Geschichte des 3D-Druck

Ein kleiner Ausflug in die Geschichte des 3D-Druck. Von den Pionieren und Erfindern mit ihren abenteuerlichen Gerätschaften bis hin zum heutigen Massenprodukt das in jedem Baumarkt erhältlich ist. Der 3D-Druck hat eine lange und spannende Geschichte vorzuweisen und ist bis heute das faszinierendste und interessanteste Produktionsverfahren der Welt. Die Entwicklung in diesem Bereich geht zurzeit mit großen Schritten voran. Vom einfachen Kunststoffdrucker, über hochauflösende Pulver- und Harzverfahren, Metalldruckverfahren und Lebensmitteldruckverfahren bis hin zu gedruckten Organen in der Medizin. Die Einsatzmöglichkeiten sind unbegrenzt. Selbst die NASA hat schon einen 3D-Drucker mit ins Weltall genommen.

Unzählige private Bastler und Tüftler schieben unbemerkt von Zuhause aus die Entwicklung der 3D-Druckverfahren an. Die Open-Source 3D-Druckszene ist riesig und wird täglich größer. Auf den Werkzeugmessen stehen immer mehr junge Startup-Unternehmen mit einer neuen 3D-Druck-Lösung. Und alles begann mit einer einfachen Idee...

 

(Alle Bilder sind mit ihren Quellen verlinkt!!!)

 

 

François Willème

Meine Recherchen reichen zurück bis ins Jahr 1860 als François Willème, ein französischer Bildhauer und Maler, den Vorläufer des 3D-Scan erfand.

Er fotografierte ein Modell von mehreren Seiten und übertrug später die Konturen der Fotos auf einen Rohling. Er konnte somit fotorealistische Büsten und Statuen herstellen.

Joseph E. Blanther

Im Jahr 1892 erfand Joseph E. Blanther die erste Form des Additive-Manufacturing. Er erstellte  dreidimensionale topologische Karten her indem er Wachsplatten auf Karten legte, entlang der Höhenlinien ausschnitt und aufeinanderklebte. Er erhielt somit eine positive und eine negative Form des Geländes. Nachdem er diese anschließend geglättet hatte wurde ein bedrucktes Papier zwischen die beiden Formen gelegt und gepresst. Er meldete diese Technik am 3. Mai 1892 zum Patent an.

Viktor Perera Bamunuarchige

Am 06. Februar 1940 meldete Viktor Perera Bamunuarchige ein Patent an, welches die Erstellung von topologischen Karten aus ausgeschnittenen und aufeinandergeleimten Kartonscheiben beschrieb.

Eugene E. Zang

Am 16. Juni 1964 veröffentlichte Eugene E. Zang ein Patent, ähnlich dem von Perera. Zang nutzte transparente Platten mit eingravierten topologischen Details um seine Landschaftsmodelle zu bauen.

Theodore A. Gaskin

Theodore A. Gaskin veröffentlichte am 14. August 1973 sein Patent für ein geologisches Schulungsmodell, welches auch schichtweise aufgebaut war.

Es war das erste Schulungsmodell bei dem man die einzelnen Schichten abheben konnte um einen Blick ins Erdinnere zu werfen.

Bis zu diesem Zeitpunkt war alles noch mit viel Handarbeit verbunden und hatte noch recht wenig mit den heutigen 3D-Druckverfahren zu tun. Dies änderte sich als 1974 Mitsubishi den vorläufer der heutigen Pulverdruckverfahren vorstellte.

Mitsubishi Motors

1974 stellte Mitsubishi einen Prozess vor, der mit Hilfe von Licht-auhärtenden Materialien einen schichtweisen Aufbau von Modellen ermöglichte. Bei diesem Prozess wurde ein Lichtbild mit einer Quecksilberdampflampe auf ein mit lichtaushärtendem Harz gemischtes Sand- oder Grafitpulverbett projiziert. Das Grafit- oder Sand-Harz-Gemisch wurde schichtweise aufgetragen und belichtet. Der belichtete Sand härtete aus und der unbelichtete Sand konnte später mit einem Lösungsmittel ausgewaschen werden.

Auf diesem Wege gelang es Mitsubishi die ersten 3D-gedruckten Gussformen herzustellen. 

Paul L. DiMatteo

Paul L. DiMatteo fand heraus dass sich mit dieser Methode sehr komplexe Formen herstellen ließen wie z.B. Propeller, dreidimensionale Nocken oder komplexe Stempel für Pressen usw. und Veröffentlichte am 20. Januar 1976 sein Patent. Er benutze NC-gefräste Bleche und stapelte diese zu einer Form. Die Form wurde mit Stiften und Schrauben zusammengehalten und konnte anschließend gegossen werden.

