Lichtgedichte vom Laser

3D-Druck war bisher ein Verfahren für wenige Spezialanwendungen in der Industrie.Jetzt erobert es den Massenmarkt – und setzt einen Kreativitäts-Turbo in Gang.

Auf der Webseite www.shapeways.com sind einfache Ring-Gedichte („Ring Poems“) für sechs bis zehn Dollar zu haben, in der Bronze-Ausführung ab 59 Dollar. Licht-Gedichte („Light Poems“) sind mit 49 Dollar – inklusive Mehrwertsteuer, zuzüglich Versand – etwas preiswerter.

Wer sich unter einem Ring-Gedicht nichts vorstellen kann, für den hat die niederländische Firma Shapeways Beispielfotos ins Netz gestellt. Einige Produkte des kleinen Spin-offs von Philips sind so neu, dass es dafür noch gar keine allgemein verständliche Bezeichnung gibt. Hinter den poetischen Namen „Ring Poem“ und „Light Poem“ verbergen sich Servietten-Ringe und Teelichtständer – allerdings mit einer Besonderheit: Über ein kleines Java-Programm geben Kunden übers Internet einen beliebigen Text vor, dessen Buchstaben sich dann zu einem ringförmigen Gitter formen. Bei Schrifttyp, Farbe und Material können Nutzer zwischen verschiedenen Optionen wählen. Zehn Tage später wird das fertige Produkt aus Kunststoff oder Metall nach Hause geliefert.

Die individuellen Geschenke basieren auf einer Technologie, die bisher nur wenigen Spezialisten in der Industrie vertraut war – der sogenannten additiven Fertigung („Additive Manufacturing“, AM). Diese etwas sperrige Bezeichnung hat sich in den letzten Jahren als Oberbegriff für Herstellungsverfahren wie Stereolithografie oder Lasersintern (siehe Kasten Seite 66) etabliert. Andere geläufige Bezeichnungen sind „3D-Druck“, „generative Fertigungsverfahren“ oder „Schichtbauverfahren“. Ihnen ist gemein, dass Werkstücke in ihrer kompletten räumlichen Gestalt schrittweise aus mikrometerdünnen Schichten aus Kunststoff, Harz, Gipspulver oder Metall aufgebaut werden.

Lange Zeit galt AM als Synonym für „Rapid Prototyping“, der schnellen Herstellung von Anschauungsmodellen. Designer können dank der AM-Verfahren beispielsweise rasch und mit wenig Aufwand überprüfen, wie ein neuer Akkuschrauber in der Hand liegt, auch wenn dessen Design bisher nur in Form von Konstruktionsdaten existiert; Architekten können ihren Kunden das dreidimensionale Abbild eines geplanten Gebäudes in die Hand geben; Chirurgen können sich aus den Daten einer Computertomografie ein realistisches Organmodell erstellen lassen, um eine OP zu planen.

Doch in den letzten Jahren sind die AM-Anwendungen weit über ihre Prototyp-Nische hinausgewachsen. Dabei gibt es drei große Trends:

• Dank immer besserer Materialien werden auch hochbelastbare Endprodukte für den praktischen Einsatz hergestellt („Rapid Manufacturing“).
• AM-Maschinen sind mittlerweile so preiswert, dass sie auch in Privathaushalten Einzug halten können, um dort per Mausklick Nachschub an Haushaltsgegenständen, Spielzeugen oder Ersatzteilen zu liefern. Zudem bieten immer mehr Dienstleister den Ausdruck von 3D-Datensätzen an – zum Beispiel Büsten aus Fotos.
• AM-Maschinen ergänzen kleine, kollektiv genutzte Werkstätten, in denen Bürger selbst Gebrauchsgegenstände bauen oder reparieren können („Fabbing“). Gerade in Schwellenländern wird das als Gegenbewegung zur industriellen Massenfertigung mit ihrer Ex-und-hopp-Mentalität gesehen.

