Das Bein aus dem Drucker

Frankfurt am Main – die „Euromold”, eine Messe für Werkzeugbau und Produktentwicklung. In Halle 8 stellen bekannte Maschinenbauer wie Hermle aus dem baden-württembergischen Gosheim oder Gildemeister aus Bielefeld ihre neuen Fräs- und Drehmaschinen vor, die auf der ganzen Welt zum Einsatz kommen. Die Stände sind gut besucht, die Namen kennt man in der Branche.

In Halle 11 ist alles etwas kleiner. Hier sind Unternehmen wie EOS und 3D- Systems vertreten. Sie erwirtschaften höchstens ein Zehntel dessen, was Gildemeister an Umsatz bringt, und sie haben viel weniger Mitarbeiter. Auch ihre Produkte sind kleiner. Mit einem garagengroßen CNC-Bearbeitungszentrum können die Maschinen von EOS und 3D-Systems nicht mithalten. Doch das dürfte den Unternehmens-Chefs herzlich egal sein. Denn sie wissen: In ihrer Technologie liegt die Zukunft, um Nachfrage müssen sie sich keine Sorgen machen.

Für ihre Branche gibt es eine große Studie, den sogenannten Wohlers Report, der jedes Jahr erscheint. Er verzeichnet für 2011 Wachstumszahlen von fast 30 Prozent. Und es soll noch steiler aufwärts gehen in den kommenden Jahren. Der Wohlers Report prophezeit bis 2020 eine Vervierfachung des heutigen Umsatzes. Unternehmen wie EOS und 3D-Systems können sich freuen, denn ihre Produkte sind Teil der additiven Fertigung, oder kurz: des 3D-Drucks – der Technologie, die gerade so erstaunlich boomt.

Zwischen Halle 8 und Halle 11 sind es zu Fuß nur ein paar Hundert Meter. Aus Sicht der Fertigungstechnik trennen die in den beiden Hallen vertretenen Branchen jedoch Welten. Denn sie arbeiten nach einem völlig anderen Prinzip: Maschinen von Gildemeister oder Hermle nehmen vom großen Metallstück durch Drehen und Fräsen so lange so viel Material weg, bis die gewünschte Form erreicht ist. EOS und 3D-Systems dagegen packen einen Werkstoff so lange Schicht für Schicht aufeinander, bis das Ganze die gewünschte Form hat.

Die Software zerlegt die Form

3D-Drucker gibt es in vielen verschiedenen Varianten, doch eines ist bei allen gleich: Im Computer wird eine beliebige Form mithilfe einer 3D-Software in viele dünne horizontale Schichten zerlegt. Diese Schichten trägt dann ein Drucker nach und nach auf. Das macht er, indem er zum Beispiel eine Metallpulver-Schicht an genau den Stellen mit einem Laser schmilzt, wo sich später ein Teil des fertigen Objekts befinden soll. Hat das Objekt einen Hohlraum, wird der Laser dort kein Pulver schmelzen.

Das Schmelzen von Metall ist nur eine von mehreren Methoden. Feste Schichten können auch durch Aushärten spezieller Flüssigkeiten mithilfe von Licht oder durch das Schmelzen und Auftragen von Kunststoff erzeugt werden. Selbst Keramik lässt sich neuerdings per 3D-Druck verarbeiten. Bei allen Verfahren wird Material hinzugefügt. Und weil dieser Prozess einem Druckvorgang ähnelt, passt der Name 3D-Druck – nur dass statt Tinte auf Papier hier Metall auf Metall oder Plastik auf Plastik aufgetragen wird.

Filigrane Strukturen

Weil der 3D-Druck Schicht für Schicht eine Form aufbaut, hat er gegenüber der traditionellen subtraktiven – also „wegnehmenden” – Fertigung einen entscheidenden Vorteil: Er kann sehr komplexe, sehr feine Strukturen aufbauen, deren Anfertigung mit Fräsen, Drehen und Bohren nicht möglich wäre. Soll zum Beispiel irgendwo ein versteckter Hohlraum in einer Form platziert werden, muss dort beim herkömmlichen Verfahren auch Platz für den Fräser oder Bohrer sein. Das wiederum bedeutet, dass die Form daran angepasst werden muss. Bei Objekten, die dreidimensional gedruckt werden, braucht man darauf keine Rücksicht zu nehmen. Fast jede beliebige Form ist realisierbar. Das haben sich einige Unternehmen und auch Wissenschaftler zunutze gemacht. 3D-Drucker fertigen heute nicht mehr bloß individualisierte Einzelstücke, sondern auch komplexe Serienprodukte.

