3‑D-Druck – das neue Handwerk?

H.-J. Gruner
Von welcher Seite man sich auch dem Thema der additiven Herstellung nähert – es wird schnell klar, dass die umgangssprachlich als „3-D-Druck“ bezeichneten Verfahren die Welt nachhaltig verändern werden. Der Artikel vermittelt im ersten Teil einen allgemeinen Einblick in die Thematik der additiven Fertigung sowie einen aktuellen Überblick über die verschiedenen Herstellungsverfahren und die daraus resultierenden praktischen Einsatzmöglichkeiten. Im zweiten Teil werden konkrete Fragen mit Fachleuten diskutiert, die den Bereich der Orthopädie-Technik beleuchten.

Denn es ist wich­tig zu ver­ste­hen, wel­che Chan­cen und even­tu­el­len Risi­ken bei der addi­ti­ven Fer­ti­gung bestehen, auf­zu­hal­ten ist die­se Ent­wick­lung schon längst nicht mehr: „Was heu­te noch fern­lie­gend erscheint, kann mor­gen schon zur Rea­li­tät wer­den“ 1.

Ein­lei­tung

Um zu ver­ste­hen, was 3‑D-Druck kon­kret bedeu­tet, und um die Mög­lich­kei­ten die­ser neu­en Tech­nik zu ver­ste­hen, ist es sinn­voll, die viel­fäl­ti­gen Bei­spie­le im Inter­net zu kon­sul­tie­ren. Spä­tes­tens dann wird die Erkennt­nis rei­fen: Es gibt kei­ne Gren­zen mehr in punc­to Gestal­tung, Form und Mate­ri­al, alles ist mög­lich. Was vie­len noch als Sci­ence-Fic­tion erscheint, ist bereits heu­te fest in unse­rer Welt eta­bliert – wenn auch noch nicht immer öffent­lich sicht­bar – oder wird in Kür­ze täg­li­che Pra­xis sein: „Wer heu­te gebo­ren wird, wird mit der Tech­no­lo­gie des 3D-Drucks als Selbst­ver­ständ­lich­keit auf­wach­sen“, heißt es in einem der aktu­el­len Hand­bü­cher zum The­ma 2. Es lohnt sich also, sein eige­nes Bild von der Welt wie­der ein­mal grund­le­gend zu hinterfragen.

Klas­si­sche Her­stel­lungs­ver­fah­ren vs. 3‑D-Druck

In der Ver­gan­gen­heit wur­den Bau­tei­le durch drei grund­sätz­li­che Her­stel­lungs­ver­fah­ren erzeugt:

  • Als sub­trak­ti­ve Ver­fah­ren gel­ten Boh­ren, Sägen, Frä­sen oder Schlei­fen bzw. Ras­peln, weil dabei Mate­ri­al von einem Roh­ling abge­tra­gen wird (lat. „sub­tra­he­re“ = „ent­fer­nen“).
  • Form­ge­ben­de Ver­fah­ren sind z. B. Bie­gen, Pres­sen, Wal­ken, Zie­hen bzw. Tief­zie­hen und Gie­ßen. Bei die­sen Ver­fah­ren wird die Form eines Roh­lings durch ther­mi­sche und/oder mecha­ni­sche Kräf­te verändert.
  • Zu den hybri­den Metho­den schließ­lich zäh­len Ver­fah­ren, die meh­re­re Teil­pro­zes­se mit­ein­an­der ver­ei­nen und dadurch nicht ein­deu­tig zuzu­ord­nen sind. In Abhän­gig­keit vom Mate­ri­al bzw. dem Detail­grad der Ver­än­de­rung benö­ti­gen alle drei Her­stel­lungs­ver­fah­ren spe­zi­el­le Maschi­nen und Werkzeuge.

