Als ich mir einen 3D Drucker angeschafft habe, wurde ich oft gefragt

„und was machst du jetzt damit?“

Nunja als early Adopter habe ich meine Anwendungsbereiche gefunden. Zeit für einen Ausblick in die Zukunft.

Aktueller Stand im 3D-Druck:

Im kommerziellen Umfeld kann man aktuell sogar schon Metalle drucken, so nutzt zum Beispiel die Flugzeugindustrie 3D Drucker um Teile von Flugzeugen zu drucken. Der Druck von Metallen ist allerdings noch sehr teuer. Die Drucker kosten Millionenbeträge und das Druckmaterial ist meist auch vergleichsweise teuer, so dass sich dieser Druck nur für Spezialanwendungen rechnet.

Wesentlich einfacher und kostengünstiger ist der Druck von Kunststoffen. Kunststoffe können bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen geschmolzen werden und erhärten auch nach kurzer Zeit wieder, wodurch die Anforderungen an die Technik niedriger sind und somit auch die Kosten für Drucker und Material. Erste Druckerbausätze sind in Asien bereits ab ca. 100,- € erhältlich.

Das Verfahren nennt sich FDM (Fused Deposited Material) oder auch FFF (Fused Filament Fabrication). Hierbei wird das Druckmaterial, welches als Faden auf einer Rolle aufgespult ist mit einer  mit einer Druckdüse (die das Material schmilzt) in Schichten aufgetragen.

Das Druckobjekt wird hierzu in Schichten aufgeteilt und der Druckkopf fährt bei jeder Schicht die zu druckenden Bereiche ab und trägt das Material auf.

Als Druckmaterialen kommen verschiedene Kunststoffe in Frage, die es in fast jeder Farbe in unterschiedlichen Kunststoffen mit verschiedenen Eigenschaften gibt.

Filamentrollen

Filamentrollen

Was kann man Drucken, oder woher kommen die Druckvorlagen?

Um Vorlagen für den 3D-Druck zu erhalten, fallen mir aktuell drei Möglichkeiten ein:

Fertige Vorlagen aus dem Internet

Die Standarformate für 3D Objekte sind .STL und .OBJ, diese Formate sind vergleichbar mit PDF beim Druck auf Papier. Fertige Druckvorlagen gibt es auf diversen Webseiten zum Beispiel:

  • www.thingiverse.com (Viele Vorlagen mit unterschiedlicher Qualität)
  • www.myminifactory.com (Weniger Objekte, allerdings mit besserer Qualität)
  • www.yeggi.com (Suchmaschine für 3D Objekte)

Die Vorlagen werden aktuell vorwiegend von Privatpersonen erstellt und geteilt. Die Qualität ist hier demenstprechend schwankend. Allerdings sind die meisten Vorlagen kostenfrei für die private Nutzung verfügbar. Firmen tun sich aktuell noch schwer eigene Daten für den 3D Druck bereitzustellen.

Eine Suche nach zum Beispiel Ikea, fördert unzählige fertige Vorlagen für Ikea Erweiterungen und Teile. Anstatt sich am Wochenende in eine lange Schlange am Service Schalter einzureiehn um ein Ersatzteil zu kaufen, sind viele Teile bereits digital von anderen Nutzern nachgebaut und zum Download zum Ausdrucken verfügbar.

Einscannen von Objekten:

Auch heute schon kann man Objekte einscannen und für den Druck verwenden, allerdings sind wir hier auch noch am Anfang der Entwicklung. Brauchbare 3D Scanner kosten aktuell 1.000 Euro aufwärts. Der Scanvorgang ist noch nicht so einfach wie das Scannen eines Dokumentes. Da Scanner auch nur von „außen“ Scannen können und nicht direkt in ein Objekt hineinschauen können, hängt stark vom zu scannenden Objekt ab, wie gut der Scan gelingt. Während äußere Konturen schon gut erfasst werden können, ist dies bei Objekten mit einer inneren Struktur nicht so einfach:

Quelle: https://www.thingiverse.com/thing:2461985

Selber erstellen:

Einfache Vorlagen, lassen sich auch mit 3D Zeichenwerkzeugen selber erstellen. Das einfachste ist hierbei Tinkercad, welches kostenlos direkt im Browser genutzt werden kann. Ich nutze es selber um zum Beispiel indviduelle Abstandshalter, oder Hacken und Öhsen zu erstellen:

In Tinkercad erstellte Haken und Öhsen

Das hört sich im ersten Schritt schwierig an, ist aber nach etwas Einarbeitung erstaunlich einfach. Die obigen Öhsen sind in ca. 10 Min entstanden. Zu Tinkercad gibt es hierzu sehr sehr gute Online Anleitungen. Wenn es um komplexere Objekte geht, kann man sich auch Fusion360 anschauen, dass für den privaten Einsatz kostenfrei ist und auch komplexe Modelle erstellen kann.

Analogie Drucken auf Papier:

Gehen wir einmal 20 Jahre in die Vergangenheit, Drucker wurden hauptsächlich in Firmen genutzt. Laserdrucker waren groß, schwer, langsam und teuer (6 Seiten pro Minute, heute sind wir eher bei 20-30 Seiten pro Minute). Doch es kamen auch die ersten normalen Drucker für Otto Normalverbraucher auf den Markt. Einen großen Schritt hat hier denke ich HP mit dem HP Deskjet 500 gemacht:


(Quelle Wikipedia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:HP_DeskJet_500.jpg)

Ein Schwarzweiß Tintenstrahldrucker mit dem man zu hause Drucken konnte, die Technik war nutzbar aber auch noch nicht ideal (regelmäßig trocknete die Tinte ein). Man hat sich noch überlegt was man ausdruckt denn Tinte war auch damals schon teuer. Es war auch erst mal nur Schwarz/Weiß. Die Druckqualität lag bei 300dpi (dots per inch). Heute sind wir hier eher bei 600dpi oder bei manchen Foto Druckern sogar bei 2.400 oder 3.600 dpi.

Heute gibt es Drucker ab 20 Euro und nur wenige Haushalte haben keinen Drucker. Wie selbstverständlich werden Fotos, Karten, Tickets, Briefe und noch viel mehr einfach ausgedruckt.

3D-Drucker heute:

3D Drucker heute, sind noch weit vom Massenmarkt entfernt, zu kompliziert sind die Druckvorbereitungen und garantieren dann auch nicht immer den gewünschten Erfolg. Doch in den letzten Jahren haben sich zwei Dinge entwickelt:

  1. Der Preis sinkt massiv:
    Durch den Einstieg der Chinesen, gibt es die ersten 3D Drucker bereits ab ca. 100 Euro, besser ausgestattete Geräte sind ab ca. 300-400 Euro verfügbar (inkl. Lieferung nach Deutschland). Damit geraten auch die europäischen Druckerhersteller unter Zugzwang und so gibt es mit dem Prusa MK2S bereits sehr gute Drucker für 619,- Euro inkl. MwSt.
  2. Die Nutzung wird einfacher:
    Die Drucker die in den letzten Jahren auf den Markt gekommen sind, bieten eine Vielzahl an Sensoren, die die Einrichtung und Nutzung im Vergleich zu früheren Jahren stark vereinfachen.

Denkt man die Entwicklung nun einfach einige Jahre weiter, so wird die Nutzung weiter vereinfacht bei sinkenden Preisen.

Von der kommerziellen Anwendung zur privaten Nutzung:

Wie bei den „Papier“ Druckern, wurde die Technologie erst in Firmen genutzt, die die finanziellen Mittel hatten und wo sich auch durch die teure Technologie ein sofortiger Nutzen einstellte. An diesem Punkt sind wir heute.