Das Münchner Unternehmen EOS ist eines der größten Unternehmen im Bereich der 3D-Drucktechnik. Seine Drucker kommen auch für Produkte zum Einsatz, die nicht herkömmlich gefertigt werden können. Zum Beispiel für ein spezielles Hüftgelenk, das mit einer besonders porösen, gitterartigen Oberfläche versehen ist, die nur ein 3D-Drucker herstellen kann. Der Vorteil: Ein solches Hüftgelenk wächst schneller mit dem Knochen zusammen als ein herkömmlich hergestelltes, das keine poröse Oberfläche hat.

Ersatzorgane aus dem Drucker

Überhaupt ist die Medizin ein wichtiger Anwendungsbereich für 3D-gedruckte Formen. So werden heute schon viele Ersatzzähne gedruckt statt aufwendig im Zahnlabor gegossen und nachbearbeitet. Auch andere Implantate stammen aus dem 3D-Drucker – nicht nur für Menschen, sondern auch für Tiere. Als etwa der verletzte Schnabel eines in Alaska von einem Wilderer angeschossenen Adlers ersetzt werden musste, kam der neue Plastik-Schnabel aus dem Drucker.

Der Chemiker und Ingenieur Günter Tovar, Professor am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik der Universität Stuttgart und Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik, ist überzeugt: „Wir werden irgendwann Organe drucken können. Wir sind zwar noch weit davon entfernt, aber das ist keine unrealistische Vision.” Tatsächlich sind Tovar und seine Kollegen bereits dabei, den Weg zu diesem Ziel zu ebnen: Sie konnten schon eine Stützstruktur drucken, also sozusagen ein Organ-Skelett. Jetzt muss man noch das Problem lösen, der Struktur die richtige Form zu verleihen und sie mit menschlichen Zellen zu bestücken.

Biotinte – zäh wie Honig

Beim Ausdrucken nutzen die Wissenschaftler die Fähigkeit eines 3D-Druckers, feine und komplexe Strukturen herzuerstellen. Den Drucker versorgen die Wissenschaftler mit „Biotinte” – einer zum Patent angemeldeten Flüssigkeit, die zäh ist wie Honig. Diese Flüssigkeit wird Schicht für Schicht aufgetragen und mit Licht zur gewünschten, vom Computer vorgegebenen Form ausgehärtet. Sollte die Vision Wirklichkeit werden, sagt Günter Tovar, würden Mitarbeiter benötigt, die am Computer Organe designen – nicht unbedingt perfekte Kopien des Originals, „sondern schlicht solche, die funktionieren”.

Das Unternehmen FKM Sintertechnik aus Biedenkopf-Wallau im Sauerland bietet 3D-Druck als Dienstleistung an. Kunden sind Unternehmen, die sich einen Prototyp, eine Kleinserie oder individualisierte Produkte ausdrucken lassen wollen. In letzter Zeit melden sich auch immer mehr Künstler und Produktdesigner, die Serienprodukte fertigen lassen wollen, um sie dann an Privatkunden zu verkaufen, berichtet Geschäftsführer Jürgen Blöcher. Der Clou: Die Produkte sind so gestaltet, dass sie nur ein 3D-Drucker herstellen kann. So hat FKM Sintertechnik 2011 rund 60 000 speziell für den 3D-Druck konstruierte Handyschalen produziert, 2012 waren es noch deutlich mehr. „Generell steigt der Anteil der 3D-gedruckten Produkte für das Privatkundengeschäft”, sagt Jürgen Blöcher.

Das Privatkundengeschäft könnte noch für Furore sorgen. Manche träumen schon vom großen Geld und tref-fen Vorbereitungen. Zum Beispiel Carl Fruth vom Unternehmen Sintermask aus Lupburg bei Regensburg: Sein Unternehmen vertreibt schon heute einen 3D-Drucker an Privatkunden. Er heißt „Fabbster”, ist knallig grün-orange und kostet 1700 Euro.

3D-Drucken für jedermann

„Die Leute kaufen das Gerät, weil das Drucken Spaß macht”, meint Carl Fruth. In der Fabbster-Broschüre ist zu lesen: „ 3D-Drucken für jedermann.” Und tatsächlich kann jeder mit ein bisschen technischem Geschick den Bausatz kaufen, ihn zu Hause aufbauen und alle möglichen Figuren, Spielzeug und Gebrauchsgegenstände damit ausdrucken. Alles, was man dafür braucht, sind die Daten zu der dreidimensionalen Form, mit denen eine entsprechende Software gefüttert wird. Es sei denn, man kennt sich mit 3D-Software so gut aus, dass man ein Modell selbst am Computer erstellen kann.

