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Faszination Technik Additive Fertigung oder Magie in Schichten

| Autor: Simone Käfer

Mit Anwendern und Herstellern der ersten Stunde werfen wir einen Blick in die Anfänge des 3D-Drucks. Und erfahren, was die Additive Fertigung braucht, um anzukommen.

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3D-Druck mit Metall war vor 35 Jahren noch etwas für Science-Fiction-Filme.
3D-Druck mit Metall war vor 35 Jahren noch etwas für Science-Fiction-Filme.
(Bild: EOS)
  • Chuck Hull gilt als Vater des 3D-Drucks. Aber da gab es noch den Japaner. Außerdem finden sich erste Ideen in Großbritannien und Frankreich
  • Ende der 1980er nahm der 3D-Druck Fahrt auf. Neue Verfahren und Unternehmen schossen aus dem Boden und erste Anwender erschienen.
  • Der Anwenderkreis hat sich erweitert. Doch die Suche nach sinnvollen Anwendungen hat erst begonnen.

„It’s magic!”, rief eine britische Journalistin aus, als sie eine SLS-Anlage bei der Arbeit beobachtete. Das war vor zwei Jahren, im Frühsommer 2017. Über 30 Jahre, nachdem das erste Patent für 3D-Druck eingereicht wurde. Doch damals wurden keine Kunststoffpartikel mit Lasern bestrahlt, sodass sie zartblaue Funken sprühen, was die Britin zu ihrem Ausruf verführte.

1980 kam der Japaner Hideo Kodama auf die Idee, Harz mit UV Licht trocknen zu lassen. „Stopp“, werden jetzt einige schreien, „der Vater des 3D-Drucks ist doch Chuck Hull!“ Stimmt. Der US-Amerikaner kam 1981 auf genau die gleiche Idee, entwickelte 1982 ein Verfahren, druckte 1983 ein Bauteil und meldete den „Stereolithography Apparatus” 1984 zum Patent an, das ihm 1986 erteilt wurde. Diesen wichtigen Punkt der Patentanmeldung hatte Kodama verpasst.

Doch waren das wirklich die ersten Denker der Additiven Fertigung, kam die Idee nicht aus Großbritannien? „Ich möchte die Erfindung beschreiben, mit der alle Erfindungen enden werden“, beginnt der Science-Fiction-Autor Arthur C. Clarke seine Zukunfts­vision in einer BBC-Sendung von 1964. Diese Erfindung, eine Kopiermaschine, nannte er Replicator. „Eine Kopiermaschine, die eine exakte Kopie von allem machen kann!“ betont er. Damals unvorstellbar.

Aber keine 10 Jahre später wurde die Idee umgesetzt, zumindest visuell. Im Jahr 1972 erscheint die Originalausgabe von „Tim und Struppi und der Haifischsee“. Darin erfindet Professor Bienlein eine 3D-Kopiermaschine, die eine exakte Kopie eines Gegenstandes erzeugen kann. Sind also Clarke und der belgische Comiczeichner Hergé beziehungsweise dessen Freund und Autor besagter Tim-und-Struppi-Ausgabe Greg die Vordenker? Bei so mancher Veranstaltung zum 3D-Druck fallen Besuchern immer wieder 3D-gedruckte Figuren von Personen ins Auge. Skulpturen könnte man sie auch nennen. Menschen, die rundherum fotografiert, deren Daten übertragen und mit einem Gerät in ein 3-dimensionales Objekt verarbeitet wurden. Ein Patent für die Maschine, die solche Fotoskulpturen herstellt, reichte der Franzose François Willème im Jahr 1864 ein. Wahrscheinlich handelte es sich aber um ein abtragendes Verfahren, mit dem die Skulpturen hergestellt wurden.

Ein Frosch gibt den Ausschlag

Zurück zur Additiven Fertigung, wie wir sie kennen. Ende der 1980er nahm der 3D-Druck seinen ersten Anlauf. Im Jahr 1988 verkaufte das zwei Jahre zuvor unter anderen von Hull gegründete Unternehmen 3D Systems seine erste Maschine, die SLA-1, und ein neues 3D-Druck-Verfahren entsteht durch einen Frosch. Mit einer Mischung aus Polyethylen und Kerzenwachs, das S. Scott Crump durch eine Heißklebepistole drückte, wollte er Schicht für Schicht einen Spielzeugfrosch für seine Tochter bauen. Mit seiner Frau Lisa gründete er 1989 das Unternehmen Stratasys, automatisierte die Heißklebepistolen-Idee, nannte das Verfahren Fused Deposition Modelling (FDM) und verkaufte 1992 seine erste Maschine. Für dieses additive Verfahren gibt es inzwischen viele Namen: FFF (Fused Filament Fabrication), FLM (Fused Layer Modeling) und Werkstoffextrusion.

Der Grundstein für das magische Funkensprühen wurde weniger familiär, als eher wissenschaftlich gelegt. Carl Deckard arbeitete bereits als Master-Student am selektiven Lasersintern. Das Patent meldete er 1986 an, es wurde ihm 1989 erteilt. Zwei Jahre zuvor (1987) hatte Deckard bereits das Unternehmen DTM gegründet, das sich auf Rapid Prototyping spezialisierte. 3D Systems erwarb DTM im Jahr 2001. Deckard blieb dem selektiven Lasersintern treu und wurde 2012 Mitgründer von Structured Polymers, das Kunststoffe für SLS-Maschinen entwickelt. Auch die Anfänge für Binder Jetting stammen aus den frühen 1990er-Jahren. Das Unternehmen Z Corp. entwickelte den Drucker Z402, der mit Gipspulver und einem Bindemittel auf Wasserbasis arbeitet.