Bei AM hingegen können die Kanäle schon am Computer so angelegt werden, wie es für die Kühlung optimal ist – immer möglichst nah an der Oberfläche. Beim Ausdrucken werden diese Kanäle dann einfach ausgespart. In der Praxis konnte eine von der Firma BKL-Lasertechnik hergestellte Gussform für die Verschlusskappen von Lippenstiften wegen der besseren Kühlung die Dauer des Produktionszyklus um mehr als 40 Prozent verkürzen und gleichzeitig den Ausschuss reduzieren.

Natürlich ließen sich per AM nicht nur Gussformen, sondern auch gleich die Endprodukte selbst herstellen. Doch für große Stückzahlen ist AM wohl auf absehbare Zeit zu teuer. Das hat zwei Gründe: Erstens arbeiten die Maschinen vergleichsweise langsam, da die Bauteile schrittweise aus bis zu 20 Mikrometer dünnen Schichten aufgebaut werden. Zudem sind die Baumaterialien meist sehr teuer. Doch gerade bei kleineren Serien bietet AM auch Kostenvorteile: Es entfallen Zeit und Kosten für die Gussform, und über eine geschickte Konstruktion lässt sich die Zahl der Einzelteile – und damit der Montageaufwand – reduzieren. Simon Marriott, Managing Director beim australischen AM-Dienstleister Formero, nennt als Beispiel die Medizintechnik-Firma Vesda, die ein Teil eines Gasanalyse-Geräts von 24 Einzelteilen dank AM auf ein einziges reduziert hat. Bei einer Stückzahl von knapp 500 konnte dadurch der Herstellungspreis um fünf Prozent gesenkt werden.

In der Luftfahrtindustrie etwa sind AM-Produkte bereits in fünfstelligen Stückzahlen unterwegs. Der US-Hersteller „Manufacturing on Demand“, 2002 als Spin-off von Boeing gegründet, hat mit AM-Verfahren nach Angaben von Program Manager Chris Glock bereits rund 20000 Bauteile in die Luft gebracht – etwa komplizierte Luftkanäle für Militärflugzeuge. Die Stärken der AM-Technologie erläutert Glock an einem Beispiel: Herkömmlich musste ein bestimmter Luftkanal aus 19 einzelnen Komponenten zusammengesetzt werden. Der per Lasersintern hergestellte Kanal besteht nur noch aus einem einzigen Teil. Dadurch hat sich nicht nur das Gewicht halbiert – auch der Aufwand für die Sicherheitszertifizierungen der einzelnen Stücke hat sich auf ein Viertel reduziert.

Sogar bei tragenden Teilen kommt AM zum Einsatz: Die US-Firma Aerotonomy etwa baut komplette Tragflächen für Drohnen mit dem Schichtbau-Verfahren. Und auch schlichtere Produkte wie iPhone-Halterungen lassen sich nach Schätzung von Simon Marriott schon in Serien von 500 bis 1000 Stück wirtschaftlich herstellen, weil Aufwand und Zeit für die Erstellung einer Gussform wegfallen.

„Additive Manufacturing wird den Markt für einfache und simple Produkte verändern“, glaubt Marriott. „Die Kosten, um Innovationen auf den Markt zu bringen, sinken dadurch dramatisch.“ Neben Industrie und Medizin beginnt gerade eine wachsende Zahl von Designern auszuloten, welche neuen Produkte und Geschäftsideen auf Basis der AM-Technologie gedeihen können (siehe Seite 68). Als wahrer Kreativitäts-Turbo hat sich dabei das Geschäftsmodell von Shapeways erwiesen: Wer eine Designidee hat, kann sie – wie beim T-Shirt-Bedrucker Spreadshirt – bei Shapeways in den Online-Produktkatalog einstellen und bekommt für jedes verkaufte Objekt eine selbst festgelegte Marge. Produktion,Versand und Abwicklung übernimmt Shapeways. „Jeder ist ein Designer – und jeder ein Hersteller“, sagt Terry Wohlers, Chef der auf AM spezialisierten Unternehmensberatung Wohlers Associates.

