Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, entwickelt sich seit ihrer kommerziellen Nutzung vor fast 35 Jahren stetig weiter. Die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Verteidigungs-, Energie-, Transport-, Medizin-, Zahnmedizin- und Konsumgüterindustrie nutzt die additive Fertigung für ein breites Anwendungsspektrum.
Angesichts dieser weiten Verbreitung wird deutlich, dass die additive Fertigung keine Universallösung darstellt. Gemäß der Norm ISO/ASTM 52900 lassen sich nahezu alle kommerziellen additiven Fertigungssysteme einer von sieben Prozesskategorien zuordnen. Dazu gehören Materialextrusion (MEX), Badphotopolymerisation (VPP), Pulverbettfusion (PBF), Binder-Sprühverfahren (BJT), Material-Sprühverfahren (MJT), gerichtete Energiedeposition (DED) und Schichtlaminierung (SHL). Die Reihenfolge basiert auf der Beliebtheit in Bezug auf die Stückzahlen.
Immer mehr Branchenexperten, darunter Ingenieure und Manager, erkennen, wann additive Fertigung zur Verbesserung eines Produkts oder Prozesses beitragen kann und wann nicht. Bisher gingen wichtige Initiativen zur Implementierung additiver Fertigung von Ingenieuren aus, die bereits Erfahrung mit dieser Technologie hatten. Das Management sieht nun vermehrt Beispiele dafür, wie additive Fertigung die Produktivität steigern, Durchlaufzeiten verkürzen und neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen kann. AM wird die meisten traditionellen Fertigungsverfahren nicht ersetzen, sondern vielmehr zu einem festen Bestandteil des Produktentwicklungs- und Fertigungsspektrums von Unternehmern werden.
Die additive Fertigung bietet ein breites Anwendungsspektrum, von der Mikrofluidik bis zum Großbau. Die Vorteile der additiven Fertigung variieren je nach Branche, Anwendung und geforderter Leistung. Unternehmen benötigen triftige Gründe für den Einsatz additiver Fertigung, unabhängig vom Anwendungsfall. Die häufigsten Gründe sind die Konzeptmodellierung, die Designverifizierung sowie die Eignungs- und Funktionsprüfung. Immer mehr Unternehmen nutzen sie zur Entwicklung von Werkzeugen und Anwendungen für die Massenproduktion, einschließlich der kundenspezifischen Produktentwicklung.
In der Luft- und Raumfahrt spielt das Gewicht eine entscheidende Rolle. Laut dem Marshall Space Flight Center der NASA kostet es etwa 10.000 US-Dollar, eine 0,45 kg schwere Nutzlast in die Erdumlaufbahn zu befördern. Durch die Reduzierung des Satellitengewichts lassen sich die Startkosten senken. Das beigefügte Bild zeigt ein additiv gefertigtes Metallbauteil von Swissto12, das mehrere Wellenleiter in einem Bauteil vereint. Dank additiver Fertigung wird das Gewicht auf unter 0,08 kg reduziert.
Additive Fertigung findet in der gesamten Wertschöpfungskette der Energiewirtschaft Anwendung. Für einige Unternehmen liegt der wirtschaftliche Vorteil von AM darin, Projekte schnell iterativ umzusetzen und so in kürzester Zeit das bestmögliche Produkt zu entwickeln. In der Öl- und Gasindustrie können beschädigte Teile oder Baugruppen Produktivitätsverluste in Höhe von Tausenden von Dollar pro Stunde verursachen. Der Einsatz von AM zur Wiederherstellung des Betriebs kann daher besonders attraktiv sein.
Der führende Hersteller von DED-Systemen, MX3D, hat einen Prototyp für ein Rohrreparaturwerkzeug vorgestellt. Laut Unternehmen können die Kosten für eine beschädigte Pipeline zwischen 100.000 € und 1.000.000 € (113.157 $ bis 1.131.570 $) pro Tag liegen. Die auf der nächsten Seite abgebildete Vorrichtung verwendet ein CNC-gefertigtes Bauteil als Rahmen und nutzt das DED-Verfahren zum Schweißen des Rohrumfangs. Additive Fertigung (AM) ermöglicht hohe Auftragsraten bei minimalem Materialverlust, während CNC die erforderliche Präzision gewährleistet.
Im Jahr 2021 wurde auf einer Ölplattform von TotalEnergies in der Nordsee ein 3D-gedrucktes Wassermantelrohr installiert. Wassermäntel sind ein entscheidendes Element zur Steuerung der Kohlenwasserstoffgewinnung in Bohrlöchern während des Baus. In diesem Fall liegen die Vorteile der additiven Fertigung in kürzeren Vorlaufzeiten und einer Reduzierung der Emissionen um 45 % im Vergleich zu herkömmlich geschmiedeten Wassermänteln.
