Hand, 3D gedruckt mit der Stratasys Connex-Multimaterial-Technologie zur Veranschaulichung beziehungsweise Lehre in der Medizin. (Bild: Stratasys)
Wenn es im James-Bond-Film richtig spannend wird, dann muss meistens des Helden Superfahrzeug dran glauben. Mitleid mit dem schönen Aston Martin ist allerdings nicht mehr nötig, denn das Auto, das vom Hubschrauber aus beschossen und in die Luft gejagt wird, ist ein Muster – hergestellt mit einem 3D-Drucker, als Modell im Verhältnis 1 zu 10.
Nicht nur die Filmindustrie bedient sich der neuen Produktionsverfahren. Mode und Kunstbranche sind ebenso wie Auto- und Luftfahrtindustrie begeistert. Das 3D-Druckverfahren findet in industriellen Prozessen Akzeptanz und zieht jetzt selbst in Privathaushalte ein. Eine breite Anwendergemeinschaft treibt die Möglichkeiten auch für Hobbyhersteller voran. Die Community druckt alles, was sich irgendwie als CAD-Datensatz fassen lässt. Das beginnt mit dem dreidimensionalen Bild, abgescannt vom eigenen Konterfei, und reicht bis zum benötigten Ersatzteil aus Kunststoff, das es über den üblichen Vertriebsweg nicht mehr gibt.
Der Markt von derzeit mehr als einer Milliarde US-Dollar Umsatz soll den Schätzungen des Marktforschungsunternehmens IDTechEx zufolge bis 2025 auf vier Milliarden Dollar klettern; andere Marktexperten erwarten sogar noch mehr. Keine schlechten Aussichten für das Geschäft mit Kunststoffsträngen, Pulver aus Metall und Kunststoff sowie mit Druckern oder Lasersinteranlagen. Selbst in den schwächeren Jahren bis 2016 wird mit einem durchschnittlichen Wachstum von 7,5 Prozent gerechnet. Vor allem in den USA gedeiht das Geschäft. Dort wird mehr als die Hälfte des Umsatzes erwirtschaftet. Etwa ein Drittel der Erträge werden in Europa erzielt, dort haben auch die meisten Unternehmen ihren Standort. In Asien ist die Geschäftstätigkeit nach wie vor schwach; dort werden aber die Forschungsaktivitäten und wissenschaftlichen Publikationen enorm vorangetrieben.
DCD druckt jetzt präzise D-gedruckten Modelle mit der Stratasys Technologie
Die additive Fertigung ist hervorgegangen aus dem ursprünglichen Rapid Prototyping, das lange Zeit ein Aschenputteldasein fristete. Jetzt ist die Technologie nach Auffassung des VDMA Fachverbands Druck und Papier in der Industrie angekommen (dup.vdma.org/3D-Druck). Völlig neue Geschäftsfelder eröffnen sich. „Es geht jetzt um den industriellen Nutzen dieser Technologie“, sagte Rainer Gebhardt, VDMA-Experte für 3D-Druck, anlässlich eines Expertengesprächs.
Im Unterschied zu der abtragenden, zerspanenden oder umformenden Fertigung wird ein Bauteil aufgebaut, indem Schicht für Schicht aufgetragen und verfestigt wird. Dadurch werden komplexe Geometrien ermöglicht, die mit konventioneller Technik nicht hergestellt werden können. „Das Unternehmen Boeing verwendet bereits 22.000 Teile in der Flugzeugproduktion“, berichtete Dr. Christoph Zanker vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) in Karlsruhe. Ein gewichtiger Punkt für die neue Technologie ist das Thema Abfallreduktion. Da nicht mehr aus dem Vollen gefräst wird, ist kaum mehr Material nötig, als das Bauteil selbst hat.
Umdenken in der Konstruktion
Ein weiterer Pluspunkt wird noch zu einer großen Herausforderung für die Konstrukteure: Die additive Fertigung erlaubt und verlangt eine neue Denkweise bei der Produktentwicklung: Plötzlich ergeben sich neue Freiräume. In der Regel bedeutet 3D-Druck Gewichtseinsparung – was die neue Technik in den Augen der Luftfahrt- und Autoindustrie besonders wertvoll macht. Quer durch alle Segmente der Investitionsgüterindustrie erhebt sich die Hoffnung, mit neuen Produkten schneller auf den Markt zu kommen, weil die Herstellung auf die Anfertigung eines Werkzeugs verzichten kann. Eine Studie der EU kommt gar zu der Einschätzung, dass die Nutzung von 3D-Technologien die Entwicklungszeiten um 50 Prozent reduziert.
„Deutschland liegt vorn im 3D-Druck“, sagt Dr.-Ing. Eric Klemp, Direktor am Direct Manufacturing Research Center (DMRC), Paderborn, und verweist auf die Kernkompetenzen im Kunststoff- und Metallbereich. Mit Beginn des Konstruierens am Computer vor etwa drei Jahrzehnten entstand auch der Gedanke, die Konstruktion in haptische Muster und Produkte schnell und günstig mit Hilfe des CAD umzusetzen. Mit der Weiterentwicklung der Software ins 3D-Konstruieren wuchs der Wunsch nach Modellen – mit der Weiterentwicklung der Technologien wächst nun der Trend zu echten Serienbauteilen.
