3D-Druck

3D-Druck, auch als additive Fertigung bezeichnet, ist ein Fertigungsverfahren, bei dem physische Objekte schichtweise aus digitalen 3D-Modellen erzeugt werden. Dabei werden Materialien – meist Kunststoffe, Metalle oder Keramiken – Schicht für Schicht aufgetragen und ausgehärtet, bis das gewünschte Objekt vollständig aufgebaut ist. Der 3D-Druck hat sich in den letzten Jahrzehnten von einer experimentellen Technologie zu einem vielseitig einsetzbaren Verfahren in Industrie, Medizin, Forschung und zunehmend auch im kommunalen Bereich entwickelt.

Geschichte

Die Anfänge des 3D-Drucks reichen in die 1980er-Jahre zurück. 1984 entwickelte Charles Hull das erste Verfahren der Stereolithografie und gründete später das Unternehmen 3D Systems. In den 1990er-Jahren folgten weitere Verfahren wie das Lasersintern und das Schmelzschichtverfahren (FDM), die zunächst vorrangig im Prototypenbau eingesetzt wurden.

Ab den 2000er-Jahren setzte eine zunehmende Kommerzialisierung ein, insbesondere durch die Open-Source-Initiative „RepRap“, die 3D-Drucker als selbstreplizierende Maschinen vorantrieb. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit günstiger Desktop-3D-Drucker erreichte die Technologie auch private Haushalte, Bildungseinrichtungen und kleinere Unternehmen.

Funktionsweise

Der 3D-Druck gehört zur Klasse der additiven Fertigungsverfahren. Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material entfernt wird (z. B. durch Fräsen oder Bohren), wird beim 3D-Druck Material gezielt hinzugefügt. Grundlage ist ein digitales 3D-Modell, das meist mit CAD-Software (Computer-Aided Design) erstellt wird. Dieses Modell wird anschließend in einzelne Schichten „gesliced“, also in horizontale Schichten unterteilt, die der Drucker nacheinander aufbaut.

Die am häufigsten verwendeten Druckverfahren sind:

• Fused Deposition Modeling (FDM): Schmelzschichtung mit thermoplastischem Kunststoff.
• Stereolithografie (SLA): Aushärtung von flüssigem Photopolymer mittels UV-Licht.
• Selektives Lasersintern (SLS): Verschmelzung von Pulvern (z. B. Nylon) mit einem Laserstrahl.
• Metall-3D-Druck: z. B. mittels Laserstrahlschmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
• Multi Jet Fusion (MJF): Verschmelzen von Pulvermaterialien (z. B. Nylon) mittels Heißluft und gezieltem Druck von Bindemitteln, um Schicht für Schicht das Objekt aufzubauen.

Anwendungsgebiete

Die Einsatzbereiche des 3D-Drucks sind vielfältig und nehmen stetig zu. Zu den wichtigsten Anwendungsfeldern zählen:

• Industrie: Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen und zunehmend auch von Endprodukten.
• Medizin: Anfertigung individueller Implantate, Zahnersatz, Prothesen sowie patientenspezifischer Modelle für die OP-Vorbereitung.
• Architektur und Bauwesen: Erstellung von Modellen, Schalungselementen und inzwischen auch vollständigen Gebäudeteilen.
• Luft- und Raumfahrt: Leichtbaukomponenten, Ersatzteile und Strukturbauteile.
• Konsumgüter: Mode, Schmuck, Haushaltsartikel und individualisierte Produkte.
• Lebensmittelbereich: Druck von Schokolade, Teig oder anderen essbaren Materialien.

Fertigung und Materialien

Je nach Anwendungsgebiet kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Häufig verwendete Werkstoffe sind:

• Kunststoffe: PLA, ABS, PETG, Nylon
• Metalle: Edelstahl, Titan, Aluminium, Kobalt-Chrom
• Keramiken: Aluminiumoxid, Zirkonoxid
• Komposite: Carbonfaserverstärkte Kunststoffe

Die Auswahl des Materials beeinflusst maßgeblich die mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften des Endprodukts. Die Fertigungsdauer hängt von der Komplexität, Größe und dem gewählten Verfahren ab. Einige Anbieter bieten online mehr als 40 verschiedene Materialien an. Darunter fällt z. B. auch TPU, Harz oder Peek.