Wyn Kelly Swainson

Wyn Kelly Swainson veröffentlichte am 09. August 1977 sein Patent für ein selektives dreidimensionales polymerisieren von lichtempfindlichem Polymer im Schnittpunkt zweier Laserstrahlen. Während ein Modell mit einem Laser abgetastet wurde, wurde gleichzeitig in einem Behälter mit lichtempfindlichem Harz und zwei computergesteuerten Laserstrahlen das Harz punktuell ausgehärtet und so ein dreidimensionales Objekt geschaffen. Dieses Verfahren ist der Vorläufer der heutigen Stereolithographie.

Pierre Alfred Leon Ciraud

Pierre Alfred Leon Ciraud (geborem am 5. November 1927 in Caudéran, Frankreich) beschäftigte sich hauptsächlich mit der Thermischen Umformung von Kunststoffen. Er veröffentlichte am 05. Juli 1973 sein Patent für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur herstellung beliebiger gegenstände aus beliebigem schmelzbarem material. Hierbei wurde ein Pulver aus beliebigem schmelzbarem Material mit Hilfe von Schwerkraft, Elektrostatik oder einer Düse in die benötigte Position gebracht und von einem Plasma-, Elektronen-  oder Laserstrahl aufgeschmolzen. Hieraus entwickelte sich das heutige SLS-Verfahren.

Hideo Kodama

Hideo Kodama, Professor am Nagoya Municipal Industrial Research Institute in Japan, veröffentlichte 1981 einen Artikel über ein funktionsfähiges Photopolymer Rapid Prototyping System (im "Journal of the Institute Electronics, Information and Communication Engineers", Ausgabe J64-C vom April 1981). In den von Ihm beschriebenen Methoden werden solide Modelle produziert indem diese in Schichten aufgebaut werden. Zur Umsetzung dieser Technik schlug er drei verschiedene Methoden vor.

  1. Ein Tisch fährt in einem Behälter voll mit flüssigem lichtempfindlichem Polymer nach unten und eine Maske über dem Behälter lässt das UV-Licht nur an bestimmten Stellen durch, damit das Polymer dort aushärtet.
  2. Ähnlich wie in Methode 1, nur umgedreht. Die Maske ist unter dem Behälter und der Tisch fährt nach oben, aus dem Behälter heraus.
  3. Ein Druckkopf bewegt sich in X- und Y-Richtung, sprüht das Polymer auf den Tisch und das UV-Licht härtet dieses sofort aus. Der Tisch fährt langsam nach unten.

Methode 1 beschreibt das heutige DLP Verfahren, bei dem ein Beamer Bilder auf die Polymeroberfläche projiziert und der Tisch langsm im Polymerbad nach unten fährt.  Methode 2 beschreibt das Stereolithografie Verfahren, welches von Chuck Hull entwickelt wurde.

Methode 3 beschreibt das heutige Polyjet verfahren.

Dies war der Anstoß für viele Wissenschaftler an diesen Methoden zu forschen. Es dauerte keine 3 Jahre bis die ersten Ergebnisse präsentiert wurden.

Chuck Hull

Chuck Hull (Charles W.Hull) geboren am 12. Mai 1939 entwickkelte 1984 den ersten 3D-Drucker. Er entwickelte das heutige Stereolithografieverfahren und die .stl Schnittstelle. Ein Tisch wird in ein Becken mit UV-aushärtendem Polymer getaucht. Nun wird mit einem Laser von unten auf den Tisch geschossen und das UV-Polymer härtet an diesen Stellen aus. Der Tisch fährt ein Stückchen nach oben und der Prozess wiederholt sich. Das Bauteil "wächst" aus dem Polymerbad heraus.

Chuck Hull gründete daraufhin 1986 die Firma 3D Systems in Valencia Kalifornien.

Dies ist das offizelle Geburtsjahr des 3D Drucks.

Scott Crump

Scott Crump experimentierte 1988 in seiner Küche mit Wachs und Kunststoff und gründete mit seiner Frau 1989 die firma Stratasys. Er erfand den ersten FDM (Fused Deposition Modeling) Drucker, patentierte diesen und veröffentlichte sein Patent am 09. Juni 1992. Der Drucker arbeitete mit einer Wachs-Kunststoff Mischung brachte diese in Schichten auf einer Bauplattform auf. Dieses Verfahren wird heute in allen handelsüblichen 3D-Druckern angewendet.

Das Rennen um die Vorherrschaft an der Spitze des 3D-Druckermarktes hatte begonnen. Jeder wollte sich seinen Claim abstecken und sich auf ein bestimmtes Verfahren spezialisieren. Die weiteren Jahre brachten immer mehr 3D-Drucker auf den Markt. Viele kleine Firmen kamen und gingen wieder. Partnerschaften wurden geschlossen, Patentstreitigkeiten ausgefochten und Firmen aufgekauft. Die Jahre zwischen 1990 und 2014 brachten so viel Veränderung mit sich, dass Terry Wohler und Tim Gornet von wohlersassociates.com es schafften einen 34 Seitigen Bericht ("The History of Additive Manufacturing") darüber zu verfassen.

Der Bericht ist zwar auf Englisch, beschreibt aber relativ Detailgenau den weiteren Werdegang des 3D-Drucks.

