3D-Basics Die Geschichte des 3D-Drucks

3D-Druck ist eine der innovativsten Fertigungsmethoden und findet immer neue Anwendungsgebiete. Doch was viele nicht wissen, der 3D-Druck ist eigentlich gar nicht so neu. Wir haben die überraschende Geschichte des 3D-Drucks für Sie zusammengefasst.

Bevor wir mit der Geschichte des 3D-Drucks starten, eine kurze Erläuterung zur 3D-Technologie: 3D-Druck bezeichnet ganz allgemein den schichtweisen Aufbau von Objekten, das sogenannte Schichtbauprinzip. Ein 3D-Drucker bringt in der Regel eine Schicht nach der anderen auf. Diese Schichten werden miteinander verklebt oder verschmolzen, wodurch ein vorher definiertes Objekt entsteht. Dadurch lassen sich auf 3D-Druckern äußerst komplexe Strukturen realisieren und es gibt kaum Designbeschränkungen.

Heute erobert der 3D-Druck als additive Fertigung die Industrie und erschließt sich immer neue Anwendungsgebiete. In der Automobilindustrie, der Medizintechnik oder der Bauindustrie erweitert 3D-Druck, durch seine einzigartigen Vorteile, die Grenzen der industriellen Fertigung. Auch bei Hobby-3D-Druckern, sogenannten Makern, haben die Geräte eine Heimat gefunden. Doch wie sieht es mit der Geschichte des 3D-Drucks aus? Die Grundlagen einiger additiver Technologien sind wahrscheinlich älter als Sie vermuten. Kommen Sie mit auf eine spannende Reise und erfahren Sie alles über die Geschichte des 3D-Drucks.

19. Jahrhundert – Unbekannte Vordenker des 3D-Drucks

1859: Der erste 3D-Scanner wird erfunden

3D-Scanner? Das ist eine Technologie, die nur mit modernen Computersystemen denkbar ist! In der Praxis mag das vielleicht stimmen, aber ein Verfahren, das im Wesentlichen wie ein 3D-Scanner funktioniert, wurde bereits 1859 vorgestellt. Der französische Bildhauer und Fotograf François Willème zeigt der Welt seinen ‚3D-Scanner‘, der später zum Vorläufer der Photogrammetrie wurde. Willème fotografierte ein Objekt mit vier Kameras aus mehreren Blickwinkeln, um danach ein 3D-Modell mithilfe der Pantografie herzustellen.

So beginnt die Geschichte des 3D-Drucks also schon im 19. Jahrhundert. Wie nah der Ansatz von Willème an dem moderner 3D-Modellierung ist, ist seiner Patenanmeldung aus dem Jahr 1864 zu entnehmen. François Willème geht davon aus, dass sein ‚3D-Scanner‘ auch ungelernten Menschen ermöglicht, Skulpturen von nicht lebendigen oder lebendigen Vorlagen anzufertigen. Außerdem soll das Gerät dabei helfen, vergrößerte oder verkleinerte Kopien der Vorlage zu erzeugen. Im Wesentlichen also das, was man heute mit einem 3D-Scanner und einer STL-Datei machen kann.

1892: Von 3D-gedruckten Wachskarten und Räuberpistolen in Texas

Die Geschichte des ersten 3D-Drucks endet, als stamme sie aus der Feder von Quentin Tarantino. Aber beginnen wir von Vorn: 1892 entwickelte der aus Österreich stammende Joseph E. Blanther eine hochinnovative Methode zur Herstellung von Relief-Landkarten, also Karten mit dreidimensionalen Höhenprofilen. Durch das Laminieren von Wachsplatten und dem anschließenden Ausschneiden der Form aus den Platten entstanden die einzelnen ‚Schichten‘ der Höhenprofile. Danach wurden die Teile übereinander verklebt und Schicht für Schicht entstand die 3D-Relief-Landkarte. Ein moderner FDM-3D-Drucker würde das Objekt natürlich automatisch erstellen, aber das Schichtbauprinzip bleibt gleich.

Da seine Erfindung Blanther nicht den gewünschten Wohlstand und Ruhm einbrachte, musst er seinen ausschweifenden Lebensstil anders finanzieren. Blanther ließ sich von verschiedenen wohlhabenden und wenn möglich verwitweten Frauen aushalten. Dieses parasitäre Leben endete jedoch, als er eine seiner Partnerinnen in deren Haus ermordete und die Flucht antreten musste. Zunächst schien Joseph unauffindbar. Zwei Jahre später spielte ihm das Schicksal allerdings einen letzten Streich, als ein Mann ihm auf dem Fahndungsfoto im Scheriffs-Office einer texanischen Kleinstadt erkannte. Die texanische Polizei nahm Joseph, der mittlerweile unter Archibald Forbes bekannt war und als Lehrer arbeitete, sogleich fest. Anscheinend war Blanther auf eine Festnahme vorbereitet und wollte sich der Justiz entziehen. Mit einem Gift, welches er in seinem Hut versteckt hielt, richtete er sich in seiner Zelle selbst. So endet die Geschichte des ersten Menschen, der nachweislich 3D-Druck umsetzte.