Ein weiterer Player der Additiven Fertigung erschien 1989 auf der Bühne. Im Gegensatz zu seinem damaligen Arbeitgeber war Dr. Hans J. Langer überzeugt von der Idee, physische Bauteile mittels CAD zu digitalisieren und diese mit Additiver Fertigung werkzeuglos herzustellen. So startet EOS nicht nur als erstes deutsches 3D-Druck-Unternehmen, sondern auch als erstes Unternehmen mit einer Vision jenseits des Proto­typen­baus. Langers erster Kunde ist BMW. Im Jahr 1990 finanziert der Automobilkonzern die Entwicklung von Langers Idee einer laserbasierten Stereolithografie-­Maschine. Stereos 400 wird nur ein Jahr später ausgeliefert.

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Erste Anwender und Datenprobleme

Auch erste Anwender finden sich in den späten 80er- und frühen 90er-Jahren. Doch damals, als die Additive Fertigung noch nicht existierte und 3D-Druck höchstens als Rapid Prototyping zur Industrie durchdrang, wie fanden damals Menschen zu der Technik? „Eine Zufallsbegegnung mit Dr. Hans J. Langer hat mich zum 3D-Druck gebracht“, erinnert sich Dr. Michael Shellabear, Director IP & Technical Services bei EOS. „Er hat mich schnell vom Potenzial der Technologie überzeugt und ich bin aus Großbritannien nach Deutschland gezogen.“ Andere entdeckten die neue Technik selbst, zum Beispiel in Form eines Artikels in der Zeitschrift Indus­trial Laser Review von 1988. „Vom ersten Moment an waren wir überzeugt, dass Rapid Prototyping, wie man es damals nannte, die Produktionstechnologie grund­legend verändern würde!“, sagt Dr. Dieter Schwarze, Leiter der Wissenschafts- und Technologieforschung bei SLM Solutions. Er und Dr. Matthias Fockele waren so begeistert von der Idee, auf Basis von 3D-CAD-Daten komplexe Bauteile in einem Schicht-für-Schicht Verfahren ohne Werkzeuge herzustellen, dass sie sogar beschlossen das Unternehmen F&S Stereolithographietechnik zu gründen. Auch Frank Schäflein ist ein additiver Fertiger der ersten Stunde. Der heutige Senior Application Engineer EMEA bei Stratasys fand 1988, als in Deutschland nur die Maschinen von 3D Systems auf dem Markt waren, bei Spectra Physics seinen praktischen Zugang zum 3D-Druck.

Im Jahr 1989 kaufte Stephan Kegelmann die Maschine Nr. 5 von 3D Systems und gründete damit die Kegelmann Technik GmbH. Der SLA-Technik blieb man bei Kegelmann treu, hat diese inzwischen aber durch andere additive Verfahren ergänzt. Nur ein Jahr nach Kegelmann stieg BMW in die Additive Fertigung ein, gefolgt von VW im Jahr 1992. Diese Anwender standen sicherlich vor demselben Problem wie Fried Vancraen. Der Belgier erwarb 1990 einen SLA-Drucker und fand es nicht gerade einfach, qualitativ hochwertige Bauteile zu fertigen – oder überhaupt Bauteile. Doch die Probleme fingen schon lange vor dem ersten Bauteil an. Es war immerhin erst 1990 und die Diskette das praktikabelste Medium zur Datenübertragung. Wie also Daten von einem Computer in einen 3D-Drucker bekommen, der zudem die Computerdaten gar nicht so recht auslesen kann? Mit Johan Pauwels nahm Vancraen sich dieser Herausforderung an und entwickelte eine Software, die digitale 3D-Daten in ein Format überträgt, das die SLA-Maschine lesen kann. Sie integrierten sogar eine Funktion zur Supportgenerierung. Damit war Magics von Materialise die erste Software nur für die Additive Fertigung.

Das wurde damals 3D-gedruckt

Doch was kam damals überhaupt aus einem 3D-Drucker? Eine Testbox, also ein Hohlwürfel mit einer abgeschrägten Kante, der zur Qualitätsprüfung von STL-­Dateien diente, war Schäfleins erstes Gebilde. Nicht sehr prickelnd in Anbetracht der viel umworbenen Geometriefreiheit in der heutigen Additiven Fertigung. Kurz darauf durfte er schon Kugeln drucken, sogenannte cageballs mit den Maßen 1" × 1" × 2". „Die Herstellung dieser verhältnismäßig kleinen Bauteile benötigte damals mehr als zwölf Stunden”, erinnert sich Schäflein. „Allerdings waren es diese vermeintlich unmöglichen Bauteile wie Hohlkugeln, die immer wieder Erstaunen hervorriefen und vielfach die Fantasie beflügelten.” Schon näher an Endanwendungen war Schwarze mit seinem ersten Bauteil, einem zweiteiligen Gehäuse für einen Fahrradhersteller. Das Gehäuse wurde an der Sattelstange befestigt. Nur leider waren weder Verfahren noch Material zu dieser Zeit auch nur annähernd ausgereift. So mancher musste sich hämische Kommentare anhören, wenn „mal wieder die Schichten nicht aufeinander hafteten oder später der Wischer das Bauteil kreativ verformte”, erinnert sich Schäflein. Dabei denkt er auch an die Reihen von Bauplattformen, die auf Fensterbänken zum Aushärten lagen. Dass die Additive Fertigung auch unerwartete Einsatzgebiete kennt, belegt Schwarze mit dem Auftrag für einen Apparat zur automatischen Bereitstellung von Hühnerfutter.

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung und Werkstoffe, MM MaschinenMarkt