Der 3‑D-Druck dage­gen erzeugt im Unter­schied zu den klas­si­schen Her­stel­lungs­ver­fah­ren Objek­te durch schicht­wei­ses Auf­tra­gen bzw. Aus­här­ten von Mate­ria­li­en: „Schicht um Schicht wächst so das phy­si­sche Modell vom Boden bis zur Spit­ze (von unten nach oben), bis das Bau­teil fer­tig­ge­stellt ist.“ 3. Die ein­zel­nen Mate­ri­al­schich­ten wer­den dabei auf unter­schied­li­che Art und Wei­se mit­ein­an­der ver­bun­den, was wie­der­um auf die ver­wen­de­te Druck­tech­nik zurück­zu­füh­ren ist. Je nach Druck­tech­no­lo­gie lie­gen die Schicht­di­cken aktu­ell im Bereich von 0,1 mm (Fused Depo­si­ti­on Mode­ling, FDM) bis zu 0,02 mm (Mul­ti-Jet Mode­ling, MJM), was selbst feins­te Struk­tu­ren ermög­licht (Abb. 1). Werk­zeu­ge im klas­si­schen Sin­ne oder teu­re Guss­for­men sind beim 3‑D-Druck nicht not­wen­dig, da die Druck­ma­schi­ne alle wich­ti­gen Funk­tio­nen beinhaltet.

Die sicher wich­tigs­te Ent­wick­lung der letz­ten zwei Jah­re ist jedoch, dass bestimm­te Druck­tech­ni­ken wie Fused Depo­si­ti­on Mode­ling (FDM) oder Mul­ti-Jet Mode­ling (MJM) inzwi­schen für jeder­mann zur Ver­fü­gung ste­hen. Dies wird dafür sor­gen, dass die Tech­nik sich in kür­zes­ter Zeit naht­los in unse­ren All­tag inte­grie­ren wird und wir wie selbst­ver­ständ­lich im pri­va­ten Bereich eine Hül­le für unser Smart­pho­ne dru­cken oder im Geschäfts­all­tag Pro­to­ty­pen eines neu­en Pro­duk­tes aus dem 3‑D-Dru­cker ent­neh­men wer­den. Ana­log zum jet­zi­gen Druck­markt wird sich der 3‑D-Druck in drei Berei­che auf­glie­dern: Pro­fes­sio­nel­le 3‑D-Druck­dienst­leis­ter wer­den den indus­tri­el­len Markt mit hoch­qua­li­ta­ti­ven Pro­duk­ten ver­sor­gen. Klei­ne­re, aber den­noch pro­fes­sio­nel­le Maschi­nen wer­den hohe Qua­li­tät für Klein­se­ri­en in Unter­neh­men, etwa für Ein­zel­stü­cke und den Pro­to­ty­pen­bau, bie­ten. Eine belie­bi­ge Ska­lie­rung von Pro­duk­ti­ons­men­gen nach oben wird damit aber nicht mög­lich sein, wes­halb der Ein­satz gera­de am Anfang gut über­legt sein soll­te. Hin­zu kommt noch der Bereich der soge­nann­ten Con­su­mer-Pro­duk­te, die es bereits in ver­schie­de­nen Elek­tronik­märk­ten sowie im Inter­net zu kau­fen gibt. Für den Bereich der Ortho­pä­die-Tech­nik wer­den sich aus Qua­li­täts- und Pro­duk­ti­ons­grün­den jedoch wahr­schein­lich nur die ers­ten bei­den Optio­nen etablieren.