HP steigt gerade massiv in den 3D Druck ein und mit dem HP Fusion 300/400 kommen erste Geräte auf den Markt, die für Gewerbe spannend sind. Es wird noch 2-3 Jahre dauern, bis HP die Technik für den Privatgebrauch so weit runter skaliert, dass wir den „HP Fusion 500“ für zu hause bekommen. Ich bin mir sicher dass solch ein Gerät über kurz oder lang kommen wird. Ab dem Zeitpunkt geht es dann darum die Geräte- und Druckkosten weiter zu reduzieren, Kinderkrankheiten auszumerzen.

Heutige kommerzielle Nutzung:

Auch heute schon fangen Firmen an, den 3D-Druck für sich zu nutzen.  Artikel die lange verfügbar sein müssen, jedoch selten abgerufen werden, bringen hohe Lagerkosten mit sich, die über dem Wert des Teiles liegen können. Diese Teile können bei Bedarf „on-demand“ gedruckt werden. Zusätzlich kommt eine schnelle regionale Verfügbarkeit.

Beispiel Deutsche Bahn:

Die deutsche Bahn nutzt den 3D-Druck um Ersatzteile für Züge zu drucken. Ein defekter Mantelhaken oder eine Kopfstütze kann in kurzer Zeit vor-Ort produziert werden. Die Kombination Anzahl der unterschiedlichen Züge, verwendete Bauteile, die Nutzungszeiträume von mehreren Jahrzenten und die vielen Instandsetzungstandorte machen eine Bevorratung mit allen Ersatzteilen für alle Züge teuer (da viele Teile vorgehalten werden müssen) oder sie liegen in einem Zentrallager und die Instandsetzung verzögert sich im schlimmsten Fall bis das Ersatzteil vor-Ort eingetroffen ist.

Quelle: https://inside.bahn.de/3d-druck/

 

Traditionelle Herstellung vs. 3D Druck

 

Herkömliche Produktsionart: Spritzguss

Aktuall werden viele Teile im Spritzgussverfahren hergestellt. Hierzu wird eine Negativform (Sprtizgusswerkzeug genannt, im folgenden Werkzeug) aus Metall hergestellt, in die mit Druck, verflüssigter Kunstoff eingespritzt wird. Den günstigen Kosten bei einer hohen Stückzahl, steht ein großer Aufwand gegenüber:

Vorteil:

  • Ist das Werkzeug (die Form) einmal erstellt, kann man mit Ihr mehrere Hunderttausend Kunststoffteile schnell und kostengünstig herstellen.

Nachteile:

  • Die Herstellung eines Werkzeuges ist recht teuer, die Preise beginnen hier bei ca. 50.000 Euro und können auch mehrere hunderttausend Euro betragen.
  • Das Werkzeug in der Regel für genau ein Kunststoffteil erstellt, für jedes Kunstoffteil ist damit ein eigenes Werkzeug nötig.
  • Wird eine Änderung am Bauteil nötig (zum Beispiel weil ein Fehler gefunden wurde, oder im Rahmen einer Modellpflege), muss das Werkzeug überarbeitet werden.
  • Die Herstellung des Werkzeuges dauert eine gewisse Zeit.

Kurzum der Spritzguss hat seine Vorteile in der Massenfertigung. Aufgrund der Schwierigkeiten im Nachhinein Änderungen vorzunehmen, eignet sich der Spritzguss nicht für Prototypen, Kleinserien, Versuche, etc.

Der 3D Druck im Vergleich

Der 3D Druck hat aktuell den größten Nachteil, dass er im Vergleich zum Spritzguss sehr langsam ist und damit die Stückkosten höher sind. Auf der anderen Seite ist der Einstieg mit ca. 1.000 Euro für einen vernünftigen Drucker sehr niedrig. Mit einem 3D Drucker kann man nahezu jedes beliebige Teil drucken, ein Spritzgusswerkzeug eignet sich nur für genau ein Teil. Dennoch gibt es bereits heute einige Vorteile:

Kleinserien

Je kleiner die Serie ist, umso attraktiver wird der 3D Druck, da hohe Investitionskosten in ein Werkzeug hier wesentlich stärker zu Buche schlagen. Der 3D Drucker braucht zwar länger, aber er läuft weitgehend autonom. Die Produktion kann man durch zusätzliche Geräte sehr einfach und schnell skalieren.

