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Was ist 3D-Drucktechnologie - wie es funktioniert, Anwendungen & Hindernisse


Brauchen Sie ein neues Schultergelenk, eine Waffe oder das winzige Teil, das in das Spielzeug Ihres Kindes passt? 3D-Drucker haben das Potenzial, unser Leben zu verändern und jeden Menschen zum Erfinder, Bildhauer oder Koch zu machen.

Diese revolutionären Drucker werden in unserem täglichen Leben zunehmend sichtbar:

  • Waffen . Im Jahr 2013 entwarf, entwickelte und druckte Cody Wilson selbst entworfene "Crypto-Anarchist" eine Kunststoffpistole über 3D-Druck-Technologie. Cody feuerte einen Schuss ab und verteilte die CAD-Dateien für die Waffe über das Internet. Es gab mehr als 100.000 Downloads, bevor die US-Regierung die Website schloss. Im Mai 2014 wurde Yoshitomo Imura in Japan vom Besitz von fünf 3D-gedruckten Waffen festgenommen.
  • Kosmetik . Auf der TechCrunch Disrupt Show in New York im Mai 2014 demonstrierte Harvard MBA-Absolventin Grace Choi den Mink, einen 3D-Drucker, der weniger als 200 US-Dollar kostet und eine von der FDA zugelassene Tinte mit einer Vielzahl von Substraten kombiniert. zu Creme, zu Lippenstift. Laut Choi "nehmen große Make-up-Firmen das Pigment und die Substrate und mischen sie zusammen und heben dann den Preis auf. Wir machen das gleiche und lassen dich in deinem eigenen Haus schminken. "
  • Körperteile . Laut einem Bericht des Magazins TIME aus dem Jahr 2013 schnitzen 3D-Drucker bereits Körperteile wie Ohren und Nasen aus Körperzellen heraus. Im Frühstadium ist die Technologie vielversprechend für kosmetische und plastische Chirurgie.
  • Essen . Das Massachusetts Institute of Technology hat einen 3D-Drucker für Lebensmittel mit dem Namen "Cornucopia" entwickelt, und das French Culinary Institute verwendet das von Cornell entwickelte FabatHome für die Zubereitung von Speisen. Vielleicht sind die Space-Age-Food-Replikatoren, die in "Star Trek" abgebildet sind, nicht so weit in der Zukunft, wie wir vielleicht denken.
  • Forensik und Archäologie . In der Fernsehshow "CSI: New York" wird 3D-Druck verwendet, um eine Kugel in einem Körper zu replizieren, um eine Operation zu vermeiden. Archäologen können fragile Artefakte zu Studienzwecken replizieren, ohne die ursprünglichen unbezahlbaren Objekte zu beschädigen. Zum Beispiel konnten die Besucher der Discovery Time Square King Tut Ausstellung eine fast identische 3D-gedruckte Replik der Mumie von der Firma Materialise sehen.

Michelangelo hat einmal erklärt, dass in jedem Steinblock eine Statue steht, und es ist die Aufgabe der Skulptur, sie zu entdecken. Sobald der Künstler das dreidimensionale Bild begreift, das er sucht, ist es seine Aufgabe, das Fremdmaterial sorgfältig abzutragen, um die verborgene Struktur zu enthüllen. Wäre Michelangelo in der Lage gewesen, einen 3D-Drucker zu verwenden, wäre sein kreativer Prozess genau das Gegenteil gewesen: Er begann mit nichts und schuf allmählich sein geistiges Bild, indem er Substanz hinzufügte, bis die gesuchte Form vollständig war.

Wie 3D-Druck funktioniert

Der Begriff "3D-Druck" ist irreführend, da es wenig Ähnlichkeit mit dem zweidimensionalen Drucken gibt, bei dem Tinte auf Papier aufgebracht wird. Das Verfahren ist jedoch dem Drucken insofern ähnlich, als das Ergebnis die Ansammlung verschiedener Schichten von Materialien ist, die nacheinander in verschiedenen Formen abgelegt werden, um ein festes dreidimensionales Objekt zu erzeugen. Eine genauere Beschreibung wäre die "additive Fertigung", eine andere Herstellungsmethode als die traditionelle Herstellung, die auf der Entfernung von festem Material von einer größeren ungeformten Masse beruht.

Der Prozess beginnt mit einem Computer Aided Design (CAD) oder einem 3D-Scanner, um ein Modell in digitale, dreidimensionale Messungen zu übersetzen. Unter Verwendung des ausgewählten Materials (Flüssigkeits-, Pulver-, Papier- oder Folienmaterial) werden mehrere dünne Schichten angeordnet und durch Erhitzen, Härten, Zentrieren, Laminieren oder Photopolymerisation zu einem einheitlichen Objekt verschmolzen.