Über­sicht über die aktu­el­len Drucktechniken

Der Begriff „3‑D-Druck“ ver­eint meh­re­re tech­ni­sche Ver­fah­ren zur addi­ti­ven Her­stel­lung von Pro­duk­ten und ist somit in der Pra­xis eher unge­eig­net. Je nach Druck­tech­nik unter­schei­den sich die­se Ver­fah­ren vor allem durch die zu ver­ar­bei­ten­den Mate­ria­li­en (z. B. Kunst­stoff, Metall, Mate­ri­al­kom­bi­na­tio­nen), die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des erzeug­ten Objekts (z. B. Druck­fes­tig­keit, Zug­fes­tig­keit, Ver­win­dungs­stei­fig­keit, Elas­ti­zi­tät), die opti­schen Eigen­schaf­ten, die anschlie­ßen­de Wei­ter­ver­ar­bei­tung und die benö­tig­ten Men­gen (Ein­zel­stück, Mehr­fach­auf­la­ge, Seri­en­pro­duk­ti­on). Der­zeit exis­tie­ren fol­gen­de Drucktechniken:

  • Ste­reo­li­tho­gra­phie (STL): Ein flüs­si­ges Pho­to­po­ly­mer wird in einer gro­ßen Wan­ne mit Hil­fe eines UV-Lasers punk­tu­ell ausgehärtet.
  • Mul­ti-Jet Mode­ling (MJM): Ana­log einem Tin­ten­strahl­dru­cker kön­nen ver­schie­de­ne Mate­ria­li­en über einen Druck­kopf plat­ziert wer­den. Je nach Mate­ri­al sind die­se selbst­här­tend (Hart­wach­se, Ther­mo­plas­te) oder licht­här­tend (Pho­to­po­ly­me­re).
  • Fused Fila­ment Fab­ri­ca­ti­on (FFF) oder Fused Depo­si­ti­on Mode­ling (FDM): Hier­bei wird ein Mate­ri­al­fa­den per­ma­nent einem Druck­kopf (Extru­dier­kopf) zuge­führt, auf­ge­schmol­zen und platziert.
  • Selec­ti­ve Laser Sin­te­ring (SLS): In einem Pul­ver­bett wird die jeweils obers­te Mate­ri­al­schicht von einem Laser auf­ge­schmol­zen. Das auf­ge­schmol­ze­ne Mate­ri­al ver­bin­det sich dau­er­haft mit der dar­un­ter lie­gen­den Schicht. Inzwi­schen kön­nen Kunst­stof­fe, Metal­le und Kera­mik auf die­se Art ver­ar­bei­tet werden.
  • Elec­tron Beam Mel­ting (EBM) oder Elec­tron Beam Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring (EBAM): Ana­log dem SLS-Prin­zip wer­den hier­bei Metal­le mit hohem Schmelz­punkt (z. B. Titan) durch einen Elek­tro­nen­strahl auf­ge­schmol­zen und dadurch verbunden.

Bei allen vor­ge­stell­ten Ver­fah­ren ist zu beach­ten, dass das Objekt zunächst model­liert wer­den muss. Es muss also in ein Datei­for­mat über­führt wer­den, das mit einem 3‑D-Dru­cker (Abb. 2) kom­pa­ti­bel ist, etwa per CAD (Com­pu­ter-aided Design) oder 3‑D-Scan 4. Das am wei­tes­ten ver­brei­te­te Datei­for­mat ist dabei STL (Stan­dard Trans­for­ma­ti­on Lan­guage). Es bil­det somit den „Con­tai­ner“ für 3‑D-Objek­te. Dank uni­ver­sel­ler Datei­for­ma­te ermög­li­chen addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren auf die­se Wei­se „die direk­te Umset­zung der Daten in ein phy­si­sches Bau­teil“ 5.

Wäh­rend die beschrie­be­nen Druck­tech­ni­ken bis­lang vor allem für das soge­nann­te Rapid Pro­to­typ­ing, also das schnel­le­re und kos­ten­güns­ti­ge­re Pro­du­zie­ren von Mus­tern und Bau­tei­len, ent­wi­ckelt und ein­ge­setzt wur­den, zeich­net sich aktu­ell ein neu­er Trend ab: Durch die wei­ter sin­ken­den Inves­ti­ti­ons­kos­ten für die Druck­tech­nik und damit ein­her­ge­hen­de sin­ken­de Stück­kos­ten wird die Tech­nik neben Ein­zel­stü­cken auch für Klein­se­ri­en inter­es­sant. Die Mög­lich­keit der indi­vi­du­el­len Per­so­na­li­sie­rung je Druck­vor­gang erwei­tert die Mög­lich­kei­ten noch ein­mal um ein Vielfaches.

