Zukunftsweisende Industrie der dritten Dimension

3D-Druck

Der 3D-Druck eröffnet verschiedenen Branchen neue Möglichkeiten – erste Industrieunternehmen haben ihn bereits als Fertigungsmethode eingeführt. Mit Sicherheit ist er eins der spannendsten Verfahren, wenn es um die kostengünstige Anfertigung von Produkten geht.

Einmal die Vorlage ins System eingespeist, übernimmt der 3D-Druck quasi den Rest und erstellt das gewünschte Modell präzise. Das macht die Technologie für Künstler ebenso interessant wie für industrielle Anwender. Der Einsatzbereich geht weit über Alltagsspielereien hinaus. Vor allem für die Industrie bietet der 3D-Druck bei der Fertigung von Kleinteilen viele Vorteile, aber auch für Konsumenten, und sogar Häuslebauer dürfen auf eine vollkommen neue Fertigungstechnologie hoffen, die dabei hilft, jede Menge Zeit und Kosten einzusparen. Immer mehr Anwendungsfelder werden erschlossen. Die Wirtschaft könnte mit der 3D-Technologie weit kommen.

Geschichte des 3D-Drucks

Als Erfinder des 3D-Drucks gilt der amerikanische Ingenieur Charles „Chuck“ Hull. Der Physiker war es, der den Grundstein für diese Technologien legte. Hull schaffte es im Jahr 1984, die optimale Verbindung zwischen ultraviolettem Licht und Photopolymeren herzustellen. Diese Photopolymere ändern ihre Eigenschaft, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Beim 3D-Druck wird dafür in der Regel flüssiges Harz verwendet. Die zunächst flüssige Konsistenz verhärtet sich, sobald sie vom Licht getroffen wird. So entsteht ein festes Stück Plastik. Mit dieser Technologie, der Stereolithographie (SLA), war der Erfinder in der Lage, dreidimensionale Modelle zu erstellen. Hull ließ dieses Verfahren 1986 patentieren.

Im Lauf der Zeit kamen noch weitere Verfahren hinzu, am bekanntesten sind etwa Selective Laser Sintering (SLS, auch: Lasersintern) und Fused Deposition Modelling (FDM). Bei SLS wird Plastikpulver durch einen Laser verschmolzen. Die FDM-Technologie kommt ohne Laser aus. Bei ihr wird Kunststoffmaterial zunächst erhitzt und dadurch verflüssigt. Kühlt das Material wieder ab, verfestigt es sich. Dadurch entsteht das Modell über ein Schichtverfahren . Die verschiedenen Ansätze werden unter dem Begriff additive Fertigung zusammengefasst: Das Modell kommt nicht durch das Abtragen von Material von einem bereits vorhandenen Körper, sondern durch das Hinzufügen zustande. Der 3D-Druck heißt auch Rapid Prototyping, da Modelle computergesteuert schnell erstellbar sind.

Vorteile des Rapid Prototypings

Das Rapid Prototyping bietet im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren einige Vorteile. Eines der Hauptargumente ist die schnelle Produktion der Produkte. Sobald die Computer-Aided-Design (CAD)-Datei vorliegt, die digitale Druckvorlage, können die Maschinen ans Werk gehen – Tag und Nacht. Gerade für Modelle, die nicht in größten Massen gefertigt werden müssen, erspart der 3D-Druck aufwendige Produktionsketten. Schritte wie Gießen oder Fräsen fallen dabei weg. Selbst Einzelteile lassen sich dadurch preiswert herstellen, da keine Formen notwendig sind. 

