Stärken und Einsatzgebiete des 3D-Drucks

3D-Druck – hier lohnt sich der Einsatz

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In der Praxis hat sich der 3D-Druck – besser die additive Fertigungstechnologie – schon auf breiter Front durchgesetzt. Wir beleuchten Verfahren sowie Vor- und Nachteile Bild: Robert Kneschke/Fotolia.com
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Der 3D-Druck ist seit einigen Jahren in aller Munde – und das zum Teil wortwörtlich. Stehen in vielen Medien eher unrealistische, aber spektakuläre Einsatzgebiete im Mittelpunkt, so hat sich in der Praxis die additive Fertigungstechnologie schon auf breiter Front durchgesetzt. Dabei umfasst das Thema eine breite Palette von Technologien, die jeweils Vor- und Nachteile haben.

Dipl.-Ing. Ralf Steck, freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen, bloggt auf www.engineeringspot.de

Inhaltsverzeichnis

1. Wie entstand der 3D-Druck und wer steckt dahinter?
2. Wie gliedert sich der Markt für 3D-Drucker?
3. Wofür nutzt man den 3D-Druck?

4. Zusammenfassung

Um zunächst einmal die Begrifflichkeiten zu definieren: Der Begriff „additiv“ bezieht sich auf die Tatsache, dass beim Herstellen eines Teils in diesen Fertigungsverfahren Material hinzugefügt wird, im Gegensatz zu spanabhebenden Verfahren, die sozusagen „subtraktiv“ arbeiten. Während man beim subtraktiven Fertigen von einem Rohling so lange Material entfernt, bis die gewünschte Form übrigbleibt, fügt man bei additiver Fertigung so lange Material hinzu, bis die gewünschte Form entsteht.

Additive Manufacturing, Rapid Prototyping, 3D-Druck – die Technologie hat viele Namen, was zum Teil historisch bedingt ist. Ursprünglich ging es darum, mit wenig Aufwand und schnell digitale 3D-Modelle in die Realität zu überführen – der Aufwand war geringer und die Geschwindigkeit in Relation zum Bau einer Form und zum Gießen eines Bauteils höher. Und da damals spezielle Materialien zum Einsatz kamen und die Teile meist nur als Anschauungs- oder Geometriemodell dienen konnten, ging es praktisch immer um reine Prototypen (Rapid Prototyping).

Heute stehen Verfahren zur Verfügung, die realistische, ohne Einschränkung nutzbare Bauteile erzeugen, wodurch die additiven Technologien nicht mehr nur für Anschauungsteile, sondern auch für nutzbare Teile eingesetzt werden können. Dann spricht man von Additive Manufacturing. Jeder Anbieter versucht zudem, eigene Marketingbegriffe im Markt zu etablieren. Als allgemeine Begriffe haben sich inzwischen die Begriffe „3D-Druck“ oder „Additive Technologien“ (AM) durchgesetzt.

Wie entstand der 3D-Druck und wer steckt dahinter?

Das erste Rapid-Verfahren, die Stereolithografie, erfand Charles W. Hull im Jahr 1981; die Umsetzung der Technologie dauerte allerdings noch bis 1986. In diesem Jahr gründete Hull das Unternehmen 3D Systems, bis heute eine der größten Firmen im 3D-Druck-Bereich. Das Patent für die Lasersinter-Technologie wurde 1987 von Dr. Carl Deckard von der Universität Texas veröffentlicht. Auch diese Technologie landete 2001 durch den Aufkauf von DTM bei 3D Systems. 1988 erfanden S. Scott Crumb und seine Frau Lisa das FDM-Verfahren und gründeten 1989 Stratasys, den zweiten großen Spieler im Markt.

Eine wichtige Rolle im Markt der 3D-Drucker spielt auch Dr. Adrian Bowyer, der als Dozent an der University of Bath in England arbeitete, als er den RepRap-Drucker erfand. RepRap bedeutet „Replicating Rapid Prototyper“; die Idee dahinter war, einen 3D-Drucker auf Basis des FDM-Verfahrens zu bauen, der für den nächsten Drucker die Bauteile herstellen – deshalb das „replicating“ im Name.

Da die RepRap-Drucker nichtkommerzielle Open-Source-Projekte sind, griffen die bestehenden Patente von Stratasys auf das FDM-Verfahren nicht. Es bildete sich eine große Gemeinde, die neue Hardware, Elektronik oder Software entwickelte und die bis heute aktiv ist und die Hobbygeräte ständig verbessert. Aus der RepRap-Bewegung gingen zudem verschiedene Firmen hervor, die zunächst Bausätze vertrieben und im Jahr 2009 mit dem Auslaufen von Scott Crumbs Patent auf das FDM-Verfahren mit kompletten Geräten auf den Markt gingen. Die bekanntesten dieser Unternehmen sind Makerbot, Ultimeker und German RepRap. Ähnliche Entwicklungen – Patent läuft aus, Markt wächst stark – ließen sich nach dem Auslaufen der Patente von Hull im SLA-Bereich 2013 sowie der SLS-Patente im Jahr 2014 beobachten.

In den letzten Jahren seither hat sich der Markt mehrmals stark verändert, ständig entstehen Firmen, die neue Druckverfahren entwickeln, Firmen werden aufgekauft und etablierte Player drängen in den Markt, beispielsweise Firmen aus der Chemieindustrie mit neuen Materialien. Der Markt teilt sich grob in drei Bereiche: Hobbybereich, Prototypenmaschinen und Produktionsmaschinen.

Wie gliedert sich der Markt für 3D-Drucker?

