Figuren im 3D-Drucker, Bild: Patrick Daxenbichler - stock.adobe.com

Vorbei sind die Zeiten, in denen es eine Limitierung auf wenige Farben und Werkstoffe im 3D-Druck gab. In der additiven Fertigung geht es farbenfroh zu und die Werkstoffvielfalt wächst. Bild: Patrick Daxenbichler - stock.adobe.com

Die Vielfalt der Werkstoffe, die Unternehmen für die verschiedenen 3D-Druckverfahren anbieten, kann sich sehen lassen. Vorbei sind die Zeiten, in denen lediglich Kunststoff gedruckt worden konnte – und die eintönige Einfarbigkeit haben die Materialien auch hinter sich gelassen. Wenn man sich die Farb- und Materialvielfalt jedoch anschaut, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass es sich hier um eine sehr junge Fertigungstechnologie handelt: Gerade einmal etwas mehr als drei Jahrzehnte ist der 3D-Druck alt. Konventionelle Fertigungsverfahren haben eine viel längere Tradition – und damit auch die in ihr verwendeten Werkstoffe. Die Anzahl der Materialien für den 3D-Druck sollte also noch einen enormen Zuwachs vor sich haben.

Druckverfahren, Bild: Pixabay
Unabhängig von Druckverfahren und Material bleibt eine Herausforderung für Konstrukteure, die Bauteile für die additive Fertigung entwerfen, immer bestehen: Da in jedem Verfahren schichtweise aufgebaut wird, ist die Z-Richtung immer die am wenigsten belastbarste. Bild: Pixabay

Noch können nicht alle Werkstoffe, die man aus dem normalen Maschinenbaualltag kennt, fit für den 3D-Druck gemacht werden. Der Kunststoffexperte Igus hat sich jedoch das Ziel gesetzt, alle seine existierenden Iglidur Gleitlagermaterialien auch im 3D-Druck verarbeitbar zu machen. Noch gibt es hier jedoch Beschränkungen. Tom Krause, Leiter Geschäftsbereich Additive Fertigung, bei Igus erklärt: „Aufgrund der besonderen Anforderungen an den 3D-Druck ist die Auswahl an Grundzutaten gegenüber anderen Verfahren begrenzt.“

Redet man beispielsweise über Filamente für den FDM-Druck, muss unter anderem die Größe der Additive beachtet werden, die klein genug sein müssen, um noch durch die Düse zu passen. Für den SLS-Druck wiederum muss darauf geachtet werden, dass der Werkstoff die geeignete Fließfähigkeit des Pulvers erreicht. Im Falle von Igus möchte man vor allem eine hohe Verschleißfestigkeit erreichen, da die Produkte, die das Unternehmen anbietet, in bewegten Anwendungen verwendet werden sollen – bis hin zu Lagern für den Heavy-Duty-Einsatz in der Landmaschine. Daher setzt das Unternehmen auf thermoplastische Kunststoffe, die es mit Festschmierstoffen oder anderen Additiven veredelt. Möchte man ein extrem verschleißfestes Material für den Filamentdruck, bietet das Unternehmen etwa die beiden Produkte Iglidur J260-PF und C210-PF an, die auf diese Anforderung optimiert sind.

Noch sind die 3D-Druckmaterialien in der Unterzahl gegenüber denen für den Spritzguss. Aber die Entwicklungen werden vorangetrieben. „Wir arbeiten kontinuierlich an neuen Hochleistungskunststoffen für bewegte Anwendungen“, so Tom Krause. Als besonders interessant für die additive Fertigung sieht er Materialien mit Lebensmittelkonformität genauso wie Hochtemperaturmaterialien an.

Wenn‘s mal etwas heißer werden sollte

Hochtemperaturfähige Thermoplaste für den 3D-Druck sind auch bei Stratasys ein Thema. „Ultem 1010-Harz bietet die höchste Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit und Zugfestigkeit aller thermoplastischen FDM-Kunststoffe“, so die Unternehmensangaben. Die Vicat-Erweichungstemperatur des Materials liegt bei 214 °C, womit es sich laut Stratasys für das Drucken chirurgischer Schablonen eignet, die der Dampfsterilisation standhalten können. Sogar Außenbauteile für die Luft- und Raumfahrt und Bauteile für Automotoren sind kein Problem für das Material. Im Vergleich zu einem Standard-ABS: Hier liegt die Vicat-Erweichungstemperatur bei gerade einmal um die 100°C.