Für hohe Stückzahlen sind herkömmliche Fertigungsmethoden jedoch in der Regel effektiver. Zudem gelten die Geräte als besonders präzise. Bei allen gängigen Verfahren liegt die Fehlerquote bei unter 0,5 Prozent, das gewünschte Design wird also exakt so umgesetzt wie vorgegeben. Veränderungen an der Vorlage sind leicht durchführbar, so sind auch mehrere Testläufe bis hin zum optimalen Produkt ohne großen Aufwand realisierbar. Auch das spart Zeit und Kosten. Zumal Fehler oder Schwachstellen im Design dadurch einfacher zu finden und beheben sind.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das SLS-Verfahren Abfall- oder Nebenprodukte vermeidet. Dadurch, dass man nur das tatsächlich benötigte Material verwendet, reduziert sich der Bedarf an Ressourcen. Das gilt für SLA und FDM nur bedingt, da hier bei manchen Formen in den Hohlräumen zunächst ein Stützmaterial, auch Support genannt, zum Einsatz kommt. Nach dem Druck muss es entfernt werden. Bleibt dieser Support in geringem Umfang, reduziert das natürlich auch die Kosten für die Abfallentsorgung. Das Stützmaterial ist notwendig, damit auch komplexe geometrische Figuren zu erstellen sind. „Durch die Verwendung von 3D-Drucktechnologien bieten sich Ihnen viele Vorteile. Die Fertigung ist schnell, ressourcenschonend und für Modelle/Prototypen und Kleinserien kostengünstig. Es ergeben sich im Bereich des Designs und der Leichtbaukonstruktionen viele neue Möglichkeiten, und eine Individualisierung der Fertigung ist mit geringem Aufwand realisierbar“, fasst der Dienstleister 3faktur zusammen.

Anwendungsbereiche des 3D-Drucks

Häufig fertigen Firmen mit 3D-Druckern Prototypen und Modelle. Doch auch bei der Ersatzteilfertigung gewinnt die Technologie immer mehr Zulauf. Selbst in der Luft- und Raumfahrt kommt sie mittlerweile zum Einsatz. Statt eines teuren Ersatzteillagers setzen Unternehmen wie Airbus und Emirates mittlerweile auf 3D-Drucker, um die benötigten Teile rasch selbst zu produzieren und schnell zu erhalten. Die Lieferzeit entspricht nämlich der Druckzeit. 

Zudem sind die Teile aus dem Drucker oft leichter als herkömmlich produzierte – in der Luftfahrt ein entscheidendes Kriterium. Komplette Flugzeuge aus dem Drucker sind so bald nicht realistisch. Das gilt auch für Autos. Zwar setzt auch diese Branche zunehmend auf die moderne Technik, in der Massenproduktion ist sie allerdings nach wie vor zu teuer. Prototypen oder einzelne Teile stammen aber auch heute schon aus dem Drucker. So stellt etwa Audi bereits transparente, mehrfarbige Deckgläser für Rückleuchten mit dem 3D-Drucker der Firma Stratasys her. Volkswagen produziert so Sonderteile für Spezialfahrzeuge.

Auch in der Architektur ist der 3D-Druck auf dem Vormarsch. Die amerikanische Firma Icon hat in diesem Jahr ein einstöckiges Haus in weniger als 24 Stunden gedruckt, Kostenpunkt: 4.000 Euro. Doch es geht auch kleiner. Der französische Immobilienentwickler Valoptim etwa nutzt das Rapid-Prototyping-Verfahren, um seinen Kunden ein Modell ihres künftigen Eigenheims zu präsentieren. In dieser Hinsicht eignet sich die Methode auch für Architekten, um ihre Ideen zu visualisieren. Auch Künstler finden immer mehr Gefallen daran: Der tschechische Bildhauer Michael Gabriel kombiniert in seinen Werken 3D-Werkzeuge mit traditioneller bildhauerischer Arbeit – und erhielt dafür den NordArt-Preis 2018. 

In Forschung und Medizin kommen 3D-Drucker ebenfalls immer häufiger zum Einsatz. Sie bieten individuelle Lösungen – immer nach Bedarf des Menschen. So ist Zahnersatz damit deutlich einfacher und günstiger hertellbar. Im Oktober 2018 hat die Universität in Utah einen Bioprinter vorgestellt, mit dem sie in Zukunft Sehnen und Bänder drucken will. Problematisch bei Organen, Implantaten oder Knochen hingegen ist, dass das Einwachsen der Gefäße zu lange dauert und dadurch Nekrosen auftreten. Auch Leben aus dem Drucker scheint noch in weiter Ferne. 