Der aus den RepRap-Druckern entstehende Markt war anfangs extrem stürmisch, Firmen schossen wie Pilze aus dem Boden, was unter anderem mit dem technisch sehr einfachen Prinzip des FDM-Verfahrens zusammenhängt. Da jedoch die Bauteile und Elektronikbausteine der typischen preiswerten FDM-Drucker in Open-Source-Lizenzen entstanden, überschwemmten chinesische Billigproduzenten den Markt mit immer preiswerteren Bausätzen und Fertiggeräten, so dass es westliche Firmen schwer hatten, sich von diesen abzugrenzen und kommerziell erfolgreich zu bleiben. Die wenigen, die überlebten, schafften dies mit immer hochwertigeren, aber auch immer teureren Geräten, die preislich inzwischen im niedrigen bis mittleren vierstelligen Bereich liegen. Zum Vergleich: die preiswertesten China-Bausätze liegen aktuell um 150 bis 200 Euro.

Im gehobenen vierstelligen bis sechsstelligen Eurobereich finden sich Prototypenmaschinen für die verschiedensten Anforderungen, von gehobenen FDM-Maschinen bis zu Vollfarb-Pulvermaschinen wie den Objet-Geräten von Stratasys. Deutlich fünf- bis sechstellige Preise müssen für Produktionsanlagen investiert werden, auch hier gibt es FDM-Anlagen wie die Fortus-Drucker von Stratasys, ansonsten bietet sich hier die gesamte Palette von Technologien bis hin zu Metall- und Keramikdruck an.

Eine Klasse von Druckern liegt technologisch gesehen zwischen Prototyp und Serie, denn sie erzeugen Sandgussformen – Einzelanfertigungen, in denen Serienteile gefertigt werden. Hier sind Voxeljet oder ExOne zu nennen.

Wofür nutzt man den 3D-Druck?

3D-Druck ist am Ende des Tages nur ein weiteres Fertigungsverfahren, genau wie das Fräsen oder die Blechbearbeitung. Ein Gehäuse wird man beispielsweise eher selten aus einem Metallblock fräsen, sondern schneller und preiswerter aus Blech biegen. Und so wie jede andere Fertigungstechnologie hat auch der 3D-Druck seine optimalen Einsatzgebiete.

  • Kleine Serien und individualisierte Teile:
    Wenn man mit dem 3D-Drucker mehrere Teile fertigt, müssen diese nicht identisch sein, man kann jedes einzelne Teil individuell gestalten, ohne den Prozess teurer oder langsamer zu machen.
  • Komplexe Formen, innenliegende Geometrien:
    Beim 3D-Drucker ist es nahezu unerheblich, ob viele gerade Linien oder viele kleine Details gedruckt werden sollen. „Complexity is free“, sagt man. Das gilt auch für das Innere des Objekts: da dieses schichtweise aufgebaut wird, lässt sich auch innen beliebige Geometrie erzeugen. So werden beispielsweise in Gussformen Kühlkanäle eingearbeitet, die genau der Geometrie der Kavität folgen und effizienter sind; Düsen lassen sich im Durchgang beliebig formen.
    Diese Eigenschaft des 3D-Drucks wird gerne genutzt, um mehrere Funktionen in ein Teil zu integrieren oder beispielsweise Halterungen direkt mit zu drucken. Bisher fertigte man viele Bauteile mehrteilig an, im das Innere bearbeiten zu können, und klebte oder schweißte sie dann zusammen. Das geht jetzt in einem Ablauf.
    Auch organische Formen, wie sie beispielsweise bei generativen Design-Technologien entstehen, lassen sich ebenso gut drucken wie gerade, mathematische Formen. Zudem können innen im Modell Gitterstrukturen Material sparen, ohne die Festigkeit zu verändern, was Leichtbauteile ermöglicht.
  • Funktional integrierte Teile:
    Mit einem guten 3D-Drucker ist es überhaupt kein Problem, Gelenke zu drucken. So lassen sich komplette Baugruppen, die auf herkömmlichem Wege nicht zu montieren wären, in einem Vorgang drucken. Das ermöglicht ganz neue technologische Lösungen.
  • Teile mit großem Spananteil:
    Fräst man beispielsweise eine Flügelrippe eines Flugzeugs, werden bis zu 98 Prozent des oft sehr teuren Rohmaterials in Späne und damit in Abfall verwandelt. Der 3D-Druck generiert nur an den Stellen festes Material, wo man es benötigt. Sogar das Pulver aus der Druckkammer eines SLS-Druckers lässt sich nahezu komplett wiederverwenden. So ist die additive Technologie an vielen Stellen effizienter als die Zerspanung.

Zusammenfassung

Der 3D-Druck ist „nur“ eine neue Fertigungstechnologie – aber eine, die völlig neue Möglichkeiten bietet. Wenn es um komplexe organische, extrem leichte oder besonders feste Teile oder um individualisierte Teile wie Zahnersatz geht, spielen die additiven Technologien ihre Vorteile aus.

Die vielen verschiedenen Technologien unter dem Additive-Dach mögen zunächst verwirrend sein, aber sie haben den Vorteil, dass für viele Anwendungen spezialisierte Geräte zur Verfügung stehen, die Erstaunliches leisten. Außerhalb der gewohnten Bahnen denken – dieser Terminus galt noch nie so wie jetzt, im Zeitalter des 3D-Drucks.

Mehr zum Thema 3D-Druck und additive Fertigung:
https://kem.industrie.de/werkstoffe-verfahren/3d-druck-additive-verfahren/

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