Einsatz in Kommunen

Der 3D-Druck gewinnt in der kommunalen Verwaltung, Stadtentwicklung und öffentlichen Daseinsvorsorge zunehmend an Bedeutung. Städte und Gemeinden erkennen das Potenzial dieser Technologie zur Steigerung von Effizienz, Nachhaltigkeit und Bürgernähe. Die Anwendungsbereiche reichen von der urbanen Infrastruktur über Bildung bis hin zu neuen Formen der Bürgerbeteiligung.

1. Instandhaltung und Ersatzteilproduktion

Kommunale Betriebe, etwa Bauhöfe oder Verkehrsbetriebe, nutzen 3D-Druck, um Ersatzteile für Geräte, Fahrzeuge und Infrastruktur selbst herzustellen. Besonders bei älteren Anlagen, für die Originalteile nicht mehr erhältlich sind oder nur mit langen Lieferzeiten, kann der 3D-Druck helfen, Stillstandszeiten zu minimieren. Beispiele sind:

• Gehäuse und Halterungen für Sensoren in Smart-City-Anwendungen
• Ersatzteile für Mülleimer, Laternen oder Spielgeräte auf Spielplätzen
• Reparaturkomponenten für Ampelanlagen oder Parkautomaten

2. Stadtplanung und Architektur

In der Stadtentwicklung ermöglicht der 3D-Druck eine anschauliche Visualisierung geplanter Bauprojekte. Architekten und Stadtplaner erstellen maßstabsgetreue Modelle von Gebäuden, Straßen und Quartieren, um Beteiligungsprozesse zu verbessern. Dies fördert das Verständnis bei Bürgerinnen und Bürgern und erleichtert Entscheidungsfindungen in politischen Gremien.

• Modellbau für Beteiligungsverfahren bei Bauvorhaben
• Barrierefreiheitstests mit Miniaturmodellen im Maßstab 1:50
• Simulation von Verkehrsflüssen mit modularen 3D-Stadtteilen

3. Bildung, Bibliotheken und Makerspaces

Viele Kommunen richten sogenannte Makerspaces in Bibliotheken, Schulen oder Jugendzentren ein. Dort stehen 3D-Drucker und andere digitale Werkzeuge bereit, um technische Kompetenzen zu fördern und kreatives Schaffen zu ermöglichen.

• Integration in den MINT-Unterricht (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik)
• Förderung von Medienkompetenz und digitaler Bildung
• Angebote für berufliche Orientierung und handwerkliches Lernen
• Offene Werkstätten für Bürger:innen zur Umsetzung eigener Projekte

4. Soziale und inklusive Anwendungen

Der 3D-Druck bietet Möglichkeiten zur Herstellung individuell angepasster Hilfsmittel für Menschen mit Behinderung oder ältere Menschen. Kommunale Pflegeeinrichtungen, Sozialdienste oder Wohnraumanpassungsstellen können davon profitieren.

• Herstellung von Greifhilfen, Türöffnern oder Rollstuhlzubehör
• Sensorik-Gehäuse für Assistenzsysteme
• Individuelle Lernmaterialien für Menschen mit kognitiven Einschränkungen

5. Kunst im öffentlichen Raum

Auch im kulturellen Bereich findet der 3D-Druck Anwendung. Künstlerische Projekte im öffentlichen Raum, temporäre Installationen oder interaktive Stadtmöbel lassen sich schnell und ressourcenschonend umsetzen.

• Nachbildung historischer Objekte für Museen oder Ausstellungen
• Digitale Rekonstruktion beschädigter Denkmäler oder Skulpturen
• Gestaltung von Stadtmöbeln oder Spielskulpturen in Kooperation mit Bürgern

6. Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft

Ein besonders zukunftsweisender Einsatzbereich liegt im Rahmen kommunaler Nachhaltigkeitsstrategien. Der 3D-Druck kann dazu beitragen, den Materialverbrauch zu senken und die Lebensdauer von Produkten zu verlängern.

• Reparatur statt Neukauf: Ersatzteile für kommunale Einrichtungen
• Wiederverwertung von Kunststoffabfällen aus dem kommunalen Recycling (z. B. Filamentherstellung)
• Förderung von lokaler Produktion zur Reduktion von Transportemissionen

7. Krisenmanagement und Notfallhilfe

In Ausnahmesituationen wie Naturkatastrophen, Pandemien oder Versorgungsengpässen bietet der 3D-Druck schnelle Hilfe:

• Herstellung von Gesichtsschildern und Masken (z. B. während der COVID-19-Pandemie)
• Druck von Adapterteilen für medizinische Geräte oder Messinstrumente
• Ad-hoc-Produktion von Verbindungselementen oder Schildern für temporäre Einrichtungen