3D-Druck-Technologie hat sich im letzten Drittel des Jahrhunderts entwickelt; Ein Patent Insight Pro-Bericht aus dem Jahr 2014 listete ungefähr 2.635 Patente auf, die sich auf die 3D-Drucktechnologie bezogen, die seit den frühen 1970er Jahren herausgegeben wurden. Während jedes Patent in Bezug auf seine Ansprüche und Begründung, die die Erteilung eines Patents rechtfertigen, spezifisch sein kann, können sie im Allgemeinen auf der Grundlage von Folgendem kategorisiert werden:

  • Technologieprozess identifiziert . Es gibt derzeit 33 verschiedene Verfahren, die im 3D-Druck verwendet werden, von Fused Deposition Modeling (FDM) - einem Prozess des Erhitzens thermoplastischer Materialien zu einem halbflüssigen Zustand, dann Extrudieren von Schicht für Schicht entlang eines computergesteuerten Weges - zur Stereolithographie, a Verfahren, bei dem ein Ultraviolettlaser eine Schicht aus flüssigem Photopolymer härtet, wenn er durch eine in einen Tank aus flüssigem Polymer eingetauchte Plattform angehoben oder abgesenkt wird, ähnlich wie beim Auftrag von Auftrag nach Auftrag, bis die mehreren Schichten zum fertigen Teil führen.
  • Im Patent angegebene Materialien . Bisher decken die erteilten Patente 45 verschiedene Materialien ab, darunter Keramik, Ton, Palladium, Papier, Gummi, Silber, Titan und Wachs.
  • Verwenden oder Anwendung . Zuletzt gab es mindestens 22 kommerzielle 3D-Druckanwendungen, einschließlich der Bau-, Verteidigungs- und Lebensmittelindustrie.

Stand der 3D-Druckindustrie

Viele Branchenbeobachter behaupten, dass die mangelnde Durchdringung der Massenmärkte bisher auf die umfangreichen Patente verschiedener Unternehmen und die Wahrscheinlichkeit von Klagen auf geistiges Eigentum zurückzuführen sei. Einfach ausgedrückt, haben Unternehmen nicht die Ressourcen ausgegeben, um die Technologie zu nutzen, weil sie Angst haben, verklagt zu werden.

Dieses Hindernis für den Wettbewerb hat Neueinsteiger vom Markt und hohen Preisen abgehalten; zu hoch, um Massenkonsumanwendungen zu unterstützen. Da viele der Patente die Basistechnologie ab 2013 und mehr in den Jahren 2014 und 2015 ablehnen, wird es wahrscheinlich eine explosionsartige Zunahme neuer Produkte und eine Senkung der Preise für Geräte geben, ähnlich wie bei anderen elektronischen Geräten wie Fernsehern oder Computern und Mobiltelefone. Die niedrigeren Preise werden den Verbrauchern erstmals auf breiter Basis Zugang bieten.

Laut Pete Basiliere, leitender Gartner-Analyst für 3D-Druck, wird eine überzeugende Verbraucheranwendung - die nur zu Hause mit einem 3D-Drucker erstellt werden kann - bis 2016 erscheinen und ähnliche Auswirkungen auf 3D-Drucker haben wie die Tabellenkalkulation für den PC oder die Hinzufügen einer Kamera zu einem Mobiltelefon. Ein Bericht von Gridlogics Technologies projiziert, dass die Technologie zu einem Massenmarktprodukt werden wird, weil es Verbrauchern ermöglichen wird, Haushaltsgegenstände, die heute mit traditionellen Herstellungsmethoden hergestellt werden, zu ersetzen oder zu schaffen und die damit verbundenen Kosten für Marketing, Logistik und Lagerhaltung zu berücksichtigen. Charles W. Hull, der Schöpfer des ersten 3D-Druckers Mitte der 1980er Jahre und Mitbegründer und Chief Technology Officer von 3D Systems, prognostiziert bis zum Ende dieses Jahrzehnts einen Umsatz von 4, 5 Milliarden US-Dollar.

Anwendungen des 3D-Drucks

Die zukünftigen Anwendungen des 3D-Drucks werden noch immer entdeckt. Die folgenden sind nur einige der derzeit laufenden Anwendungen, die wahrscheinlich zuerst allgemein verwendet werden.

1. Medizinisch
Laut CNN werden 3D-Drucker bereits von Forschern verwendet, um winzige Streifen Organgewebe (Bioprinting) sowie Gesichtsanhangsgebilde (Ohren und Nasen) zu drucken. Gedruckte Organe wie eine Niere oder Leber - die nächste Stufe in der Evolution der Technologie - könnten zunächst für Arzneimittel- und Impfstofftests verwendet werden und schließlich die dringend benötigten Organe für Transplantationen produzieren.