Jede Woche laden 3D-Druck-Fans bei Shapeways etwa 2500 neue Produkte hoch, zu einem Durchschnittspreis von 11,50 Euro. Darunter finden sich zu Hauf Schmuckstücke, Skulpturen, Spiele oder Designobjekte mit biologisch oder mathematisch inspirierten Geometrien – Edelstahl-Armreifen aus einer filigranen DNA-Doppelhelix zum Beispiel. Der Journalist und Branchenkenner Rein van der Mast erwartet gar eine „Wiederkehr des Jugendstils“, weil sich mit AM-Verfahren verschlungene Formen höchst einfach produzieren lassen.

Von den insgesamt rund 80000 Produkten in der Shape-ways-Datenbank lassen sich rund 650 wie die Light Poems personalisieren, vom Kugelschreiber über Manschettenknöpfe, Müslischalen und Stempel bis hin zu Foto-Reliefs. Ein ähnliches Geschäftsmodell verfolgen seit 2006 der Leipziger Dienstleister RealityService GmbH oder das neuseeländische Unternehmen Ponoko. Einige Dienstleister haben sich auf bestimmte Anwendungen spezialisiert: FigurePrints etwa druckt ausschließlich Avatare aus dem Online-Spiel „World of Warcraft“ aus, LandPrint erstellt dreidimensionale Landschaften (siehe Seite 68).

Für Frank Piller, Management-Professor an der RWTH Aachen und Co-Direktor der Smart Customization Group am Massachusetts Institute of Technology, sind Dienste wie Shapeways ein gutes Beispiel dafür, wie AM-Verfahren die sogenannte „Mass Customization“ voranbringen – also die Fertigung individueller Produkte im großen Maßstab. „Additive Manufacturing verändert hier wirklich das Spiel“, sagte Piller auf der International Wohlers Conference im Dezember in Frankfurt. Die physikalische Grundlage für Produkte mit der Stückzahl eins ist mit AM-Maschinen schon gelegt. Was hin-gegen noch ganz am Anfang steht, ist die „Gestaltung der Lösungsräume“, wie es Frank Piller nennt.

Selbst beim Vorreiter Shapeways ist der Lösungsraum noch vergleichsweise begrenzt. Kunden können beim Light Poem etwa freien Text angeben und ansonsten nur noch zwischen vier Farben und zwei Materialien wählen. Mit weiteren Optionen potenziert sich allerdings auch die Komplexität der Schnittstelle. Theoretisch könnten Kunden sich beispielsweise Schuhe oder Schmuckstücke nicht nur nach ihren persönlichen Maßen anfertigen lassen, sondern auch ihre Form frei gestalten.

Doch wo sind die technischen und wirtschaftlichen Grenzen dieser Wahlfreiheit? Welche Optionen sind Spielerei, welche essenziell? Wenn Kunden zu vielen Wahlmöglichkeiten ausgesetzt seien, könne der Aufwand, die Varianten zu evaluieren, den erhöhten Nutzen der vielen Optionen leicht übersteigen, warnt Piller. Eine entsprechende Schnittstelle müsste das Meer der Möglichkeiten für Nutzer überschaubar machen und gleichzeitig noch technische Restriktionen wie etwa Mindest-Wandstärken berücksichtigen, ohne die Kreativität zu sehr einzuengen. „Das Problem ist nun nicht mehr, etwas zu bauen, sondern etwas anzubieten. Wir müssen den Verkaufsprozess neu erfinden und herausfinden, was die Kunden wirklich wollen“, fordert Piller. „Additive Manufacturing verlangt nach ganz neuen Fähigkeiten für das Design des Lösungsraums. Das haben viele Ingenieurschulen noch nicht erkannt.“

Visionäre wie der Science-Fiction-Autor Neal Stephenson und Neil Gershenfeld, Direktor des Centers for Bits and Atoms am Massachusetts Institute of Technology, gehen noch einen Schritt weiter. Ihnen schwebt vor, dass AM-Maschinen irgendwann zur alltäglichen Haushaltsausstattung gehören, so wie heute Tintenstrahldrucker und Mikrowelle. Fehlt eine Kaffeetasse, hat das Handygehäuse einen Sprung oder will man eine selbst gestaltete Obstschale verschenken, werden die Gegenstände gleich am Schreibtisch ausgedruckt. Was den Preis der Hardware betrifft, ist der 3D-Drucker für den Hausgebrauch tatsächlich längst in Reichweite.

