Additive Technologien, bekannt als 3D-Druck, gibt es seit dem späten 20. Jahrhundert. Jahrhundert. Die Wurzeln des 3D-Drucks wurden nämlich 1984 von Herrn Charles Hull gelegt. mit der Erfindung einer Maschine zum Drucken von Objekten aus CAD-Dateien. Die Maschine bestand aus vier Hauptelementen: einem Tank voller flüssigem Kunststoff (Photopolymer), einer Plattform, die in den Tank abgesenkt wurde, einem UV-Laser und einem Computer, der den Laser und die Plattform steuerte. Der Prozess erfolgte in mehreren Schritten. Der erste Schritt bestand darin, eine dünne Photopolymerschicht über der Plattform freizulegen, wo sie bei Kontakt mit dem UV-Laser sofort kristallisierte. Nachdem die erste Schicht fertiggestellt war, senkte sich die Plattform ab und legte eine neue Schicht aus flüssigem Kunststoff frei, auf der der Laser das zu druckende Objekt rekristallisierte und die beiden Teile sofort miteinander verbunden wurden.
Damals dauerte der 3D-Druck der einfachsten Objekte lange. Kleine Räume, die von kleinen Maschinen bedient werden, würden je nach Größe des Raums und der Maschine normalerweise zwischen sechs und zwölf Stunden absolviert werden. Größere Räume mit einer Größe von mehreren Metern würden mehrere Tage in Anspruch nehmen.
Obwohl der 3D-Druck schon seit langem eingesetzt wird, ist er erst seit Kurzem allgemein verfügbar. Dazu haben verschiedene Faktoren beigetragen – die Möglichkeit, verschiedene Arten von Materialien zu verwenden, die günstigeren Druckkosten und das exponentielle Wachstum des technologischen Fortschritts.
In seinen Anfängen wurde der 3D-Druck zur Herstellung von Plastikfiguren oder Prototypen verschiedener Produkte oder Ideen eingesetzt. Der technologische Fortschritt ermöglicht heute die Herstellung lebensgroßer Prothesen, Modelle oder elektronischer Produkte. Vor diesem Hintergrund liegt das größte Potenzial des 3D-Drucks gerade in der Industrie, insbesondere im medizinischen Bereich.
Der Begriff additive Technologie bzw. additive Fertigung wurde 2009 definiert. als der Begriff, unter dem das ASTM International Committee arbeitet. Heutzutage werden verschiedene Arten additiver Technologien eingesetzt. Wie bereits erwähnt ist die Stereolithographie das erste Verfahren zur additiven Fertigung von Objekten Schicht für Schicht. Deposition Melting (FDM) wird allgemein als 3D-Druck bezeichnet. Das Objekt entsteht, indem das Polymermaterial durch eine Düse geleitet wird, wo es erhitzt und entsprechend dem erzeugten Muster Schicht für Schicht auf die Arbeitsfläche aufgetragen wird.
Diese Technologie kommt in über 40 % der derzeit verwendeten Geräte zum Einsatz. Bei der Herstellung von Objekten durch Laminieren wird das Produkt so hergestellt, dass der Laser Schicht für Schicht das laminierte Material schneidet, das auf der zuvor geschnittenen Schicht liegt. Selektives Laserschmelzen (SLM) wird zur Herstellung hochdichter Elemente eingesetzt. Das Pulvermaterial wurde mit Hilfe eines Lasers auf den Schmelzpunkt gebracht und mit der vorherigen Schicht „verklebt“. Beim Elektronenstrahlschmelzen (EMB) handelt es sich um eine Methode, bei der ein Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird, indem eine Schicht Metallpulver mit einem Elektronenstrahl geschmolzen wird.
Additive Technologien lassen sich in Rapid Prototyping und Rapid Tooling sowie Rapid Production unterteilen, das die Herstellung von Prototypen und Werkzeugen mit der Produktion von Endprodukten in kleineren Chargen verbindet. Rapid Prototyping ist die Bezeichnung für eine Reihe von Technologien, die es Ingenieuren ermöglichen, ein physisches Modell eines in der Entwicklung befindlichen Produkts direkt aus einem CAD-Projekt, computergestütztem Design oder Modell zu erstellen, ohne dass zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind. Das entwickelte Modell ist unabhängig von der Komplexität des entworfenen Modells voll funktionsfähig.