Basiliere sagt: "3D-Bioprinting-Einrichtungen mit der Fähigkeit, menschliche Organe und Gewebe zu drucken, werden weit schneller voranschreiten als das allgemeine Verständnis und die Akzeptanz der Auswirkungen dieser Technologie." Mike Topsch, Chefredakteur von 3D Printer World, meint dazu: "Viele wichtige medizinische Durchbrüche haben moralischen Widerstand erlitten, von Organtransplantationen bis hin zu Stammzellen. Werden nur die Reichen es sich leisten können? Spielen wir Gott? Letztendlich übertrumpft die Rettung von Leben alle Einwände. "

2. Künstliche Gliedmaßen
Die Studenten der Washington University entwickelten eine Armprothese für ein 13-jähriges Mädchen, das bei einem Bootsunfall ihre Gliedmaßen verloren hatte. Obwohl sie nicht so fortschrittlich waren wie andere Prothesen, lagen die Kosten für Materialien in Höhe von 200 US-Dollar wesentlich unter den Kosten von 6.000 US-Dollar für ähnliche Geräte, was eine weit verbreitete Anwendung in vielen Unternehmen ausschließt.

Kylie Wicker aus Rockland, Illinois, die ohne Finger an der linken Hand geboren wurde, erhielt ein funktionierendes Set aus 3D-gedruckten Fingern aus Kunststoff für einen Preis von 5 Dollar, das von einer Highschool-Ingenieursklasse entworfen wurde. Ein kanadischer Professor arbeitet an einem 3D-Druckprozess, um prothetische Gliedmaßen nach Uganda für die Opfer ihrer hartnäckigen Bürgerkriege zu schicken.

3. Mode
Fashion hat den 3D-Druck genutzt, um auf den Laufstegen der New York Fashion Week 2013 visuell atemberaubende Kleider und Accessoires zu kreieren, sowie ein einzigartiges "Rauch" -Kleid, das auf der Internationalen Automobilausstellung 2013 vorgestellt wurde. Das Rauchkleid erzeugt automatisch einen Schleier aus Rauch, wenn jemand in den persönlichen Raum des Trägers tritt.

Lady Gaga trug beim ArtRave 2013 das erste Flugkleid der Welt, Volantis, ein weiteres 3D-gedrucktes Kleid. Continuum bietet den weltweit ersten gebrauchsfertigen, komplett in 3D bedruckten Bikini, den N12, benannt nach dem Material, aus dem er gefertigt wurde: Nylon 12.

4. Prototypen und Testmodelle
Oxfam International, eine internationale Vereinigung von 17 Organisationen, die daran arbeiten, praktische und innovative Wege zu finden, wie Menschen sich aus der Armut befreien können, hat sich mit MyMiniFactory.com zusammengetan, um innovative Designs zur Lösung der Probleme der Wasserhygiene in Ländern der Dritten Welt zu entwickeln. Designs können schnell gedruckt, getestet und modifiziert werden, bevor sie in die Massenproduktion gebracht werden. Während es noch zu früh ist, glauben Sponsoren, dass die schnelle Erprobung neuer Geräte und anschließende Modifikationen mit 3D-Druck bei humanitären Projekten wie Handhygienegeräten für die derzeit 2, 4 Millionen syrischen Flüchtlinge in überfüllten, unhygienischen Bedingungen erfolgreich sein könnten.

Der italienische Erfinder Enrico Dini hat einen 3D-Drucker entwickelt, der als D-Shape bekannt ist. Er bindet Sandpartikel zu Sedimentsteinen zusammen. Der Drucker soll den Bau eines Gebäudes für die Hälfte der Kosten vier Mal schneller als herkömmliche Mittel ermöglichen. Das Urbee, ein Hybridfahrzeug, das von Kor Ecologic entworfen wurde, ist ein Zweisitzer, der bis zu 200 Meilen pro Gallone mit geschätzten Kosten von etwa 20.000 Dollar kostet und vollständig im 3D-Druck hergestellt wird.

5. Persönlicher Gebrauch
Die Menschen werden in der Lage sein, individuelle Schmuckstücke, Haushaltswaren, Spielzeuge und Werkzeuge in jeder gewünschten Größe, Form oder Farbe zu drucken und Ersatzteile zu Hause zu drucken, anstatt sie zu bestellen und darauf zu warten, dass sie geliefert werden . Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Strategy Analytics könnte sich der heimische 3D-Druck bis 2030 zu einer 70 Milliarden Dollar schweren Branche pro Jahr entwickeln.

3D-Drucker für Lebensmittel können sogar das Problem lösen, Kinder dazu zu bringen, ihr Gemüse zu essen, da Eltern die Fähigkeit haben werden, sie in alle möglichen Formen zu formen. Vielleicht könnte ein kniffliges Kleinkind überzeugt werden, Rosenkohl zu essen, wenn sie in Form eines Dinosauriers zubereitet würden.