Auf dem Gebiet des Drucks mit Endlosfasern ist Markforged einer der Vorreiter. Der Mark Two Industrie 3D-Drucker wurde mit dem Ziel entwickelt, Teile mit der Stabilität von Metall zu drucken. Er kann Carbon, Kevlar und Glasfaser als Endlosfasern drucken. Durch das Continuous-Filament-Fabrication-Verfahren (CFF) zusammen mit dem Fused-Filament-Fabrication-Verfahren (FFF) fertigt der Drucker Funktionsteile indem Nylon/PA6 mit Endlosfasern kombiniert wird. Im Ergebnis sollen die auf diese Art und Weise gefertigten Bauteile bis zu 27 mal steifer und 24 mal stabiler als ABS sein und die Festigkeitseinschränkungen, die bei vielen 3D-Druckmaterialien bestehen, können umgangen werden.

Aus dem Drucker kann alles kommen

Mit einer steigenden Werkstoffvielfalt werden auch die Ideen dazu beflügelt, welche Dinge in additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Prof. Dr. Norbert Babel ist Dozent an der Fakultät für Maschinenbau der Hochschule Landshut. Hier setzt er sich unter anderem als Anwender der 3D-Drucktechnik, die an einem modernen Maschinenbau-Lehrstuhl nicht mehr fehlen darf, unter anderem mit Materialeigenschaften von Werkstoffen für die additive Fertigung auseinander. Zu den interessantesten Entwicklungen zählen für ihn das 3D-Printing von funktionalisierten Textilien für den Sicherheits- oder Sportbereich. Oder auch die Möglichkeit, Oberflächenkonfektionierungen gleich mitzudrucken, etwa Gecko- oder Lotuseffekte. Aber auch das Drucken von Glas ist bereits im Kommen und die Nasa lotet schon Möglichkeiten aus, Behausungen für Astronauten auf dem Mars mittels 3D-Druck erstellen zu können.

Einer der ausgefalleneren Einsatzbereiche für die additive Fertigung ist mit Sicherheit das Bioprinting: Haut, Knochen oder Organe sollen aus dem Drucker kommen. Lebendes Gewebe setzt sich aus verschiedensten Zelltypen zusammen, die in einer spezifischen Reihenfolge angeordnet sind. Um das mit einem 3D-Drucker reproduzieren zu können, haben Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in den USA fast ein Jahrzehnt an der Entwicklung eines entsprechenden Druckers gearbeitet. Als Druckmaterial dienen: Zellen.

Mittlerweile wurden damit bereits Ohr-, Knochen- und Muskelstrukturen gedruckt, die erfolgreich an Tieren implantiert worden sind. Sie haben sich so gut in das echte Gewebe integriert, dass sich in den gedruckten Strukturen Blutgefäße entwickelt haben. Diese Drucktechnik soll über kurz oder lang auch auf menschliche Patienten übertragbar sein.

Einer der treibenden Gedanken der 3D-Druck-Welt ist sicher die Vision des „Wir werden einmal alles drucken können“. Ein wichtiger Punkt, der uns dieser Vision näher bringen kann: eine steigende Werkstoffvielfalt.

  • Messeneuheit GE Formext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Zum Start der Messe am 14. November 2017 gab es noch viele Vorhänge zu besichtigen: Hier am Stand von GE Additive wurde erst im Laufe des ersten Messetages enthüllt, woran die Entwickler die letzten 277 Tage gearbeitet haben... Bild: ke NEXT / jl