Unternehmen wie „Bits from Bytes“ oder „MakerBot“ bieten Bausätze bereits für unter 1000 Euro an – weniger, als mancher für einen Plasmafernseher ausgibt. Rund 2500 Exemplare hat Bits from Bytes schon von seinem „RapMan“ verkauft, die meisten davon an Schulen und Universitäten. Pro Kilo kostet das Baumaterial, ein thermoplastischer Kunststoff, 50 Euro, ein Bauteil von der Größe einer Wasserflasche kommt damit auf rund zehn Euro. Und seit der Großkonzern Hewlett-Packard im Mai 2010 begann, 3D-Drucker der Firma Stratasys unter eigenem Namen zu vertreiben, scheint der Weg von der Nische in den Massenmarkt endgültig geebnet. Experten erwarten, dass auch andere Druckerhersteller wie Canon auf den 3D-Zug aufspringen werden.

Doch eine preiswerte AM-Maschine ist nur der erste Schritt. Eine ebenso entscheidende Frage ist: Woher sollen die Konstruktionsdaten kommen? Bei einschlägigen Online-Communitys lassen sich zwar fertige 3D-Datensätze für alle möglichen Gegenstände herunterladen. Aber eine einfache und preiswerte Software, mit der Nutzer ihre eigenen Entwürfe gestalten können, ist nicht in Sicht. Derzeit arbeitet die 3D-Druck-Szene in der Regel mit CAD-Programmen, die sich vor allem an Profis richten. „Die meisten unserer Nutzer haben einen Konstruktionshintergrund“, sagt Andy McLaren, Sales- und Marketing-Direktor beim Billigdrucker-Hersteller Bits from Bytes.

Ein weiteres Element, das den Hausgebrauch von 3D-Druckern sinnvoll macht, steckt ebenfalls noch in den Kinderschuhen: erschwingliche und robuste 3D-Scanner. Mit solchen Geräten ließe sich etwa ein gesprungenes Staubsaugergehäuse einscannen und replizieren. Doch die aktuellen Scanner sind – bis auf wenige Ausnahmen – für den professionellen Bedarf entwickelt worden und entsprechend teuer. „Es ist eine interessante Idee, Scanner und 3D-Drucker zu einem Paket zu bündeln“, sagt Andy McLaren. „Daran arbeiten wir schon.“

Experten bezweifeln, ob die Vision „Ein 3D-Drucker in jedem Haushalt“ überhaupt sinnvoll ist – es gebe schließlich genug Dienstleister, die Datensätze für wenig Geld auf hochwertigen Maschinen ausdrucken. „Es gibt keinen Markt für Heim-3D-Drucker“, meint Terry Wohlers, „höchstens als Unterhaltung für Kinder.“ Zudem verarbeiten die einfachen Geräte für den Haus- und Bürogebrauch jeweils nur einen bestimmten Werkstoff. Dienstleister mit einem großen Park unterschiedlicher AM-Maschinen können hingegen eine breite Auswahl unterschiedlicher Baumaterialien anbieten.

Allein die Firma EOS mit Sitz im bayerischen Krailling, Marktführer für Laserschmelz-Maschinen, hat beispielsweise drei Werkstoffe für Sandgussformen, elf Metalllegierungen und 15 Kunststoffe im Angebot – darunter neuerdings auch ein Elastomer, mit dem sich etwa Schlauchverbindungen oder Dichtungen herstellen lassen. Kürzlich hat EOS eine eigene Lifestyle-Arbeitsgruppe gegründet, die AM-Prozesse für Gold und weitere Edelmetalle entwickeln soll. Andere Anbieter können Keramik, transparenten Kunststoff und sogar Glas verarbeiten. Bochumer Forscher arbeiten zudem an AM-Varianten von Formgedächtnis-Legierungen.