3‑D-Druck vs. klas­si­sches Handwerk

Vie­le spre­chen in Ver­bin­dung mit dem 3‑D-Druck vom „Aus­ster­ben des Hand­wer­kes“. Zwar ist anzu­neh­men, dass der Anteil der durch tat­säch­li­che Hand­ar­beit pro­du­zier­ten bzw. zusam­men­ge­setz­ten Arti­kel im Lau­fe der nächs­ten Jah­re wei­ter zurück­ge­hen und durch ande­re Her­stel­lungs­ver­fah­ren abge­löst wird. Die­ser Pro­zess begann jedoch bereits mit der Ent­wick­lung ers­ter pri­mi­ti­ver Werk­zeu­ge. Somit wird auch im Hand­werk kaum ein Pro­dukt aus­schließ­lich von Hand erzeugt – auch der Ortho­pä­die-Tech­ni­ker benutzt eine Schleif­ma­schi­ne oder gar eine 3‑D-Frä­se. In Zukunft wer­den aber vie­le die­ser Pro­zes­se mit Hil­fe spe­zi­el­ler Soft­ware am Com­pu­ter geplant und vor­be­rei­tet und durch einen spe­zi­el­len Druck­dienst­leis­ter rea­li­siert wer­den. Auch wenn aktu­ell der Ein­druck ent­steht, dass jeder von uns zukünf­tig einen eige­nen 3‑D-Dru­cker besit­zen und selbst gestal­te­te Objek­te aus­dru­cken wird, so bleibt doch fest­zu­hal­ten, dass addi­ti­ve Ver­fah­ren wie SLS, STL oder EBM kom­ple­xe tech­ni­sche Pro­zes­se sind und nur von spe­zia­li­sier­ten Dienst­leis­tern in gleich­blei­ben­der Qua­li­tät rea­li­siert wer­den können.

Das Hand­werk wird sich folg­lich in Zukunft noch mehr auf einer Com­pu­ter­tas­ta­tur abspie­len, um Gedan­ken und Ideen in die Rea­li­tät umzu­set­zen. Dar­über hin­aus wird es neue For­men einer dienst­leis­tungs­ba­sier­ten Zusam­men­ar­beit geben, da die benö­tig­te Tech­nik (Dia­gnos­tik, Mess­tech­nik, Com­pu­ter­hard­ware) in Ver­bin­dung mit spe­zi­el­len cloud­ba­sier­ten Soft­ware­lö­sun­gen unter­neh­mens­in­tern meist nicht rea­li­siert wer­den kann. Hier gilt es ver­läss­li­che Part­ner mit aus­rei­chend Erfah­rung zu finden.

Ein­satz in der Medizin

Der Ein­satz der 3‑D-Druck­tech­nik zeigt bereits jetzt in ver­schie­de­nen medi­zi­ni­schen Dis­zi­pli­nen, wel­ches Poten­zi­al in ihr steckt. Neben den bereits beschrie­be­nen Vor­tei­len sind dafür fol­gen­de drei Grün­de zu nennen:

  1. die Mög­lich­keit des Drucks orga­ni­scher, drei­di­men­sio­na­ler For­men in Kom­bi­na­ti­on mit enor­mer mikround makro­sko­pi­scher Präzision,
  2. die Ver­wen­dung unter­schied­lichs­ter bio­kom­pa­ti­bler Mate­ria­li­en bzw. eines ent­spre­chen­den Mate­ri­al­mi­xes sowie
  3. die Imple­men­tie­rung wei­te­rer elek­tro­ni­scher und mecha­ni­scher Komponenten.

