzelnen Arbeitsschritten einsparen und diese Schritte gleichzeitig flexibler gestalten: Er modelliert die Passstücke tagsüber und lässt sie über Nacht vom Drucker selbstständig drucken. Die Herstellungszeit für das Ohrpassstück verkürzt sich um ein bis zwei Tage und dauert somit nicht mehr länger als maximal zwei bis drei Tage.

Goldschmieden bietet der Einsatz von 3D-Druckern die Möglichkeit eigene Schmuckstücke „in Serie“ herzustellen, ohne dabei hohe Kosten zu verursachen. Das Schmuckstück wird zunächst über ein CAD-Programm entwickelt und anschließend in 3D-Form gedruckt. Sowohl Ringe als auch Uhren, Ketten oder andere Schmuckstücke lassen sich mit diesem Verfahren auf Basis unterschiedlichster Materialien, wie beispielsweise Wachs, Kunststoff oder Metall herstellen.

Für den Formenbau benötigt man in der Regel immer Einzelstücke. Bei immer kürzer werdenden Produktentwicklungszeiten lässt sich mit Hilfe eines 3D-Druckers die aufwendige Konstruktion einer Gießform sowie die Durchlaufzeit der einzelnen, oft manuellen Arbeitsschritte vermeiden. Im diesem Handwerksbereich kommen grundsätzlich unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Je nach Anwendungsfall werden Sand, Plexiglas, Kunststoff, Silikon oder Metall gedruckt und ggf. noch nachbearbeitet. Ein wichtiger Vorteil dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, Kühlkanäle im Druckprozess gleich in die Form einzubringen. Somit können z.B. Spritzgussteile aus Kunststoff schneller ausgeformt werden und die Wirtschaftlichkeit steigt.

Präsentation / Visualisierung

Für die Präsentation von Produktinnovationen oder Prototypen lassen sich 3D-Modelle mit dem 3D-Drucker in kurzer Zeit und zu einem geringen Preis herstellen. Der  Entscheidungsprozess des Käufers oder Investors kann durch diese Form der Präsentation maßgeblich beeinflusst werden.

Auch für Anschauungsmuster können 3D-Drucker zum Einsatz kommen. Bevor ein Produkt in die Fertigung geht können 3D-gedruckte Muster dabei helfen, Fehler oder andere Probleme noch rechtzeitig zu erkennen und diese zu beheben. Denn oft lässt sich im Miniaturmaßstab das Endergebnis besser begutachten und bewerten als in der realen Größe.  Durch das Erstellen solcher Muster mit Hilfe des 3D-Drucks können die Produkte im Laufe der Produktentwicklung noch individueller auf die Kundenwünsche angepasst werden. Der Handwerker kann so den Kunden aktiv und frühzeitig in den Gestaltungsprozess der Produkte und Dienstleistungen einbinden und seine Arbeitsergebnisse dadurch insgesamt verbessern.

Der 3D-Druck hat sich erfolgreich auf dem Markt etabliert. Die Technik ist vorhanden und erprobt. Gleichzeitig wächst die Bandbreite der „druckbaren“ Materialien. Im Bereich der medizinischen Forschung wird beispielsweise mit dem Druck von menschlichem Gewebe experimentiert. Auch die dreidimensionale Erfassung und Bearbeitung  von Objekten wird immer einfacher und flexibler, wodurch die Fachkenntnis bei der Bedienung von CAD-Programmen zunehmend durch intuitiv bedienbare Software abgelöst wird.

Die Gefahr, dass Arbeitsplätze durch die Nutzung von 3D-Druckern im Handwerk entfallen sehen Experten und Betriebe, die bereits 3D-Druck einsetzen, nicht. Die Arbeitsplätze werden stattdessen hochwertiger und der Handwerker kann sich mehr der Feinarbeit und den Aufgaben, bei denen sein handwerkliches oder betriebswirtschaftliches Know-how gefragt ist, widmen.

[Festermann, 2014]: Festermann, P (2014): 3D-Drucken. Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert. (S.11-21). Springer-Verlag Berlin Heidelberg
[Dorst, 2017] : Dorst, W (2017): Bitkom e.V. (Bundesverband Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V.). 3D-Druck – Erfolgsgeschichte für den Digitalstandort, Positionspapier Link:

https://www.bitkom.org/sites/default/files/pdf/noindex/Publikationen/2017/Positionspapiere/Positionspapier-3D-Druck-Februar2017.pdf, abgerufen am 05.12.2018

[VDI/VDE, 2015]: Ehrenberg-Silies, P; Kind, S; Jetzke, T; Bovenschulte, M (2015): Horizon

Scanning, Additive Fertigungsverfahren/ 3D-Druck, Anwendungen und Potenziale. VDI/VDE Innovation + Technik Gmbh. Link:

https://vdivde-it.de/sites/default/files/document/additive-fertigungsverfahren-3d-druck-2017.pdf, abgerufen am 05.12.2018

[TAB, 2017]: Caviezel, C; Grünwald, R; Ehrenberg-Silies, S; Kind; S; Jetzke, Tobias;

Bovenschulte, M (2017): Additive Fertigungsverfahren (3-D-Druck), Innovationsanalyse. Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB), Link:

http://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab175.pdf, abgerufen am 05.12.2018

https://www.bitkom.org/noindex/Publikationen/2017/Positionspapiere/Positionspapier-3D-Druck-Februar2017.pdf

https://www.hpi-hannover.de/veroeffentlichungen/veroeffentlichung.php?we_objectID=1837

https://3druck.com

https://www.deutsche-handwerks-zeitung.de/3d-druck-wie-die-technik-das-handwerk-veraendert/150/19529/243310

https://www.3d-grenzenlos.de/magazin/thema/3d-druck-im-handwerk/