Hindernisse für den 3D-Druck

Während das Versprechen von 3D-Druckern beträchtlich ist, gibt es ebenso bedeutende Hindernisse, die überwunden werden müssen, bevor es die Erwartungen der Industrie-Befürworter erfüllt.

1. Mangel an einfachen, preiswerten Verbraucherdruckern
3D-Drucker, die für weniger als 1.000 US-Dollar verkauft werden, sind begrenzt leistungsfähig, können schwierig zu bedienen sein, sind unzuverlässig und erfordern möglicherweise eine Handmontage. Während diese Mängel schließlich überwunden werden, kann es viel Zeit und Mühe kosten, bis ein erschwingliches Verbrauchermodell verfügbar ist.

Ein Artikel von 2013 in strategie + business stellt fest, dass "unabhängig davon, wie billig ein 3D-Drucker wird, eine Produktionsanlage weiterhin Skaleneffekte in den Rohmaterialien zum Drucken des Artefakts bietet." Der Artikel stellt auch in Frage, ob ein Verbraucher einen 3D-Drucker verwenden wird zu Hause, um eine Plastikgabel oder Schachfigur zu machen, wenn er oder sie es vom örtlichen Walmart kaufen kann.

2. Mangel an geeigneten Materialien zum Drucken
Drucker, die derzeit zu Verbraucherpreisen ($ 2.500 und weniger) verfügbar sind, beruhen auf Fused Deposition Modeling-Technologie und PLA- und ABS-Kunststoffen. Dieses Material ist nicht robust und in seiner Verwendbarkeit begrenzt. Experten glauben, dass die nächste Generation Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und Metalle verwenden muss, wenn sie für den Durchschnittsverbraucher nützlich sein soll.

Ein Artikel aus dem Jahr 2014 im britischen The Telegraph verspottet Befürworter der neuen Technologie, die solch helle Zukunft verkünden, und stellt fest, dass selbst erfolgreiche 3D-Heimdrucker "Modelle schaffen, die aussehen, als wären sie ein paar Stunden auf dem Heizkörper" zu bemerken, dass es zwar sehr gut ist, Waffenteile ins Internet zu laden, aber ohne die Mittel, Metall zu machen (ein Kapazitätsverbraucher, den 3D-Drucker noch nicht haben), "ist es wahrscheinlicher, den Arm abzuziehen als eine Kugel abzufeuern. "

3. Notwendigkeit der Kenntnis des CAD-Designs
Während herunterladbare Dateien für verschiedene Objekte von Websites wie Thingiverse und Shapeways verfügbar sind, sind sie in der Regel technisch und möglicherweise nicht mit jedem 3D-Drucker kompatibel. Aufgrund des Marketing-Hypes, der die Drucker umgibt, können sie als einfacher bedienbar dargestellt werden als die Erfahrung tatsächlicher Benutzer.

Tom Meeks, ein Mitarbeiter des Blogs "3D Printer Users", stellt die Parallele zwischen 3D-Druckern und dem Keurig-Kaffeemaschinensystem sowie die Bedeutung von Verbraucherdesign und Benutzerfreundlichkeit heraus und merkt an, dass Keurig 16 Jahre gebraucht hat, um die heutige Marktakzeptanz zu erreichen. Und es sollte erkannt werden, dass es viel mehr Kaffeetrinker gibt als potentielle 3D-Druckerbenutzer. Marketing-Experten glauben, dass die Drucker so einfach zu bedienen sein müssen wie herkömmliche Laser- oder Nadeldrucker, wenn sie eine breite Akzeptanz finden sollen.

4. Langsam, unordentlich und potenziell gefährlich
Die Drucker sind perfekt für einzigartige oder komplizierte, teure Objekte, aber für die Massenproduktion sind sie zu langsam. Die verwendeten Materialien und ihre Emissionen während der Verwendung, insbesondere Pulver, können unordentlich und potentiell toxisch sein. Schließlich arbeiten aktuelle 3D-Drucker, die PLA-Kunststoff verwenden, bei sehr hohen Temperaturen (220 bis 230 Grad). Diese Probleme sind zwar nicht unüberwindbar, aber sie werden Zeit und Investitionen erfordern.

Letztes Wort

Ob 3D-Drucker die Wirkung von Fernsehen, Computer oder Mobiltelefon wie von seinen Befürwortern erwartet, ist unbekannt. Wenn sich die Technologie weiterentwickelt, sind die Möglichkeiten und Vorteile endlos. Es ist sicherlich eine Technologie, die ein scharfsinniger Verbraucher bewusst und bereit zu verwenden wäre, wie es reift und ein Verbraucherprodukt wird.

Was denken Sie? Sind Sie daran interessiert, einen 3D-Drucker zu besitzen?


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