Zum Beispiel:
Spritzguss: Bei 500 Stück, muss ich zu den Kosten für die Herstellung der Teile noch 100 Euro für das Werkzeug mit einrechnen wenn dieses 50.000 Euro kostet.
3D-Druck: Betreibe ich 20 Drucker und diese brauchen ca. 1 Stunde für den Druck von einem Teil, dann habe ich die Teile in einer Woche produziert. Selbst bei einer Anschaffung der Drucker (20 x 1.000 Euro = 20.000 Euro) hat man immer noch 30.000 Euro gespart. Zusätzlich hat man danach die Drucker und kann sie für weitere Projekte nutzen.

Individuelle Stücke:

Dies geht ein wenig in den Bereich Kleinserien über, da auch einzelne Stücke produziert werden können, kann man sehr individuelle Teile herstellen. Teile für die es sich nicht lohnen würde ein normale Produktion zu starten.

Vor-Ort Verfügbar:

Mit einem 3D-Drucker vor-Ort kann das Teil gedruckt werden, wenn die Herstellungszeiten unter den Lieferzeiten aus einem Zentrallager liegen, dann können die Zeiten für Instandhaltung reduziert werden.

Wo sind die grenzen gegenüber herkömmlicher Produktion:

Wo Licht ist, gibt es auch Schatten, die Teile aus dem 3D-Drucker sind bei weitem nicht so genau wie die aus einer guten Spritzgussproduktion. Man kann also nicht jedes Teil herstellen, zum Beispiel haben viele Kunststoffteile eine gewisse Textur die sich nicht nachbilden lässt. Weiterhin haben 3D gedruckte Teile eine eigene Optik (man erkennt die Schichten) und erfüllen damit nicht immer die gewünschten Ästhetischen Anforderungen. Auf der anderen Seite gibt es viele funktionelle Teile die nicht sichtbar sind und an die es die optischen Anforderungen nicht gibt.

Das Bezahlen für Produkte die man nicht kauft!

Auch wenn Spritzgussteile in Masse produziert immer günstiger sind als gedruckte Teile, so machen die Herstellungskosten nicht immer den Hauptteil der Stückkosten aus.

Von vielen Teilen werden die unterschiedlichsten Varianten bereitgehalten um diese bei Bedarf „auf Lager“ zu haben. Diese Lagerhaltung bindet Kapital und verursacht zusätzliche Logistik Kosten. Nehmen wir ein ganz einfaches Beispiel:

Im Baumarkt gibt es hunderte verschieden Blumentöpfe aus Kunststoff. Viele Töpfe stehen unter Umständen Jahre auf dem Hof bevor sie gekauft werden. Für die Bereitstellung der großen Auswahl bezahle ich mit jedem Kauf mit.Das bedeutet, ein eigentlich billiges Plastikteil wird dadurch teuer das ich viele verschiedene für eine lange Zeit zwischenlagern muss bis sich für jedes Teil ein Käufer gefunden hat.

3D Druck in diesem Kontext:

Warum hat der Baumarkt nicht einen großen 3D Drucker, der die Töpfe in kurzer Zeit drucken kann? Als Kunde suche ich mir anhand einiger Muster meinen Wunschtopf aus (Größe, Form, Verzierungen), kann dann vielleicht noch aus einer Vielzahl an Farben auswählen. Schlussendlich habe ich sogar eine größere Auswahl als vorher. Das Rohmaterial wird auf Rollen angeliefert, da jetzt ein Material für viele Töpfe nutzbar ist, braucht der Baumarkt weniger Lagerflächen und weniger Kapital ist auf der Verkaufsfläche gebunden. Es werden keine Blumentöpfe durch die Welt geschickt, sondern nur noch das Rohmaterial.