Die meisten 3D-Drucker für Privatanwender arbeiten prinzipiell genauso wie Fabbster von Sintermask: Sie schmelzen eine Kunststoffschnur auf (bei Fabbster sind es schmale Stangen) und tragen die flüssige Plastikmasse da auf, wo die Software es vorgibt. Der Kunststoff kühlt sich ab und härtet dabei aus. Schicht für Schicht entsteht so das gewünschte Objekt. Mehrere Farben sind bei manchen Modellen schon möglich, verschiedene Materialien aber noch nicht.

Dafür, dass 3D-Drucker demnächst in manchen Haushalten zu finden sein werden, gibt es einige Indizien. Zum Beispiel die Geschichte dreier amerikanischer Studenten, die ein Unternehmen gegründet haben, um einen günstigen und gut funktionierenden 3D- Drucker zu entwickeln: Ihr Projekt präsentierten sie Ende September im Internet. Auf einer sogenannten Crowdfunding-Plattform stellten sie ihre Idee vor und warben um Spenden für deren Umsetzung.

100 000 US-Dollar wollten die Studenten haben, um ihren Drucker zu konstruieren. Zusammengekommen sind insgesamt knapp drei Millionen. Beeindruckend ist, dass über 800 Menschen jeweils mehr als 2500 Dollar spendeten. Damit sicherten sie sich ein Exemplar des neuen 3D-Druckers, sobald er fertig konstruiert ist.

Raus aus der Nische

Inzwischen ist das studentische Unternehmen allerdings vom großen Konkurrenten 3D Systems verklagt worden. Der Vorwurf: Die von den Studenten gegründete Firma Formlabs würde Patente verletzen. Auch das zeigt: Die 3D-Druck-Branche entwickelt sich aus ihrer Nische heraus.

Formlabs ist nicht das einzige Unternehmen, das um Privatkunden wirbt. Allein auf der Messe Euromold waren mehr als fünf Unternehmen vertreten, die 3D-Drucker auch an Privatkunden verkaufen. Carl Fruth, Chef der Firma Sintermask, die den Fabbster herstellt, sagt: „Wir sehen einen großen Markt in der Zukunft.” Denn die Industrie sei nicht darauf ausgerichtet, individualisierte Produkte herzustellen, und auch die Qualität könne sie nur für Massenware gewährleisten. „Wenn man es selbst macht, ist der Anspruch geringer”, meint Fruth. Selbstgedruckt wird schon heute in vielen Städten auf der ganzen Welt in sogenannten FabLabs (abgekürzt von „fabrication laboratories”, auf Deutsch: Herstellungslabors). Die FabLabs sind in der Regel mit vielen verschiedenen Geräten und Maschinen ausgestattet, die jedermann benutzen kann.

In letzter Zeit findet man auch immer mehr Werkstätten, die über einen 3D- Drucker verfügen. Wer mag, soll so individualisierte Einzelstücke oder nicht mehr verfügbare Ersatzteile anfertigen können. In Deutschland gibt es Fablabs in Aachen, München, Berlin, Köln, Hamburg, Nürnberg, Düsseldorf und Erlangen.

Diese Labore sind für viele Menschen die einfachste Möglichkeit, einen 3D-Drucker auszuprobieren. Gedruckt wird heute schon was das Zeug hält, Beispiele findet man auf der Website „ Thingiverse”: individuell gestalteter Weihnachtsbaumschmuck, Reifen mit speziellem Profil für ferngesteuerte Spielzeugautos, nach eigenen Wünschen gestaltete Griffe für Schubladen oder eine Halterung für Dart-Pfeile.

Die Trendforscher Andreas Neef, Stefan Krempl und Klaus Burmeister prophezeien in ihrem Buch „Vom Personal Computer zum Personal Fabricator”: 3D- Druck wird die Wirtschaft umkrempeln. Auch die US-amerikanische Denkfabrik Atlantic Council in Washington schreibt in einem Strategiepapier: Die additive Fertigung könnte die Produktionsprozesse in vielerlei Hinsicht ändern. Schon heute ließe sich mit einem 3D-Drucker der Objektivdeckel einer Kamera drucken. Er müsste dann nicht mehr in Japan oder Südkorea hergestellt und quer durch die Welt verschifft werden. Der 3D-Drucker würde antiglobalisierend wirken, Ressourcen sparen und die Umwelt schonen.

