2013 erlebt der Hype um 3D-Drucker seinen – vorläufigen – Höhepunkt. Erstmals sind vergleichsweise leistbare Geräte auf dem Markt oder gerade in Entwicklung, die Open-Source-Community steuert für Bastler entsprechende Bauanleitungen, 3D-Modelle und Software bei. Drucken wir bald alle in 3D? [...]
Das derzeit wohl bekannteste Verfahren ist Fused Deposition Modeling (FDM). Bekannte Geräte wie etwa der Makerbot basieren auf dieser Arbeitsweise. Der Boom bei FDM im Speziellen und 3D-Druck im Allgemeinen ist auf das Auslaufen von Patenten zurückzuführen. Erst dadurch wurde es den Open-Hardware-Entwicklern möglich, Geräte zu entwickeln und so einen Preissturz einzuleiten. „Ein Extruder – im Prinzip eine Art Heißklebepistole – trägt dabei mit Kunststoffen wie ABS oder PLA ein Modell Schicht für Schicht auf. Klarer Vorteil: Es ist ein sehr kostengünstiges Verfahren. Es steht Open-Software und Open-Hardware zur Verfügung und das Verfahren kann somit den eigenen Bedürfnissen angepasst werden. Neben Kunststoffen können auch andere Materialien wie zum Beispiel Zucker, Beton, Gips, usw. verwendet werden. Die Druckqualität ist gut, aber andere Verfahren können diese leicht schlagen“, erklärt Susanne Stadler, Masterstudentin für „Angewandte Informatik“ an der Universität Salzburg, die 2012 von dem 3D-Drucker-Virus infiziert wurde und mittlerweile entsprechende Workshops organisiert.
Eines der Verfahren, das FDM in Sachen Druckqualität schlagen kann, ist das Lasersintern (SLS). „Pulver dient als Grundlage um mit einem Laser den Druck Schicht für Schicht aufzubauen. Mit dem nicht verschmolzenen Pulver, das als Stützmaterial dient, können saubere überhängende Strukturen erstellt werden. Außerdem kann das nicht verklebte Pulver nach Wiederaufbereitung durch Sieben wiederverwendet werden; es ist also Ressourcen sparend. Klarer Nachteil ist der Preis der Drucker – er liegt im fünfstelligen Bereich“, so Stadler gegenüber Computerwelt.at.
Dieser Nachteil gegenüber anderen 3D-Druck-Verfahren könnte sich jedoch in naher Zukunft verringern. Denn im Februar 2014 laufen Schlüsselpatente für SLS aus. Das könnte eine neue Revolution im 3D-Druck auslösen, denkt der 3D-Printing-Experte Duann Scott. Er ist Design Evangelist des 3D-Druck-Unternehmens Shapeways, das sich solcher Geräte bedient um für seine Kunden – beispielsweise Industriedesigner oder Künstler, die sich die heute noch zehntausende Euro kostenden Geräte nicht leisten können – Objekte herzustellen. Scott zufolge könnten die Preise für solche hochwertige Maschinen nach dem Fall der Patentschranke deutlich fallen, ähnlich wie es bei dem Auslaufen der FDM-Patente geschehen ist. Innerhalb weniger fielen die Preise für entsprechende Geräte von mehreren tausend Euro auf einige hundert Euro.
3D-DRUCK-FORSCHUNG IN ÖSTERREICH
Während andernorts daran geforscht wird, möglichst große Strukturen zu drucken – wie beispielsweise die erwähnten Mondbasen – gehen österreichische Wissenschaftler den anderen Weg: Sie drucken mikroskopisch kleine Details in 3D. Forschungsteams der TU Wien konnten die „Zwei-Photonen-Lithographie“ entscheidend verbessern. Der Hochpräzisions-3D-Drucker der TU Wien druckt um Größenordnungen schneller als bisherige Geräte. Er verwendet dazu flüssiges Harz, das an den gewünschten Stellen durch fokussierte Laserstrahlen ausgehärtet wird. Der Brennpunkt des Laserstrahls wird mit beweglichen Spiegeln durch das Harz gelenkt und hinterlässt dort eine ausgehärtete Polymer-Linie mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntausendstel Millimeter. Bei dieser Genauigkeit lassen sich sogar fein strukturierte Skulpturen von der Größe eines Sandkorns anfertigen. „Das Problem war bisher, dass diese Methode recht langsam war“, sagt Professor Jürgen Stampfl vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Bisher hat man die Druckgeschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde gemessen – unser Gerät schafft in einer Sekunde fünf Meter.“ Diese Geschwindigkeitssteigerung war durch ein Zusammenspiel mehrerer neuer Ideen möglich. „Wesentlich war es, die Steuerung der Spiegel zu verbessern“, sagt Jan Torgersen von der TU Wien. Die Spiegel sind während des 3D-Druckvorganges ständig in Bewegung. Speziell auf die Beschleunigungs- und Abbremsphasen muss sehr genau geachtet werden, wenn man bei extrem hoher Druckgeschwindigkeit noch immer höchst präzise Ergebnisse haben möchte.
Nicht nur die Mechanik spielt beim 3D-Drucker eine entscheidende Rolle, auch Chemiker hatten bei dem Projekt viel zu tun: „Das Harz enthält Moleküle, die vom Laserlicht aktiviert werden. Diese können dann an anderen Bausteinen, sogenannten Monomeren, eine Kettenreaktion auslösen, sodass sie fest werden“, erklärt Torgersen. Diese „Initiator-Moleküle“ werden nur dann aktiviert, wenn sie gleichzeitig zwei Photonen des Laserstrahls absorbieren – und das geschieht genau dort, wo der Laserstrahl extrem stark fokussiert ist. Im Gegensatz zu konventionellen 3D-Drucktechniken kann das Material an jedem gewünschten Ort im Volumen ausgehärtet werden. Die neue Schicht entsteht also nicht auf der Oberfläche der vorhergehenden Schicht, sondern im Volumen des flüssigen Harzes. Dadurch spielt, im Gegensatz zu konventionellen 3D-Druckern, die Oberflächenbeschaffenheit der Schicht keine Rolle. Weil die Oberfläche nicht für das Auftragen der nächsten Schicht präpariert werden muss, ergibt sich somit eine erhebliche Zeitersparnis.
Durch die hohe Geschwindigkeit kann man nun in einem gegebenen Zeitraum viel größere Objekte herstellen als bisher. Das macht die Zwei-Photonen-Lithographie auch für die Industrie interessant. An der TU Wien wird derzeit nach bio-kompatiblen Harzen für medizinische Anwendungen gesucht. Mit ihnen könnte man maßgeschneiderte Strukturen bauen, die lebende Zellen als Gerüst benutzen können, um biologisches Gewebe nachzubilden. Der Drucker eignet sich jedoch auch für die Herstellung präziser Bauteile für die biomedizinische Anwendungen sowie für die Nanotechnologie.
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