Allerdings gibt es heutzutage immer noch Herausforderungen aufgrund des fehlenden Wissens über die Verfahren selbst und vor allem deren Möglichkeiten zum Umsetzen von Ideen in herstellbare Konstruktionen. Der Konstrukteur muss komplett umdenken. Auch bezüglich der zur Verfügung stehenden Materialien tut sich etwas: Sukzessive kommen neue Materialien auf den Markt.
Der Vorteil der additiven Fertigung liegt insbesondere in der Möglichkeit, individuelle Produkte mit Zusatznutzen herzustellen, zum Beispiel bei der bereits etablierten Fertigung von Zahnkronen, Inlays und Brücken. Die Komplexität „erlaubt fast alles“, berichtet Jürgen Blöcher, FKM Sintertechnik, Biedenkopf-Wallau, „aber die Frage muss immer gestellt werden, ob es auch wirtschaftlich ist.“ Der Experte des auf Lasersintern spezialisierten Unternehmens sie
t in der zunehmenden Funktionsintegration bei Bauteilen ein wichtiges Geschäftsfeld. Bei der Arbeit im Pulverbett folgt als letzter Punkt „das Auspacken der Teile“, schildert Daniel Gies, LMD, Lennestadt, den Abschluss der „modernen Manufaktur“, wie er die additive Fertigung nennt.
Viel Geld wird mit Zähnen verdient, ergänzt Klemp. Diese Einschätzung bestätigt IDTechEx in der Studie „3D Printing 2013 – 2025“. Das stärkste Wachstum werde im medizinischen und zahnmedizinischen Bereich stattfinden. Interesse an Druckerteilen wird aber auch für die Luftfahrtindustrie prognostiziert. fa
Autor: Georg Dlugosch, freier Autor für ke NEXT
Fragen an Dr. Markus Heering, VDMA-Fachverband Druck- und Papiertechnik
Mit 3D-Drucken erobert eine neue Technologie den Maschinenbau. Wie viel Potenzial und welche Gefahr sehen Sie darin?
Argumente für den Erfolg der Technologie und für das breite Interesse gibt es viele: Neue Konstruktionsfreiräume, schnelle und werkzeuglose Herstellung insbesondere von Prototypen, Potenziale zur Reduzierung von Kosten in der Lagerhaltung und Logistik bilden hier erst den Anfang. Viel Anlass zu kontroversen Diskussionen gibt 3D-Druck auch mit Blick auf Themen wie Copyright oder Schutz von geistigem Eigentum.
Der VDMA beschäftigt sich mit den Technologien der additiven Fertigung. Welche Zielgruppen werden damit angesprochen?
In erster Linie hat der VDMA immer die Hersteller von Technologien und Maschinen im Blick. Da die Anwendung der Technologien der additiven Fertigung in vielen Fällen erst am Anfang steht, bietet der Verband allen am 3D-Druck Beteiligten den Raum zum Austausch. Aktuell gilt es noch Grundlagenforschung zu betreiben oder Materialkenngrößen zu definieren. Hier sind auch Anwender und Forschungsinstitute gefragt.
Der VDMA bietet Herstellern und Anwendern der Technologie 3D-Drucken eine neue Plattform. ke NEXT hakt nach bei Dr. Markus Heering.
Warum ist das additive Fertigungsverfahren im VDMA-Fachverband Druck verankert?
3D-Druck ist Drucken in der dritten Dimension. Der junge Industriezweig hat viele Berührungspunkte mit dem etablierten Maschinen- und Anlagenbau der grafischen Industrie: Produktivität, Datenhandling, Reproduzierbarkeit, Präzision, Standards und Normen für Qualität und Sicherheit, um nur einige Beispiele zu nennen. Die jahrzehntelange Erfahrung, das Wissen und die Vernetzung im Fachverband Druck- und Papiertechnik bieten aus meiner Sicht eine hervorragende Basis für dieses Zukunftsthema.
Was bedeutet der 3D-Druck für einen Konstruktionsingenieur?
Der schichtweise Aufbau bietet dem Konstruktionsingenieur vollkommen neue Gestaltungsfreiräume, die er so mit klassischen Fertigungsverfahren nicht hätte umsetzen können. Die radikal neuen Möglichkeiten, die generative Verfahren gegenüber den bisher bekannten mit sich bringen, zeigen sich unter anderem beim Strahlschmelzen: Hier werden Metallteile mit Konstruktionsmerkmalen wie beispielsweise Kanalgeometrien auf engstem Raum umgesetzt, die bisher so nicht hätten produziert werden können.
Welche Auswirkungen haben die Technologien der generativen Verfahren auf den industriellen Alltag?
Vielfalt ist das verbindende Stichwort zwischen den unterschiedlichen additiven Fertigungsverfahren. So vielfältig die Materialien und 3D-Druckverfahren sind, so vielfältig sind auch die Anwenderindustrien. Über Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie hinaus interessieren sich auch die Lebensmittelindustrie (Stichwort: Gewebe drucken), die Medizintechnik (Prothesen, Zahntechnik) aber auch Automatisierungsspezialisten für das Thema.
Wo sehen Sie neue Geschäftsmodelle durch diese Technologie?
Die Ausbreitung des 3D-Drucks wird absehbar mit starken Veränderungen sowohl hersteller- als auch anwenderseitig einhergehen. So können Anwender von dem gewünschten Produkt selbst das Datenfile erstellen und die Herstellung zum gewünschten Zeitpunkt in Auftrag geben. Als ein Beispiel unter vielen könnte man die Entwicklung einer ganz neuen Art der Logistik nennen: Print-on-demand statt Lagerhaltung in Großhallen.
Das Interview führte Georg Dlugosch