Diese Art des Prototyping ermöglicht einen schnelleren Entwicklungszyklus und die Möglichkeit, potenziellen Kunden ein unfertiges Produkt zu präsentieren und ihre Beobachtungen und Kommentare umzusetzen. Beim Produktionsdesign kommt Rapid Tooling zum Einsatz. Bei der Massenproduktion von Produkten ist es notwendig, Werkzeuge zu konstruieren, beispielsweise Formen zum Pressen, Gießen, Spritzgießen und ähnliche Produktionsprozesse. Mithilfe additiver Technologien werden Werkzeuge hergestellt, um die Produktion zu optimieren und Fehler zu erkennen und zu beseitigen. Neben der Geschwindigkeit bei der Herstellung solcher Werkzeuge sind sie auch deutlich günstiger, was die Kosten vor der Produktion senkt.
Schätzungen zufolge wird der Wert der additiven Fertigung im Jahr 2019 steigen Im Jahr 2010 waren es über 9 Milliarden Dollar, was im Vergleich zur gesamten Branche ein unbedeutender Teil ist, aber es gibt eine sichtbare Trendwende im sich zunehmend verändernden Geschäftsumfeld und der Entwicklung neuer Produkte. Mehrere Additive Manufacturing- und Additive Manufacturing-Startup-Unternehmen haben bereits einen Marktwert von über 1 Milliarde US-Dollar erreicht, und immer mehr Hersteller traditioneller Verarbeitungsgeräte erweitern ihr Additive Manufacturing-Angebot. Darüber hinaus wurde ein neuer Industriezweig entwickelt, der sich mit der Herstellung von Materialien, Pulvern, Flüssigkeiten und Folien befasst, die im Prozess der additiven Fertigung verwendet werden.
Moderne Geräte verfügen über die Fähigkeit, sehr große Objekte zu erstellen. Eines der größten kommerziellen Geräte, das mehrere Materialien, eine Kombination aus Kunststoff, Metall und Keramik, bearbeiten kann, gleichzeitig eine Arbeitsfläche von 2000 x 800 x 600 Zentimetern und ein maximales Objektgewicht von 250 Kilogramm hat. Das größte jemals hergestellte Produkt ist ein Schiff, das am College of Marine Engineering in den Vereinigten Staaten von Amerika hergestellt wurde. Das bemalte Schiff ist 7,6 Meter lang und wiegt 2.200 Kilogramm. Die Lackierung dauerte 72 Stunden. Das zum Bedrucken des Schiffes verwendete Gerät dient ausschließlich Forschungszwecken und kann Werkstücke mit einer Länge von bis zu 30 Metern, einer Breite von 6,5 Metern und einer Höhe von 3 Metern mit einer maximalen Druckmenge von 200 Kilogramm Material pro Stunde drucken.
In der allgemeinen Industrie bietet der 3D-Druck immer mehr Möglichkeiten, da 3D-Drucker heute mit Materialien wie Titan, Stahl, Aluminium, Eisen und Kupfer arbeiten und somit einen großen Fortschritt in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie darstellen. Branchen können sich stärker auf die Funktionen ihrer Produkte konzentrieren, da das Nachdenken darüber, wie das Produkt passt, aus dem Fokus geraten kann. Dadurch wird die Produktion beschleunigt, die Produktionskosten gesenkt und es entsteht weniger Abfallmaterial (40 bis 70 Prozent) im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsmethoden. Beispielsweise kostet die Herstellung eines Roboterarms mit der klassischen Fertigungsmethode 10.000 US-Dollar und dauert durchschnittlich 4 Wochen. Der 3D-Druck bringt in 24 Stunden 600 US-Dollar ein. Airbus gab bekannt, dass bei der Produktion des A350 über 1.000 3D-gedruckte Teile verwendet werden.
Im medizinischen Bereich ist der 3D-Druck aus mehreren wichtigen Gründen wichtig. Der erste Grund ist die Möglichkeit, maßgeschneiderte medizinische Geräte zu erhalten, die nicht überteuert sind. 3D-Drucker können schnell und einfach Stents, Bandagen und sogar chirurgische Komponenten drucken, praktisch genau dann, wenn sie benötigt werden, und stellen so sicher, dass eine medizinische Einrichtung nie ohne lebenswichtige Versorgung auskommt. Wie am Anfang des Textes erwähnt, ist es möglich, individuelle medizinische Artikel für einen bestimmten Patienten zu erstellen. Eine starke Durchdringung additiver Technologien findet in der Zahnmedizin statt, wo Drucker intensiv bei der Herstellung von temporären Veneers, dauerhaften Implantaten und Prothesen eingesetzt werden.