Ein weiterer Anwendungsfall für additive Fertigung ist die Reduzierung teurer Werkzeuge. Phone Scope hat Digiscoping-Adapter entwickelt, die die Handykamera mit einem Teleskop oder Mikroskop verbinden. Da jedes Jahr neue Smartphones auf den Markt kommen, müssen Unternehmen ständig neue Adapter entwickeln. Durch den Einsatz additiver Fertigung können Unternehmen die Kosten für teure Werkzeuge einsparen, die bei der Einführung neuer Smartphones ersetzt werden müssen.
Wie bei jedem Verfahren oder jeder Technologie sollte die additive Fertigung nicht allein aufgrund ihrer Neuartigkeit oder Andersartigkeit eingesetzt werden. Sie dient vielmehr der Verbesserung von Produktentwicklungs- und/oder Fertigungsprozessen und sollte einen Mehrwert schaffen. Beispiele für weitere Anwendungsfälle sind kundenspezifische Produkte und Massenanpassung, komplexe Funktionalitäten, integrierte Bauteile, geringerer Material- und Gewichtsverbrauch sowie verbesserte Leistung.
Damit die additive Fertigung ihr Wachstumspotenzial voll ausschöpfen kann, müssen Herausforderungen bewältigt werden. Für die meisten Fertigungsanwendungen muss der Prozess zuverlässig und reproduzierbar sein. Die nachfolgenden Methoden zur Automatisierung des Materialabtrags an Bauteilen und Stützstrukturen sowie der Nachbearbeitung tragen dazu bei. Automatisierung steigert zudem die Produktivität und senkt die Stückkosten.
Ein besonders interessantes Gebiet ist die Automatisierung der Nachbearbeitung, beispielsweise der Pulverentfernung und der Oberflächenbearbeitung. Durch die Automatisierung der Massenproduktion kann dieselbe Technologie tausendfach wiederholt werden. Das Problem besteht darin, dass die spezifischen Automatisierungsmethoden je nach Bauteiltyp, -größe, -material und -prozess variieren können. So unterscheidet sich beispielsweise die Nachbearbeitung von automatisiert hergestellten Zahnkronen deutlich von der Bearbeitung von Raketentriebwerksteilen, obwohl beide aus Metall gefertigt sein können.
Da Bauteile für die additive Fertigung optimiert sind, werden häufig erweiterte Funktionen und interne Kanäle integriert. Beim Pulverbettverfahren (PBF) ist das Hauptziel die vollständige Pulverentfernung. Solukon fertigt automatische Pulverentfernungssysteme. Das Unternehmen hat die Technologie Smart Powder Recovery (SRP) entwickelt, die Metallteile, die noch auf der Bauplattform befestigt sind, rotiert und vibriert. Rotation und Vibration werden durch das CAD-Modell des Bauteils gesteuert. Durch die präzise Bewegung und Vibration der Teile fließt das aufgenommene Pulver nahezu flüssig. Diese Automatisierung reduziert den manuellen Aufwand und kann die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Pulverentfernung verbessern.
Die Probleme und Einschränkungen der manuellen Pulverentfernung können die Wirtschaftlichkeit der additiven Fertigung (AM) für die Massenproduktion, selbst bei kleinen Stückzahlen, beeinträchtigen. Die Metallpulverentfernungssysteme von Solukon arbeiten unter Schutzgasatmosphäre und sammeln nicht verbrauchtes Pulver zur Wiederverwendung in AM-Maschinen. Solukon führte eine Kundenbefragung durch und veröffentlichte im Dezember 2021 eine Studie, die zeigt, dass die beiden größten Bedenken die Gesundheit der Mitarbeiter und die Reproduzierbarkeit betreffen.
Die manuelle Pulverentfernung aus PBF-Harzstrukturen ist zeitaufwändig. Unternehmen wie DyeMansion und PostProcess Technologies entwickeln Nachbearbeitungssysteme zur automatischen Pulverentfernung. Viele additiv gefertigte Bauteile können in ein System geladen werden, das das Medium umdreht und auswirft, um überschüssiges Pulver zu entfernen. HP bietet ein eigenes System an, das das Pulver aus dem Bauraum des Jet Fusion 5200 innerhalb von 20 Minuten entfernen soll. Das System sammelt nicht geschmolzenes Pulver in einem separaten Behälter zur Wiederverwendung oder zum Recycling für andere Anwendungen.
Unternehmen profitieren von der Automatisierung, wenn sie auf die meisten Nachbearbeitungsschritte angewendet werden kann. DyeMansion bietet Systeme zur Pulverentfernung, Oberflächenvorbereitung und Lackierung an. Das PowerFuse S-System bestückt die Teile, dämpft die glatten Teile und entlädt sie. Das Unternehmen stellt ein Edelstahlgestell zum Aufhängen der Teile bereit, das manuell bedient wird. Das PowerFuse S-System erzeugt eine Oberfläche, die der einer Spritzgussform ähnelt.