Was ist der Unterschied zur Farbmischmaschine im Baumarkt? Beide sind groß, schwer, teuer und fertigen individuelle Produkte an!

Die Drucker gibt es übrigens heute schon:

By BigRep [CC BY 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons

Produkte die man so nicht kaufen kann

Bleiben wir beim Beispiel Baumarkt, man sucht ein bestimmtes Teil und es gibt es schlichtweg im Baumarkt nicht. Das Internet hat hier etwas Abhilfe geschaffen, da man Zugriff auf einen viel größeren Produktkatalog bekommt. Auf der anderen Seite, warum gibt es kein Angebot individuelle Teile bei Bedarf lokal im Markt herzustellen? Nehmen wir zum Beispiel Abstandshalter (um einen Abstand zwischen zwei Bauteilen zu erreichen(, mit wenig Aufwand lässt sich ein automatischer Katalog erstellen der diese in jeder Form und Größe enthält. Diese könnten in kurzer Zeit lokal gedruckt werden. Jede Variante vor-Ort zu haben wäre auf der anderen Seite nicht rentabel.

In 5 Jahren:

Schauen wir ein wenig in die Zukunft. Ich gehe davon aus, dass wir in fünf Jahren sehr gute 3D Drucker haben, die auch zuhause ohne große Einarbeitung nutzbar sind. Spätestens ab diesem Zeitpunkt wird die Frage aufkommen, was kann ich eigentlich Drucken? Ab diesem Zeitpunkt wird es interessant für Firmen auch kommerzielle und qualitativ hochwertige Vorlagen anzubieten. Aktuelle Seiten wie Thingiverse sind dafür nicht geeignet, da die Suchfunktion eher schlecht als recht funktioniert und die Modelle keine Qualitätsanforderungen erfüllen müssen. Es gibt Modelle die schlicht „undruckbar“ sind.

Es wird also druckbare Vorlagen geben, die Geld kosten aber entweder den Komfort erhöhen (indem man die Teile nicht im Laden oder Online kaufen muss),

Ich denke dass in 5 Jahren mit günstigeren und einfacheren Druckern kleine und mittelständische Firmen einsteigen werden.
Diese sind in der Lage auch etwas höhere Kosten für einen Drucker zu finanzieren. Doch die Frage bleibt, was kann man eigentlich Drucken?

Die Frage lässt sich einfach beantworten:

  • Kunststoff Ersatzteile:
    Heute muss jedes Ersatzteil aus Kunststoff gelagert und versandt werden. Für viele Teile lohnt sich dies finanziell nicht und so sind diese entweder absurd teuer oder gar nicht verfügbar. Diese Kosten lassen sich einsparen indem die Teile bei Bedarf vor-Ort gedruckt werden können. Ein Beispiel, wenn an meinem Kühlschrank  oder Spülmaschine ist ein Plastikteil kaputt, warum kann ich nicht zum Mediamarkt gehen und mir dieses vor-Ort nachdrucken lassen und abholen? Bereits heute gibt es zahllose Vorlagen für IKEA Teile, ich spare mit heute also schon den Gang zum Service Schalter am Samstag, mit ewig langen Schlangen und Drucke mir die Teile einfach zu hause aus ;).
  • Angepasste Teile:
    Es gibt eine Vielzahl an Teilen, für die sich die Produktion und Lagerhaltung schlicht nicht lohnt, weil sie zu selten abgefragt werden. Wer heute in den Baumarkt geht, sieht ein unglaubliches Portfolio an Schrauben, Abstandshaltern und Teilen. Aber wie oft gibt es genau das Teil was man braucht nicht, man geht einen Kompromiss ein oder kauft ein Teil was gerade nicht passt. Mein Beispiel in dieser Kategorie sind Abstandshalter, sehr einfach zu gestalten und schnell gedruckt. Ein weiteres Beispiel sind Inneneinrichter, die Teile für Gardinenstangen nach Maß fertigen können. Aber warum nicht auch einen Dübel drucken, der für sehr spezifisches Szenario gedacht ist und den es so nicht zu kaufen gibt, oder den es nur in der 100 Stück Box gibt?
  • Individuelle Teile / größere Varianz:
    Auch normale einfache Teile lassen sich mit 3D Druck herstellen, zum Beispiel Untersetzer für Pflanztöpfe oder gleich der ganze Topf. Aktuell steht eine unzählige Menge an Töpfen bei Obi und Co und warten darauf, dass sich ein Kunde dafür entscheidet – totes Kapital. Das schlägt sich auf den Preis nieder. Ich wundere mich regelmäßig warum ein Pflanzentopf aus Plastik 10, 20 oder sogar 30-40 Euro kosten soll? Doch der 3D Druck kann hier helfen, es gibt Muster die der Kunde sich anschauen kann, dazu kann sich der Kunde die Farbe und die genaue Größe aussuchen und der Topf wird gedruckt. Keine Lagerkosten mehr (außer für das Rohmaterial) und der Kunde erhält genau das, was er benötigt.