Während ich dies schreibe, hält COVID-19 die Welt immer noch in PAUSE. Ein großes Problem ist der Mangel an Beatmungsgeräten in Krankenhäusern, die mit Patienten überfüllt sind. Sie lösen dieses Problem jedoch durch den 3D-Druck von Beatmungsgeräten. Während der Pandemie zeigten verschiedene Unternehmen und Enthusiasten großes Engagement, indem sie ihre 3D-Druckerkapazitäten zur Verfügung stellten. Ein Beispiel hierfür ist das Pitlane-Projekt, bei dem sich Formel-1-Teams zusammenschlossen, um Atemschutzmaskenteile herzustellen, und das OPEN WORKS COVID-19-Projekt, bei dem Enthusiasten Schutzvisiere für medizinische Diatonik organisierten und mit der Herstellung begannen und das Projekt sich auf der ganzen Welt verbreitete.
Auch prothetische Arbeiten werden schneller, einfacher und kostengünstiger. Ein Vergleich mit klassischen Prothesen ist nahezu nutzlos – abgesehen von den genannten Vorteilen können 3D-Prothesen bionisch sein (Prothesen, die mit biologisch-technischen Methoden entworfen wurden, die durch Muskel- und Nervenstimulation angetrieben werden) und in Größe und Gewicht angepasst werden können.
Über Anwendungen in diesen engen Bereichen hinaus hat der 3D-Druck das Potenzial, die Welt, in der wir leben, in einem viel größeren Spektrum zu verändern. Es kann als wichtiges Instrument im weltweiten Kampf gegen Hunger und Obdachlosigkeit eingesetzt werden. Weltweit gibt es bereits 3D-Lebensmitteldrucker. Sie schrieben maßgeschneiderte, nährstoffreiche Lebensmittel, die in Schichten aus Pulver- und Ölbehältern synthetisiert wurden, die in einem örtlichen Lebensmittelgeschäft gekauft wurden. Solche Lebensmittelbehälter wären leicht zu transportieren, hätten eine viel längere Haltbarkeit als herkömmliche Lebensmittel und könnten aus Materialien wie Insektenprotein hergestellt werden. Kürzlich wurde erstmals erfolgreich ein vegetarisches Gemüsesteak mit der Textur von Fleisch gedruckt. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind enorm und reichen von der Herstellung von Lebensmitteln mit einem bestimmten Geschmack bis hin zu speziellen Lebensmitteln, die bestimmte Allergene nicht enthalten oder Medikamente zur leichteren Aufnahme enthalten.
Dies würde die Erforschung des Weltraums ermöglichen. Beispielsweise dauert eine langfristige Raumfahrt mehr als fünfzehn Jahre. Lebensmittel, die in Pulverform vorliegen, also denen die Feuchtigkeit entzogen wurde, könnten mehr als dreißig Jahre lang gelagert werden und so bemannte interplanetare Reisen ermöglichen.
Neben Lebensmitteln besteht die Möglichkeit, Häuser günstiger zu bauen. In China gibt es bereits 3D-Drucker, die 100 % der anfallenden Industrieabfälle nutzen und Häuser aus diesem Material statt aus Zement bauen. Solche Wohnhäuser sind energieeffizient, können Erdbeben bis zur Stärke 9 auf der Richterskala standhalten und werden mit weniger Abfall und Umweltverschmutzung gebaut.
Mit der Weiterentwicklung von 3D-Druckern und verwandter Technologie stellt sich zwangsläufig die Frage, was uns in dieser Hinsicht sonst noch erwartet. Eine Möglichkeit ist der Druck voll funktionsfähiger Organe. Obwohl es wie Science-Fiction klingt, ist die Technologie bereits in der Lage, verschiedene Arten von organischem Gewebe zu drucken. Verschiedene klinische Studien sind bereits in einem fortgeschrittenen Stadium. 2019. Im Jahr 2010 druckte ein Team israelischer Wissenschaftler erfolgreich ein funktionsfähiges Herzexemplar in der Größe einer Himbeere, mit allen Venen, Zellen und Zellen, aus biologischem Material, und ein australisches Team druckte ein voll funktionsfähiges Ohrimplantat, das einem Patienten implantiert wurde unter Verwendung von Stammzellen und Knorpelzellen.