Die größte Herausforderung für die Branche besteht darin, die tatsächlichen Möglichkeiten der Automatisierung zu erkennen. Müssen eine Million Polymerteile hergestellt werden, sind traditionelle Gieß- oder Formverfahren möglicherweise die beste Lösung, wobei dies jedoch vom jeweiligen Teil abhängt. Additive Fertigung (AM) ist häufig für die erste Produktionsserie im Werkzeugbau und bei Tests verfügbar. Durch automatisierte Nachbearbeitung lassen sich mit AM Tausende von Teilen zuverlässig und reproduzierbar herstellen, allerdings ist die Fertigung teilespezifisch und erfordert unter Umständen eine individuelle Lösung.
Additive Fertigung (AM) hat nichts mit der Industrie zu tun. Viele Organisationen präsentieren interessante Forschungs- und Entwicklungsergebnisse, die zur einwandfreien Funktion von Produkten und Dienstleistungen beitragen können. In der Luft- und Raumfahrtindustrie produziert Relativity Space eines der größten Systeme für die additive Fertigung von Metallen mithilfe der firmeneigenen DED-Technologie. Das Unternehmen hofft, damit den Großteil seiner Raketen herstellen zu können. Die Terran-1-Rakete kann eine Nutzlast von 1.250 kg in den erdnahen Orbit befördern. Relativity plant den Start einer Testrakete Mitte 2022 und arbeitet bereits an einer größeren, wiederverwendbaren Rakete namens Terran R.
Die Terran-1- und Terran-R-Raketen von Relativity Space eröffnen innovative Perspektiven für die Raumfahrt der Zukunft. Die Entwicklung und Optimierung für die additive Fertigung weckte das Interesse an diesem Projekt. Das Unternehmen gibt an, dass sich die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu herkömmlichen Raketen um das Hundertfache reduziert. Zudem behauptet das Unternehmen, Raketen innerhalb von 60 Tagen aus Rohmaterialien fertigen zu können. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie viele Teile zu einem einzigen Bauteil kombiniert und die Lieferkette dadurch erheblich vereinfacht werden kann.
In der Dentalbranche wird die additive Fertigung zur Herstellung von Kronen, Brücken, Bohrschablonen, Teilprothesen und Alignern eingesetzt. Align Technology und SmileDirectClub nutzen 3D-Druck zur Produktion von Teilen für die Thermoformung transparenter Kunststoff-Aligner. Align Technology, Hersteller der Invisalign-Produkte, verwendet zahlreiche Photopolymerisationssysteme von 3D Systems. Das Unternehmen gab 2021 an, seit der FDA-Zulassung im Jahr 1998 über 10 Millionen Patienten behandelt zu haben. Geht man von 10 Alignern pro Patient aus – eine eher konservative Schätzung –, hat das Unternehmen 100 Millionen oder mehr additiv gefertigte Teile produziert. GFK-Teile sind aufgrund ihrer duroplastischen Eigenschaften schwer zu recyceln. SmileDirectClub verwendet das HP Multi Jet Fusion (MJF)-System zur Herstellung thermoplastischer Teile, die für andere Anwendungen recycelt werden können.
Bisher war es mit VPP nicht möglich, dünne, transparente Teile mit den erforderlichen Festigkeitseigenschaften für kieferorthopädische Apparaturen herzustellen. 2021 präsentierten LuxCreo und Graphy eine mögliche Lösung. Seit Februar besitzt Graphy die FDA-Zulassung für den direkten 3D-Druck von Zahnspangen. Durch den direkten Druck wird der gesamte Prozess als kürzer, einfacher und potenziell kostengünstiger angesehen.
Eine frühe Entwicklung, die viel mediale Aufmerksamkeit erregte, war der Einsatz des 3D-Drucks für großflächige Bauprojekte wie den Wohnungsbau. Die Wände eines Hauses werden häufig im Extrusionsverfahren hergestellt. Alle anderen Bauteile, darunter Böden, Decken, Dächer, Treppen, Türen, Fenster, Haushaltsgeräte, Schränke und Arbeitsplatten, werden mit traditionellen Methoden und Materialien gefertigt. 3D-gedruckte Wände können die Kosten für die Installation von Strom, Beleuchtung, Sanitäranlagen, Lüftungskanälen und Heizungs- und Klimaanlagen erhöhen. Die Oberflächenbearbeitung von Betonwänden ist aufwendiger als bei herkömmlichen Wandkonstruktionen. Auch die Modernisierung eines Hauses mit 3D-gedruckten Wänden ist ein wichtiger Aspekt.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory untersuchen, wie sich Energie in 3D-gedruckten Wänden speichern lässt. Durch das Einbringen von Rohren in die Wand während des Baus kann Wasser zum Heizen und Kühlen hindurchfließen. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium.Dieses Forschungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium.Dieses Forschungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich aber noch in einem frühen Entwicklungsstadium.