Derweil sind Hobbydrucker in der Lage, mit kleineren Geräten allerlei Gegenstände selbst zu drucken. Ob Spielfiguren, Geschirr oder einfach Experimente – den Möglichkeiten sind im kleinen Rahmen kaum Grenzen gesetzt. Wer kein Gerät zu Hause hat: Manche Stadtbibliotheken zählen mittlerweile 3D-Drucker zu ihrem Inventar und bieten die Nutzung an.

3D-Druck-Industrie in Deutschland

In Deutschland hat sich das Berliner Unternehmen BigRep einen Namen in der Branche gemacht. In Serienproduktion bietet die Firma Großdrucker mit einer Kapazität von mehr als einen Kubikmeter an. Deswegen eignet sich deren Drucker auch eher für industrielle Anwender als für Privatpersonen. Früh setzte auch die Firma EOS auf die neue Technologie. Bereits im Jahr 1989 verschrieben sich die Gründer Dr. Hans Langer und Dr. Hans Steinbichler dem 3D-Druck, und EOS zählt mittlerweile zu den weltweit führenden Unternehmen der Additiven Fertigung. Mittlerweile hat die Firma sich auf die Lasersintertechnologie spezialisiert und kam im Jahr 2016 auf einen globalen Marktanteil von 17 Prozent.

Ebenfalls ein Global Player ist Concept Laser. Das oberfränkische Unternehmen setzt auf die Fertigung von Modellen mit Metallpulver. Vorwiegend mit Metallpulvern arbeitet die 2006 gegründete SLM Solutions Group. Privatanwendern dürfte die German RepRap am geläufigsten sein. Die Open Material Platform der Drucker erlaubt es, verschiedene Verbrauchsmaterialien zu verwenden. Breit aufgestellt ist außerdem die Karlsruher Apium Additive Technologies GmbH. Die Firma konzentriert sich auf Forschung im medizinischen und industriellen Sektor, bietet aber Lösungen in nahezu allen Marktsegmenten an. Als Weltmarktführer gilt übrigens Stratasys. Bis zu 90 Prozent Kosten- und Zeitersparnis verspricht das amerikanische Unternehmen mit seinen Technologien.

3D-Druck: Blick in die Zukunft

Die verschiedenen Technologien des Rapid Prototypings zeigen sich bereits ausgereift und präzise. Immer größere Produkte sind auch in Massen zunehmend kostengünstiger realisierbar. Doch die Branche ist eine, die noch lange nicht an ihrem Zenit angelangt ist. Für das Jahr 2020 wird ihr ein weltweiter Umsatz von 22,4 Milliarden US-Dollar prophezeit. Zum Vergleich: Im Jahr 2016 lag der Umsatz noch bei etwa 11,2 Milliarden Dollar. 2017 wuchs die Industrie laut Wohler-Report um 21 Prozent. Das Marktforschungsinstitut International Data Corporation (IDC) prognostiziert bis 2021 jährliche Wachstumsraten von 20,5 Prozent.

Wo die Grenzen der Technologie liegen, scheint derzeit ungewiss – schließlich forschen Experten selbst an druckbaren Häusern oder Organen. „All die wettbewerbsfähigen Unternehmen verschieben konstant die Limits“, sagte Chuck Hull dem Nachrichtensender CNN bereits 2014. Und auch heute noch sind Analysten zuversichtlich. „Die Wachstumschancen sind groß: Derzeit nutzen erst 18 Prozent der Firmen 3D-Druck, in den nächsten fünf Jahren erwarten wir aber einen Anstieg auf ein Drittel der produzierenden Unternehmen“, sagte etwa Christian Foltz, Partner bei Strategy& Deutschland, dem Magazin Produktion.de. Besonders in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie sehe er großes Potenzial. Somit bestehen gute Aussichten, dass sich Deutschland als Hochtechnologieland im 3D-Druck eine gute Ausgangsposition erarbeitet hat, um an diesem überdurchschnittlich wachsenden Zukunftsmarkt langfristig zu partizipieren – Ingenieurskunst Made in Germany in drei Dimensionen.

Bild von Karolina Grabowska auf Pixabay

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