Das RepRap Projekt

Im Jahr 2005 legte Adrian Bowyer den Grundstein für die heutige 3D-Druckszene. Er war damals Dozent für Maschinenbau an der Universität von Bath in England.

Am 13. September 2006 Produzierte eine Maschine erstmals ihre eigenen Teile. Der RepRap Prototyp 0.2 Produzierte ein Bauteil nach, dass vorher von einem kommerziellen 3D-Drucker gefertigt wurde.

Am 9. Februar 2008 Fertigte der RepRap Prototyp 1.0 "Darwin" die Hälfte seiner eigenen Bauteile. Anschließend einen IPod Halter für ein Ford Fiesta Armaturenbrett. Im September des Jahres wurde berichtet dass schon über 100 Kopien davon hergestellt wurden.

Nach Darvin folgte der Prototyp "Mendel" und 2010 anschließend "Huxley", der nurnoch 30% der Menge an Druckteile benötigte.

Innerhalb von zwei Jahren verbreitete sich die Idee eines eigenbau 3D-Druckers Weltweit. Zuerst in kleinen Technik- und Bastelgruppen, später auf Universitäten und in Privathaushalten.

Im Jahr 2012 wurde erstmal der Prototyp "Rostock" getestet. Der erste Tripod seiner Art.

Anfangs experimentierte man noch mit Kugellagern und Angelschnüren als Achsantrieb. Später (China sei Dank) wechselte man zu günstigen Linearkugellagern und Zahnriemenantrieb.

Im Januar 2016 musste RepRap Pro (ein kommerzieller Arm des RepRap Projektes)

seinen Handel mit 3D-Druckern und Teilen einstellen, weil sie gegen die Überflutung des Marktes mit Billig-3D-Druckern aus China nicht mehr ankamen.

 

Die RepRap Community ist heute eine der größten Interessengruppen der Welt.

Modellbau- und Werkzeugmessen werden von 3D-Druckanbietern überflutet und ein Ende ist noch lange nicht in Sicht. Die Forschung geht weiter und macht große Fortschritte. Die Chinesen drucken schon ganze Häuser aus Beton, in der Medizin werden schon Körperteile und Organe gedruckt und anschließend in den menschlichen Körper verpflanzt. Es werden Bonbons und Zuckerkreationen sowie Schokoladenfiguren von Konditoren direkt auf den Kuchen gedruckt und die NASA druckt Ersatzteile für die ISS direkt im Weltall. Ich bin sehr gespannt, was uns auf dieser Reise noch alles erwartet...

Ich hoffe Ihnen hat die kleine Reise in die Vergangenheit des 3D-Drucks gefallen. Alle Bilder wurden mit Ihren Quellen verlinkt und die restlichen sind nachfolgend aufgeführt. Meine Recherchen bezogen sich rein auf die Quellen, welche im Internet leicht zu finden sind. Ich gebe keine Garantie auf Vollständigkeit aller Angaben und bin für Kritik, Anreize und Verbesserungsvorschläge dankbar.

 

Patrick Bonsen

 

 

 

Quellen:

Geschichtliche Höhepunkte: http://www.avplastics.co.uk/3d-printing-history und

http://www.wtec.org/loyola/rp/03_01.htm und

http://wohlersassociates.com/history2014.pdf

François Willème: https://fr.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A7ois_Will%C3%A8me

Joseph E. Blanther: http://www.google.com/patents/US473901 und

http://www.thefabricator.com/blog/swindling-murder-and-additive-manufacturing

Viktor Perera: http://www.google.com/patents/US2189592 und

https://www.google.com/Victor Perera Bamunuarchige

Eugene E. Zang: http://www.google.com/patents/US3137080

Theodore A. Gaskin: http://www.google.com/patents/US3751827

Paul L. DiMatteo: http://www.google.com/patents/US3932923

Wyn Kelly Swainson: https://www.google.com/patents/US4041476

Pierre Alfred Leon Ciraud: https://fr.wikipedia.org/wiki/Pierre_Ciraud und

http://www.google.com/patents/DE2263777A1?cl=un&hl=de

Hiedo Kodama:http://kai-u.jp/english/staff01.html und

http://www.wtec.org/loyola/rp/03_01.htm

Chuck Hull:https://de.wikipedia.org/wiki/Chuck_Hull und

https://en.wikipedia.org/wiki/Chuck_Hull und

http://www.google.com/patents/US5571471 und

http://www.industryweek.com/technology/take-5-qa-chuck-hull-co-founder-3d-systems

Scott Crump: https://www.google.com/patents/US5121329

http://www.industryweek.com/scott-crump

Wholers Associates: http://wohlersassociates.com

The History of Additive Manufacturing

Adrian Bowyer:http://adrianbowyer.com/about.html

https://de.wikipedia.org/wiki/Adrian_Bowyer

RepRap:https://en.wikipedia.org/wiki/RepRap_project

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