Die meisten von uns sind mit den wirtschaftlichen Aspekten des 3D-Drucks von Bauteilen oder anderen großen Objekten noch nicht vertraut. Die Technologie wurde bereits zur Herstellung von Brücken, Markisen, Parkbänken und Dekorationselementen für Gebäude und den Außenbereich eingesetzt. Man geht davon aus, dass die Vorteile der additiven Fertigung im kleinen Maßstab (von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern) auch für den großflächigen 3D-Druck gelten. Zu den Hauptvorteilen der additiven Fertigung zählen die Erstellung komplexer Formen und Strukturen, die Reduzierung der Bauteilanzahl, des Material- und Gewichtsverbrauchs sowie die Steigerung der Produktivität. Wenn die additive Fertigung keinen Mehrwert bietet, sollte ihr Nutzen hinterfragt werden.
Im Oktober 2021 erwarb Stratasys die restlichen 55 % der Anteile an Xaar 3D, einer Tochtergesellschaft des britischen Herstellers industrieller Tintenstrahldrucker, Xaar. Die Polymer-PBF-Technologie von Stratasys, Selective Absorption Fusion genannt, basiert auf Xaar-Tintenstrahldruckköpfen. Die Stratasys H350 konkurriert mit dem HP MJF-System.
Die Übernahme von Desktop Metal war beeindruckend. Im Februar 2021 akquirierte das Unternehmen Envisiontec, einen langjährigen Hersteller von industriellen additiven Fertigungssystemen. Im Mai 2021 folgte die Akquisition von Adaptive3D, einem Entwickler flexibler VPP-Polymere. Im Juli 2021 übernahm Desktop Metal Aerosint, einen Entwickler von Mehrkomponenten-Pulverbeschichtungsverfahren. Die größte Akquisition erfolgte im August 2021 mit dem Kauf des Konkurrenten ExOne für 575 Millionen US-Dollar.
Die Übernahme von ExOne durch Desktop Metal vereint zwei renommierte Hersteller von Metall-BJT-Systemen. Generell hat die Technologie noch nicht das von vielen erwartete Niveau erreicht. Unternehmen arbeiten weiterhin an der Verbesserung von Wiederholgenauigkeit, Zuverlässigkeit und der Ursachenforschung bei auftretenden Problemen. Selbst wenn diese Probleme gelöst sind, hat die Technologie noch Potenzial für einen breiteren Markt. Im Juli 2021 gab 3DEO, ein Dienstleister mit einem proprietären 3D-Drucksystem, die Auslieferung des einmillionsten Systems an Kunden bekannt.
Software- und Cloud-Plattform-Entwickler verzeichnen ein signifikantes Wachstum in der additiven Fertigungsindustrie. Dies gilt insbesondere für Performance-Management-Systeme (MES), die die Wertschöpfungskette der additiven Fertigung abbilden. 3D Systems vereinbarte im September 2021 die Übernahme von Oqton für 180 Millionen US-Dollar. Das 2017 gegründete Unternehmen Oqton bietet cloudbasierte Lösungen zur Workflow-Optimierung und Effizienzsteigerung in der additiven Fertigung. Materialize akquirierte Link3D im November 2021 für 33,5 Millionen US-Dollar. Ähnlich wie Oqton verfolgt die Cloud-Plattform von Link3D Arbeitsprozesse und vereinfacht den Workflow in der additiven Fertigung.
Eine der jüngsten Akquisitionen im Jahr 2021 ist die Übernahme von Wohlers Associates durch ASTM International. Gemeinsam wollen sie die Marke Wohlers nutzen, um die weltweite Verbreitung additiver Fertigung zu fördern. Über das ASTM AM Center of Excellence wird Wohlers Associates weiterhin Wohlers-Berichte und andere Publikationen erstellen sowie Beratungsleistungen, Marktanalysen und Schulungen anbieten.
Die additive Fertigungsindustrie ist ausgereift, und viele Branchen nutzen die Technologie für vielfältige Anwendungen. 3D-Druck wird jedoch die meisten anderen Fertigungsverfahren nicht ersetzen. Vielmehr dient er der Entwicklung neuer Produkte und Geschäftsmodelle. Unternehmen nutzen AM, um das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren, Lieferzeiten und Werkzeugkosten zu senken sowie die Produktpersonalisierung und -leistung zu verbessern. Es wird erwartet, dass die additive Fertigungsindustrie ihren Wachstumskurs fortsetzt und ständig neue Unternehmen, Produkte, Dienstleistungen, Anwendungen und Anwendungsfälle entstehen – oft in rasantem Tempo.