Gedrucktes Fleisch

Manche Vordenker gehen davon aus, dass 3D-Drucker irgendwann so gut wie alles drucken können. Das hätte in der Tat einen massiven Einfluss auf die gesamte Weltwirtschaft. Denn viele der täglich benötigten Dinge könnte man sich einfach zu Hause ausdrucken. Das US-Unternehmen Modern Meadow entwickelt schon 3D-Druck-ähnliche Verfahren, mit denen sich Fleisch produzieren lässt.

Jan Borchers, Professor für Medieninformatik an der RWTH Aachen, sagt: „Die neuen Möglichkeiten der digitalen Produktion werden eine weitere Revolution in der Gesellschaft auslösen.” Als erste Revolution nennt er die massive Verbreitung von Computern, als zweite die Digitalisierung der Kommunikation. Nun sei die Digitalisierung der Produktion an der Reihe. In Zukunft wird jedermann zu Hause am Computer Baupläne erstellen oder sich diese aus dem Internet besorgen – und der 3D-Drucker übernimmt dann die Produktion, ist Borges überzeugt.

Ein Beispiel: „Geht ein kleines Teil einer Armbanduhr kaputt, dann können Sie es beim Hersteller für einige Euro nachbestellen. Oder Sie laden sich den Bauplan runter und drucken das Teil für 20 Cent selbst aus”, sagt Borchers. Für den Medieninformatiker ist klar: Die meisten Menschen würden sich, wenn sie die Wahl hätten, für das Selbst-Ausdrucken zum Preis von 20 Cent entscheiden. Und weil das so ist, werde die Gesellschaft einige Fragen beantworten müssen: „Ist das eine illegale Kopie? Werden Urheberrechte oder Patentrechte verletzt? Wer haftet im Zweifelsfall?”

Krieg vor Gericht

Die rechtliche Situation rund um das dreidimensionale Drucken ist schwierig. Denn je nach Vorlage greift entweder das Urheber-, Patent-, Marken-, Geschmacksmuster- oder Gebrauchsmusterrecht. Oder im schlimmsten Fall eine Kombination aus mehreren davon. Rechtsstreitigkeiten sind zu erwarten, etwa wenn ein Spieleverlag jemanden verklagt, weil er die Spielfiguren unrechtmäßig kopiert habe. Wie schwierig rechtliche Fragen sein können, sieht man am ständigen Streit zwischen den Unternehmen Apple und Samsung, die beide diverse technische Funktionen ihrer Geräte als patentiert reklamieren und verhindern wollen, dass der Konkurrent sie in seine Produkte einbaut.

Bereits heute, wo weltweit erst ein paar Tausend 3D-Drucker in privater Hand sind, gibt es Rechtsstreitigkeiten: Der US-amerikanische Hobby-Designer Thomas Valenty aus Minneapolis hatte mit seinem 3D-Drucker eine Figur aus dem Spiel „Warhammer” nachgebaut und die Druckpläne dafür im Internet veröffentlicht. Daraufhin meldete sich der Anwalt des Spieleproduzenten mit der Aufforderung, die Pläne wieder von der Webseite zu entfernen.

Sollte das Eins-zu-Eins-Kopieren von Gegenständen Wirklichkeit werden, schreibt Internet-Vordenker Sascha Lobo in seiner Kolumne auf Spiegel Online, „würde mit voller Wucht die Diskussion um Immaterialgüter mitten in die produzierende Industrie hineinkrachen: wenn sich jemand ein Geschirrteil ausdruckt oder einen Stuhl oder ein Sonnenbrillengestell. Weil die digitale Vorlage dafür im Netz kursiert wie heute ein Lied oder ein Film.”

Doch wie weit wird die vom Medieninformatiker Jan Borchers ausgerufene digitale Revolution reichen? Bisher erzeugen die für Privatleute erschwinglichen 3D-Geräte nur Dinge aus Kunststoff. Metall ist zu teuer. Ganz zu schweigen von mehreren Materialien auf einmal, auch das geht noch nicht. Wäre ein Schälmesser aus Metall mit Kunststoffgriff also schon nicht mehr herstellbar? „ Theoretisch geht das”, sagt Axel Demmer von der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung. Doch es ist fraglich, ob sich der nötige Aufwand jemals lohnen wird. Jedenfalls können auch die kommenden Generationen von 3D- Druckern für private Nutzer nur Dinge aus Kunststoff ausdrucken. ■

KONSTANTIN ZURAWSKI ist überzeugt: 3D-Drucker für zu Hause sind noch eine Weile nur etwas für Technikbegeisterte.

von Konstantin Zurawski