1980 bis 1984 – Die frühen Jahre des 3D-Drucks

1980 – Das erste Patent für einen modernen 3D-Drucker in Japan

Die Geschichte des modernen 3D-Drucks beginnt Anfang der 1980er Jahre in Japan. Was für einige sicher eine Überraschung ist, da der Amerikaner Chuck Hull weitläufig als Begründer des 3D-Drucks bekannt ist. Aber tatsächlich hat Dr. Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute in Japan 1980 ein Patent zur Aushärtung von flüssigem Photopolymermaterial mittels UV-Licht eingereicht. Sein Patentantrag erklärt das Verfahren so: „UV-Licht härtet das im Bottich befindliche Photopolymer aus und erzeugt so schichtweise ein Modell.“ Kodama beschreibt hier also ein Verfahren, welches der von Chuck Hull 1984 patentierten Stereolithographie verblüffend ähnlich ist.

Wieso ist Dr. Kodama also nicht als Vater des 3D-Drucks in die Geschichte eingegangen? Dr. Kodama hatte schlichtweg Finanzierungsprobleme, weshalb seine Patentanmeldung nie wirksam wurde. Ironischerweise war Kodama im Hauptberuf Patentanwalt.

1984 – Verkanntes Potenzial der Stereolithographie in Frankreich

Anfang der 1980er Jahre suchte Alain le Méhauté, der damals an fraktalen Geometrien forschte, nach einer Möglichkeit, seinen Kollegen zu beweisen, dass seine Gleichungen richtig waren. Daher forschte er an einem Rapid-Prototyping-Verfahren. Zusammen mit Olivier de Witte und Jean-Claude André entwickelte er ein Verfahren, das flüssiges Photopolymer mittels UV-Licht aushärten konnte. Es handelte sich also, wie schon bei Kodama 1980, um die Stereolithographie.

Die drei Entwickler reichten ihr Stereolithographie-Patent 1984, drei Wochen vor Chuck Hull in Amerika, beim französischen Patentamt ein. 1986 wurde das SLA-Patent schließlich gewährt. Leider sah ihr Arbeitgeber, das französische Institut für wissenschaftliche Forschung CNRS, nicht genügend Anwendungsgebiete für die neue Technologie. Für das Institut war der SLA-3D-Drucker nur eine Maschine zur Darstellung von komplexen Geometrien und Gleichungen. So blieb das Potenzial von AM vorerst verkannt, aber schon bald sollte die Geschichte des 3D-Drucks durch Chuck Hull richtig Fahrt aufnehmen.

1984 bis 1988 – Chuck Hull verkauft die ersten SLA-3D-Drucker

Im Jahr 1984 arbeitete Charles „Chuck“ Hull für einen amerikanischen Möbelhersteller. Dabei war Chuck von den langen Entwicklungszeiten für kleine Individualbauteile frustriert. Darum hat er in seinem Unternehmen ein neues Anwendungsgebiet für UV-Lampen vorgeschlagen: photosensitives Resin Schicht für Schicht auszuhärten, um so ein neues Objekt zu erschaffen.

Sein damaliger Arbeitgeber sah in dem neuen Ansatz genug Potenzial, um Hull ein eigenes kleines Labor einzurichten, in dem er an dem Prozess arbeiten konnte. Schließlich hat Chuck Hull noch 1984 sein Stereolithographie-Patent beim US-Patentamt eingereicht, etwa drei Wochen nachdem das französische Patent eingegangen ist.

Das Patent wurde 1986 gewährt und noch im gleichen Jahr gründete Chuck Hull die Firma 3D-Systems. Zwei Jahre später (1988) führte 3D-Systems dann seinen ersten professionellen 3D-Drucker ein – den SLA 1. Bis heute ist 3D-Systems eines der führenden Unternehmen im Bereich des industriellen 3D-Drucks.

1988 bis 1992 – Sturm und Drang des 3D-Drucks

1988 – Das SLS-Verfahren von Carl Deckard

1988, also im gleichen Jahr in dem der SLA-1 eingeführt wurde, wurde ein bis heute wichtiges 3D-Druckverfahren entwickelt. Der Student (University of Texas) Carl Deckard reichte ein Patent für das SLS-Verfahren (Selektives-Laser-Sintering) ein.

Der erste SLS-3D-Drucker, von Deckard auf den Namen Betsy getauft, konnte zwar nur simple Kunststoffobjekte erzeugen, alle wichtigen Elemente des SLS-Verfahrens waren aber vorhanden. Da Deckard das Verfahren im Rahmen einer Hochschulforschung entwickelt hatte, konnte die Universität dieses später lizensieren. Über Jahre bescherte das SLS-Patent der University of Texas so die höchsten Einnahmen all ihrer Patente.

1989 – FDM-3D-Druck erblickt das Licht der Welt

Der Ingenieur Steven Scott Crump wollte eigentlich nur einen Spielzeugfrosch für seine zweijährige Tochter herstellen. Dabei kam er auf die Idee, Kunststoff und Wachs zu vermischen. Seinen neuen „Werkstoff“ brachte er dann mit einer Heißklebepistole aus. Augenzeugen attestieren dem Spielzeug zwar keine Ähnlichkeit zu einem Frosch, Crump hatt aber das Potenzial seines Verfahrens erkannt. Er kombinierte die Heißklebepistole mit einer Maschine, die über XYZ-Achsen verfügte, um die Produktion zu automatisieren. So entstand der erste FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling). Das Verfahren hat Crump 1989 patentiert. Zusammen mit seiner Frau Lisa gründete er im gleichen Jahr Stratasys – den bis heute größten Produzenten von 3D-Kunststoffdruckern. Der erste Stratasys-FDM-3D-Drucker wurde 1992 veröffentlicht.