Damit ist der Weg frei für die Anzucht indi­vi­du­el­ler Gewe­be (bei­spiels­wei­se Knor­pel­er­satz) über die Pro­duk­ti­on von Implan­ta­ten und Endo­pro­the­sen (Abb. 3) bis hin zum Druck von Orthe­sen und Pro­the­sen. Außer­dem ist es bereits All­tag, Bohr­scha­blo­nen (Abb. 4) aus bild­ge­ben­den Ver­fah­ren (CT, MRT) zu erstel­len. Die­se nutzt der Chir­urg als Hilfs­mit­tel zur prä­zi­sen Repo­si­tio­nie­rung und Fixie­rung von Kno­chen­frag­men­ten bei Trüm­mer­frak­tu­ren, um Ver­schrau­bun­gen sicher im Kno­chen zu ver­an­kern. Und auch der Druck von Blut­ge­fä­ßen ist bereits mög­lich: An Lebern (Fa. Ore­ga­no­vo, USA), Her­zen (Uni­ver­si­tät Louis­vil­le) und ande­ren Orga­nen (Law­rence Liver­moo­re Natio­nal Labs, Uni­ver­si­tät Frei­burg) wird in den Labo­ren bereits inten­siv gearbeitet.

Fazit

Die Ent­wick­lung des 3‑D-Drucks ver­läuft rasant. Das betrifft nicht nur die Maschi­nen oder die Tech­nik im All­ge­mei­nen, son­dern auch immer mehr Mate­ria­li­en und Werk­stof­fe. Ob die­se Tech­nik für jeden Ein­zel­nen rele­vant, span­nend, wirt­schaft­lich sinn­voll oder hoch­pro­fi­ta­bel sein wird, ent­schei­den am Ende das eige­ne Han­deln, der Mut und die Dyna­mik am Markt. Für die Ortho­pä­die-Tech­nik jeden­falls bie­tet der 3‑D-Druck zahl­rei­che Chan­cen, die es zu nut­zen gilt.

Inter­es­sen­kon­flikt

Das Unter­neh­men des Autors ver­treibt die RS-Scan- und Phits-Pro­duk­te für den deut­schen Markt.

Der Autor:
Hans-Jür­gen Gruner
sci­ence on field GmbH
Cöth­ner Str. 50
04155 Leip­zig
hans.gruner@evoletics.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Gru­ner H.-J. 3‑D-Druck – das neue Hand­werk? Ortho­pä­die Tech­nik, 2017; 67 (3): 38–43
  1. Leu­pold A, Gloss­ner S. 3D-Druck, Addi­ti­ve Fer­ti­gung und Rapid Manu­fac­tu­ring, Mün­chen: Ver­lag Franz Vah­len, 2016: 7 
  2. Fas­ter­mann P. 3D-Dru­cken. Wie die gene­ra­ti­ve Fer­ti­gungs­tech­nik funk­tio­niert. Ber­lin: Sprin­ger Ver­lag, 2016: 2 
  3. Geb­hardt A, Kess­ler J, Thurn L. 3D-Dru­cken. Grund­la­gen und Anwen­dun­gen des Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring (AM). Mün­chen: Carl Han­ser Ver­lag, 2016: 5
  4. Heck­ner H, Wirth M. Ver­gleich von Datei­for­ma­ten für 3D-Model­le. Würz­burg: Uni­ver­si­tät Würzburg/Center for Digi­tal Fab­ri­ca­ti­on, 2014: 4. http://cedifa.de/wp-content/uploads/2014/05/07_3D-Modell-Formate.pdf (Zugriff am 03.02.2017)
  5. Geb­hardt A. Addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren. Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring und 3D-Dru­cken für Pro­to­typ­ing – Too­ling – Pro­duk­ti­on. Mün­chen: Carl Han­ser Ver­lag, 2016: 4
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