Hersteller begannen, additive Technologien bei der Herstellung von Schuhen und Bekleidung einzusetzen. Ein Beispiel dafür ist die Firma Feetz, die komplett mit additiven Technologien gefertigte Sneaker herstellt. Das Unternehmen nutzt additive Technologie, um dem Kunden das Gesamterlebnis der Gestaltung eines personalisierten Sneakers zu bieten. Zunächst scannt der Nutzer mithilfe einer mobilen App seine Füße in 3D, um ein CAD-Modell für die Sneaker zu erstellen. Durch den Einsatz von Druckern, die mehrere Materialien unterstützen, ist es möglich, mehrfarbige Sneaker herzustellen. In einigen Schuhmodellen verwendet Adidas bereits Teile, die durch additive Technologien hergestellt werden, beispielsweise die Sohlen von Turnschuhen. In letzter Zeit sind viele Startup-Hersteller mit dem Wunsch aufgetaucht, Kleidung im 3D-Druck herzustellen.
Obwohl die Entwicklung dieser Art von Technologie wie eine unvermeidliche Richtung erscheint, in die die menschliche Gesellschaft gehen sollte, gibt es Probleme. Die Probleme sind natürlich wirtschaftlicher Natur. Das größte Problem wird der Schutz des geistigen Eigentums sein. Mit der Entwicklung der 3D-Scantechnologie wird es immer einfacher, mit leicht verfügbaren Geräten einen sehr präzisen Scan gewünschter Elemente durchzuführen, der für das Reverse Engineering von Produkten verwendet werden kann. Viele Unternehmen, die bestimmte von ihnen hergestellte Produkte entwickelt haben, geraten möglicherweise in Schwierigkeiten, weil ihre Marke für jedermann verfügbar und außerdem viel billiger ist. Eine Lösung besteht darin, druckbare CAD-Dateien anstelle physischer Produkte an Kunden zu verkaufen. Auch wenn es noch ein langer Weg ist, sollten die großen Hersteller bereits darüber nachdenken, wie sie dieses Problem bewältigen oder die Folgen bewältigen können.
Mit der zunehmenden Beliebtheit und Verfügbarkeit von 3D-Druckern ist neben den Vorteilen für Gesellschaft und Bildung auch ein ernstes Problem 3D-gedruckter Waffen entstanden. CAD- und STL-Open-Source-Dateien voll funktionsfähiger Waffen sind auf verschiedenen Websites leicht verfügbar und können problemlos mit billigen 3D-Druckern für Bastler erstellt werden. Die für den Druck des beliebtesten Modells einer funktionsfähigen Waffe erforderliche Dokumentation wurde über 100.000 Mal heruntergeladen. Waffenhersteller nutzen seit langem additive Fertigungstechnologien, vor allem zur Herstellung von Panzern und Panzerungen, aber einige haben bereits erfolgreich Geräte eingesetzt, mit denen Legierungsteile hergestellt werden können, um Waffenkontrollmechanismen herzustellen. Dieses Thema ist immer noch nicht gleichermaßen gesetzlich geregelt, in den meisten Ländern sogar gar nicht.
Der 3D-Druck macht bereits einen großen Unterschied in der Welt, wie wir sie kennen, und im Moment sind wir uns dessen noch nicht einmal bewusst. Einige der Technologiegiganten wie Google, Microsoft, Apple, Samsung, IBM und Amazon untersuchen bereits den Markt und wir sind uns bewusst, wie sehr diese Unternehmen unser Leben in den letzten 10 Jahren verändert haben. Der nächste Schritt beim Einsatz der additiven Technologie ist die Herstellung 3D-gedruckter elektronischer Elemente, um die Herstellung von Leiterplatten, die heute in vielen Verbraucherprodukten zu finden sind, zu beschleunigen und zu erleichtern. Fortschritte gibt es auch im Bereich der Hobbydrucker, wo man sich bemüht, die beliebtesten FDM-Drucker mit der Möglichkeit zum Testen von Metallprodukten zu entwickeln.
Die Entwicklung neuer Materialien wie Biomaterialien, verschiedene Legierungen und Polymermaterialien wird vorangetrieben, was die Herstellung wesentlich komplexerer Produkte ermöglichen wird. Die Zukunft der Branche geht in Richtung Hybridproduktion, die eine Kombination und Ergänzung additiver und traditioneller Produktionstechnologien ermöglicht. Im Zusammenhang mit der Entwicklung der industriellen Produktion werden hochspezialisierte Softwarelösungen entwickelt, die die Entwicklung neuer Produkte erleichtern und verbessern.
Wenn der 3D-Druck in seiner vollen Leistungsfähigkeit der breiten Masse zugänglich wird, stellt sich die nächste Frage: Wie wird er sich auf Innovationen und die allgemeine Weiterentwicklung der Zivilisation auswirken?