  • Projekt Atlas von GE, Bild: ke NEXT / jl

    ... ein Drucker des Projektes "Atlas" (Additive Technology Large Area System), der sich für den laserbasierten Pulver-Metall-3D-Druck eignet und komplett skalierbar ist. Sein Vorteil: er soll durch seine Skalierbarkeit auf die Bedürfnisse verschiedenster Brachen anpassbar sein. Dazu spielt er in der Meterklasse mit, da sich seine Z-Achse auf mehr als einen Meter erweitern lässt. Damit ist er prädestiniert für Branchen, die große Metallteile mit komplexen Geometrien fordern. Geholfen bei der Entwicklung hat das Unternehmen Concept Laser, das seit 2016 mehrheitlich zu GE gehört. Wichtig ist es den Schöpfern der Maschine zu erwähnen, dass es sich hierbei nicht nur um eine Preview eines Produktes handelt, sondern um die Realität - mehrere der Geräte sind schließlich bereits im Einsatz. --- Halle 3 - Stand E30 --- Bild: ke NEXT / jl

  • Messeneuheit Materialise Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Ein etwas kleinerer Vorhang auch bei Materialise. Die Info, was sich darunter verbirgt, gab es erst kurz nach Mittag. Lediglich die Stichworte Metall-Druck und Softwarelösung waren vorab aus den Verantwortlichen herauszubekommen.... Bild: ke NEXT / jl

  • Additiv gefertigte Teile von Materialise, Bild: ke NEXT / jl

    ....erst nach der Enthüllung gab es Teile aus dem Metall-3D-Drucker zu sehen. Soweit erst einmal keine Neuheit, der Clou dahinter, bedarf einer Erklärung: dabei handelt es sich um die Softwarelösung e-Stage Metal, eine sogenannte 1-Click-Lösung, mit der die Stützstrukturen, die die Teile während des Druckvorgangs benötigen, innerhalb weniger Sekunden - und mit nur einem Klick - generiert werden können. Was für den Metalldruck bisher manuell in rund 90 Minuten erstellt werden musste, generiert die automatisierte Lösung innerhalb weniger Sekunden. --- Halle 3 - Stand C48 --- Bild: ke NEXT / jl

  • EOS P 500 auf der Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Auch diese Neuheit verbarg sich zunächst für mehrere Stunden unter einem Vorhang und wurde dann von einer neugierigen Schar umzingelt: Der EOS P 500. Ein Drucker auf der Basis des Laser-Sinterns, der durch seine zwei parallel arbeitenden 70-Watt-Laser, seinen großen Bauraum und seinen extrem schnell arbeitenden Beschichter (trägt 0,6 m/s Werkstoff auf) in der industriellen Serienfertigung eingesetzt werden kann. Die Kosten pro Bauteil sollen sich mit dem System um 30 Prozent reduzieren. --- Halle 3.1 - Stand G50 --- Bild: ke NEXT / jl

  • Trumpf TruPrint 5000, Bild: ke NEXT / jl

    Bei Trumpf gab es keinen Vorhang, aber noch einen Laser mehr: der TruPrint 5000 arbeitet mit drei scannergeführten 500-Watt-Lasern gleichzeitig. Das macht ihn zu einer extrem produktiven 3D-Druck-Anlage im Mittelformat für Metallbauteile. Anders als bei anderen Multilaserkonzepten ist diese Variante nicht auf definierte Bereiche in der Prozesskammer begrenzt – das macht den 3D-Drucker besonders schnell und produktiv. --- Halle 3 - Stand E50 --- Bild: ke NEXT / jl

  • Trumpf 3D-Druck auf der Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Trumpf stellt nicht nur die für den 3D-Druck benötigten Maschinen und Anlagen sowie die dazu passenden Laserstrahlquellen samt aller optischen Komponenten her, sondern hat auch die notwendige Technologie-, Prozess- und Digitalisierungskompetenz im Haus. Und damit differenziert sich das Unternehmen von den vielen 3D-Drucker-Herstellern, die in manchen Fällen nur ihre Maschinen weiterentwickeln - nicht aber an die Integration ihrer Maschinen in eine Fertigungsumgebung denken. Trumpf setzt mit seinem Messeauftritt auch auf den Input seiner potenziellen Kunden und möchte erfahren, was diese benötigen, um einen Drucker tatsächlich in ihrer Fertigung eizusetzen. An diesem Teil des Standes steht daher die alles entscheidende Frage "What are your needs?" im Mittelpunkt. Bild: ke NEXT / jl