Der 3D-Druck-CafeShop:

Als das Drucken sich verbreitet hat, wurden größere Druckaufträge noch von Copy Shops erledigt (ist ja auch heute teilweise noch so). Genauso sah es mit dem Internet aus, vor 10 Jahren war der Internetanschluss zu hause noch nicht selbstverständlich, man ging also ins Internet Café um zu chatten, mails zu lesen und zu surfen. Ich gehe davon aus, dass es Läden geben wird, in denen man 3D Drucke beauftragen kann. Kombiniert mit einem 3D Scanner können so Kopien von Gegenständen hergestellt werden. Ich rechne fest damit dass erste Läden diesen Service anbieten.

In 10 Jahren:

Weiter in der Zukunft, gehe ich davon aus, dass die Drucker noch günstiger und robuster sind dass sie auch in fast jeden Haushalt Anwendung finden. Haushaltsgegenstände werden zu hause gedruckt. Egal ob ein Trichter für die Küche, eine neues Handycase, ein Schlüsselanhänger ein Haken für die Wand, einen Lampenschirm oder einen Lichtschalter, die kleinen Alltäglichen Dinge kann man zu hause Drucken (das geht sogar heute schon :). Größere Dinge werden über Druckshops ausgedruckt (warum nicht Stühle, Tische und andere Einrichtungsgegenstände beim 3D Drucker um die Ecke bestellen?) Mit der Verbreitung von Druckern, werden sich neue Geschäftsmodelle etablieren. Es wird Firmen geben die Vorlagen zum Drucken anbieten.

Vor 20 Jahren haben wir beim Hersteller angerufen um eine verloren gegangene Anleitung nachzubestellen, in Zukunft werden wir einfache Ersatzteile direkt ausdrucken wie wir heute die Anleitung ausdrucken.

Die Folgen:

Auch wenn es weiterhin Geräte und Teile gibt die nicht gedruckt werden können (z.B. ein Fernseher), so wird das Drucken von Kunststoff doch einige Veränderungen mit sich bringen.

  • Wir werden wesentlich weniger Lagerfläche für Standard Plastikteile benötigen. Teile die sich einfach zu Hause oder um die Ecke drucken lassen müssen nicht mehr gelagert werden (nur noch das Rohmaterial).
  • Diese Teile müssen auch nicht mehr transportiert werden, sprich wir können mit einer Verkehrsentlastung rechnen.
  • Versandhändlern wird es ein Stück weit so gehen wir heute dem stationärem Handel. Warum soll ich ein fertiges Teil bestellen, wenn es nur ein Knopfdruck entfernt entstehen kann?

Ich bin gespannt inwieweit sich meine Visionen in der Realität wiederfinden.

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