Das klingt nach viel, doch angesichts der riesigen Materialvielfalt, aus der Ingenieure bei herkömmlichen Herstellungsverfahren wählen können, bleibt die Werkstoffauswahl ein Flaschenhals für die industrielle Verbreitung von AM. Zudem ist es – außer mit der vor allem für den Prototypenbau benutzten Polyjet-Technologie (siehe Kasten) – noch nicht möglich, Bauteile aus mehreren Materialien herzustellen.
Die Aufgabe, neue Materialien in die AM-Prozesse zu integrieren, ist alles andere als trivial. Es gibt viele Stellschrauben, mit denen sich entweder die Festigkeit des Bauteils oder die Schnelligkeit des Prozesses optimieren lässt.

Das wirft ein weiteres Problem auf: Beim Guss oder beim Schmieden wissen Konstrukteure durch jahrzehntelange Erfahrung ganz genau, wie sie ein Werkstück aus einer bestimmten Legierung für eine bestimmte Belastung auslegen müssen. Bei der additiven Fertigung fehlen diese Erfahrungswerte noch, ebenso wie Auslegungsnormen und Standards. Als Lösung für dieses Problem hat EOS die „Part Property Profiles“ aufgesetzt – einen Satz von Verarbeitungsparametern, die dem Kunden garantieren sollen, dass die Bauteile aus einem bestimmten Werkstoff genau definierte Kennwerte – beispielsweise zur Festigkeit – einhalten.

Die enge Verknüpfung von Material und Maschine führt allerdings auch dazu, dass die Grundstoffe fast ausschließlich von den Herstellern der Maschinen angeboten werden. Experten fürchten bereits, dass das „Tintenstrahldrucker-Syndrom“ auch in der AM-Branche um sich greifen wird: Die Hersteller machen ihre Maschinen immer preiswerter, schlagen dafür aber immer höhere Margen auf das Verbrauchsmaterial auf. „Die Kosten für AM-Material sind 30- bis 50-mal so hoch wie für Gussmaterial“, sagt Michael Siemer, Präsident des US-Dienstleisters Mydea, und fordert „Open-Source-Werkstoffe“. Chemie-Riesen wie BASF zögern, mit eigenen Materialien in den AM-Markt einzutreten – zu groß ist offenbar noch die Komplexität, zu klein der Umsatz.

Mit der weiteren Verbreitung der 3D-Technologie werden sich auch ganz neue Probleme ergeben – zum Beispiel beim geistigen Eigentum. Wenn jemand etwa eine Alessi-Zitronenpresse einscannt und die Daten zum Download ins Netz stellt – hat er damit eine Urheberrechtsverletzung begangen? Wird es eine Raubkopie-Szene für Designobjekte geben? Oder werden Design-Firmen die 3D-Daten ihrer Bauteile irgendwann über iTunes oder Amazon verkaufen? Und muss, wer die Daten für einen selbst designten Babyschnuller zum Download anbietet, sich an die gleichen Sicherheitsvorschriften halten wie ein gewerblicher Hersteller? Eine Antwort darauf ist noch nicht abzusehen, aber die ersten Anwälte haben das Thema schon für sich entdeckt.

Ein Antreiber für AM-Techniken dürften die Schwellenländer sein. Hier könnten preiswerte und robuste Maschinen die Grundlage legen für eine Art Graswurzel-Bewegung der Produktion, die sich von der westlichen Massenherstellung emanzipiert. Die „Fabbing“-Bewegung von Neil Gershenfeld betreibt überall auf der Welt kleine Werkstätten, in denen Bürger selber Gebrauchsgegenstände bauen oder reparieren können (siehe Seite 74). Marktforscher Terry Wohlers ist überzeugt, dass Additive Manufacturing in vielen Bereichen der Gesellschaft die Spielregeln neu setzen kann: „Noch nie hatte ein Herstellungsverfahren so einen Impact.“ (grh)