  • Stand Desktop Metal Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Aber auch die 3D-Druck-Experten sehen, dass ein Drucker alleine nicht die Lösung ist. Auch sie fangen an, ihre Technologie als Komplettlösung anzubieten, von der Materialzuführung bis zum Ofen kann bei diesem Exponat von Desktop Metal durchgängig gearbeitet werden. Dazu ist das genutzte Metalldruckverfahren so "sauber", dass der Drucker (nicht jedoch der Ofen) auch in einer Büroumgebung eingesetzt werden kann. --- Halle 3 - Stand C10 --- Bild: ke NEXT / jl

  • Da Siemens kein Drucker-Hersteller ist, sondern als Maschinenbauer vielmehr bei der Automatisierung der Druck-Prozesse hilft, ist es schwer, auf dem Stand ein repräsentatives Bild zu schießen. Mit seiner Automatisierungskompetenz agiert das Unternehmen zwar auf der einen Seite etwas mehr im Hintergrund, auf der anderen Seite bietet Siemens jedoch das Know-how, das dem ein oder anderen 3D-Druck-Hersteller für die Industrialisierung seines Verfahrens fehlt. Das Portfolio zeigt sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette – angefangen bei der Design- und Engineering-Software sowie Simulationstools über die passende Hardware für eine komplette Maschinen- und Fabrikautomatisierung bis hin zur Vernetzung der Maschinen mit dem cloudbasierten IoT-Betriebssystem Mindsphere. Dabei adressiert Siemens Maschinenbauer und Anwender von Additive Manufacturing gleichermaßen. --- Halle 3 - Stand E68 --- Bild: Siemens

    Da Siemens kein Drucker-Hersteller ist, sondern als Maschinenbauer vielmehr bei der Automatisierung der Druck-Prozesse hilft, ist es schwer, auf dem Stand ein repräsentatives Bild zu schießen. Mit seiner Automatisierungskompetenz agiert das Unternehmen zwar auf der einen Seite etwas mehr im Hintergrund, auf der anderen Seite bietet Siemens jedoch das Know-how, das dem ein oder anderen 3D-Druck-Hersteller für die Industrialisierung seines Verfahrens fehlt. Das Portfolio zeigt sich entlang der gesamten Wertschöpfungskette – angefangen bei der Design- und Engineering-Software sowie Simulationstools über die passende Hardware für eine komplette Maschinen- und Fabrikautomatisierung bis hin zur Vernetzung der Maschinen mit dem cloudbasierten IoT-Betriebssystem Mindsphere. Dabei adressiert Siemens Maschinenbauer und Anwender von Additive Manufacturing gleichermaßen. --- Halle 3 - Stand E68 --- Bild: Siemens

  • Stratasys auf der Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Die Messeneuheit von Stratasys hat noch einen recht sperrigen Namen: Continuous Build 3D Demonstrator. Der soll aber noch ein bisschen vereinfacht werden, verspricht das Unternehmen. Aber viel interessanter ist ja schließlich auch, die Technik, die sich dahinter verbirgt: Ein modular aufgebautes FDM-System für die 3D-Fertigung mit vernetzten Einheiten für (verschieden) hohe Durchsätze. --- Halle 3.1 - Stand F40 --- Bild: ke NEXT / jl

  • Exponate von Stratasys auf der Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Immer beeindruckender wird, was man mit einem 3D-Drucker alles schaffen kann. Diese bunten Exponate sind mit Stratasys-Druckern entstanden. Und es ist alles aus einem "Guss", die Farben, die Texturen, die beweglichen Teile. Aber der Höhepunkt ist noch nicht erreicht, rund fünf Jahre wird es noch dauern, bis das Potenzial der additiven Fertigungsverfahren so richtig zur Geltung kommt, so Andy Middleton, EMEA President Stratasys. Bild: ke NEXT / jl

  • VDMA-Stand auf der Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Dass das Theme 3D-Druck auch in den deutschen Maschinen- und Anlagenbau eindringen wird, zeigt ein Stand der VDMA Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing unter dem Motto "ready4industry". --- Halle 3 - Stand G73 --- Bild: ke NEXT / jl

  • Job Wall auf Formnext 2017, Bild: ke NEXT / jl

    Und ein letzter Indikator dafür, dass sich in der Branche einiges tut: eine sehr lange Job Wall mit mehreren Dutzend Jobangeboten. --- Halle 3 --- Bild: ke NEXT / jl