Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, hat sich seit ihrer kommerziellen Nutzung vor fast 35 Jahren kontinuierlich weiterentwickelt. Die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Verteidigungsindustrie, der Energiesektor, der Transportsektor, die Medizin- und Dentalindustrie sowie die Konsumgüterindustrie nutzen die additive Fertigung für eine Vielzahl von Anwendungen.
Angesichts dieser weiten Verbreitung ist klar, dass additive Fertigung keine Universallösung ist. Gemäß der Terminologienorm ISO/ASTM 52900 lassen sich fast alle kommerziellen additiven Fertigungssysteme in eine von sieben Prozesskategorien einteilen. Dazu gehören Materialextrusion (MEX), Bad-Photopolymerisation (VPP), Pulverbettschmelzen (PBF), Binderspritzen (BJT), Materialspritzen (MJT), gerichtete Energieabscheidung (DED) und Folienlaminierung (SHL). Hier sind sie nach Beliebtheit basierend auf den verkauften Stückzahlen sortiert.
Immer mehr Branchenexperten, darunter Ingenieure und Manager, erkennen, wann additive Fertigung zur Verbesserung von Produkten oder Prozessen beitragen kann und wann nicht. In der Vergangenheit gingen wichtige Initiativen zur Implementierung der additiven Fertigung von erfahrenen Ingenieuren aus. Das Management sieht zunehmend Beispiele dafür, wie additive Fertigung die Produktivität steigern, Lieferzeiten verkürzen und neue Geschäftsmöglichkeiten schaffen kann. AM wird die meisten traditionellen Fertigungsformen nicht ersetzen, sondern Teil des Portfolios an Produktentwicklungs- und Fertigungskapazitäten werden.
Additive Fertigung bietet ein breites Anwendungsspektrum, von der Mikrofluidik bis zum Großbau. Die Vorteile von AM variieren je nach Branche, Anwendung und benötigter Leistung. Unternehmen müssen unabhängig vom Anwendungsfall gute Gründe für die Implementierung von AM haben. Die häufigsten sind konzeptionelle Modellierung, Designverifizierung sowie Eignungs- und Funktionsprüfung. Immer mehr Unternehmen nutzen AM, um Werkzeuge und Anwendungen für die Massenproduktion zu entwickeln, einschließlich der Entwicklung kundenspezifischer Produkte.
Für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ist das Gewicht ein entscheidender Faktor. 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 bringen. Gewichtsreduzierung bei Satelliten kann Startkosten senken. Das beigefügte Bild zeigt ein Swissto12-Metall-AM-Teil, das mehrere Wellenleiter zu einem Bauteil vereint. Durch AM reduziert sich das Gewicht auf weniger als 0,08 kg.
Additive Fertigung wird in der gesamten Wertschöpfungskette der Energiebranche eingesetzt. Für einige Unternehmen liegt der Nutzen von AM darin, Projekte schnell iterieren zu können, um in kürzester Zeit das bestmögliche Produkt zu entwickeln. In der Öl- und Gasindustrie können beschädigte Teile oder Baugruppen Tausende von Dollar oder mehr an Produktivitätsverlust pro Stunde kosten. Der Einsatz von AM zur Wiederherstellung des Betriebs kann besonders attraktiv sein.
Ein führender Hersteller von DED-Systemen, MX3D, hat den Prototyp eines Rohrreparaturwerkzeugs vorgestellt. Eine beschädigte Rohrleitung kann laut Unternehmen zwischen 100.000 und 1.000.000 Euro (113.157–1.131.570 US-Dollar) pro Tag kosten. Die auf der nächsten Seite abgebildete Vorrichtung verwendet ein CNC-Teil als Rahmen und schweißt den Rohrumfang mittels DED. AM ermöglicht hohe Auftragsraten bei minimalem Abfall, während CNC für die erforderliche Präzision sorgt.
Im Jahr 2021 wurde auf einer Ölplattform von TotalEnergies in der Nordsee ein 3D-gedrucktes Wassergehäuse installiert. Wassermäntel sind ein wichtiges Element zur Steuerung der Kohlenwasserstoffförderung in Bohrlöchern im Bau. Die Vorteile der additiven Fertigung liegen in verkürzten Vorlaufzeiten und einer Emissionsreduzierung von 45 % im Vergleich zu herkömmlichen geschmiedeten Wassermänteln.
Ein weiteres Geschäftsmodell der additiven Fertigung ist die Reduzierung teurer Werkzeuge. Phone Scope hat Digiscoping-Adapter für Geräte entwickelt, die die Kamera Ihres Telefons mit einem Teleskop oder Mikroskop verbinden. Jedes Jahr kommen neue Telefone auf den Markt, was die Unternehmen dazu zwingt, eine neue Adapterlinie auf den Markt zu bringen. Durch den Einsatz von AM kann ein Unternehmen Geld für teure Werkzeuge sparen, die bei der Veröffentlichung neuer Telefone ausgetauscht werden müssen.
Wie bei jedem Verfahren und jeder Technologie sollte die additive Fertigung nicht als neuartig oder andersartig angesehen werden. Sie dient der Verbesserung der Produktentwicklung und/oder der Fertigungsprozesse. Sie soll Mehrwert schaffen. Beispiele für weitere Geschäftsmodelle sind kundenspezifische Produkte und Massenanpassung, komplexe Funktionalität, integrierte Teile, weniger Material und Gewicht sowie verbesserte Leistung.
Damit AM sein Wachstumspotenzial entfalten kann, müssen Herausforderungen bewältigt werden. Für die meisten Fertigungsanwendungen muss der Prozess zuverlässig und reproduzierbar sein. Die anschließende Automatisierung der Materialentfernung von Teilen und Stützstrukturen sowie der Nachbearbeitung trägt dazu bei. Automatisierung steigert zudem die Produktivität und senkt die Kosten pro Teil.
Einer der interessantesten Bereiche ist die Automatisierung der Nachbearbeitung, wie z. B. die Pulverentfernung und Endbearbeitung. Durch die Automatisierung der Massenproduktion von Anwendungen kann dieselbe Technologie tausendfach wiederholt werden. Das Problem besteht darin, dass spezifische Automatisierungsmethoden je nach Teiletyp, Größe, Material und Verfahren variieren können. Beispielsweise unterscheidet sich die Nachbearbeitung automatisierter Zahnkronen stark von der Bearbeitung von Raketentriebwerksteilen, obwohl beide aus Metall bestehen können.
Da Teile für AM optimiert sind, werden häufig erweiterte Funktionen und interne Kanäle hinzugefügt. Beim PBF besteht das Hauptziel darin, 100 % des Pulvers zu entfernen. Solukon stellt automatische Pulverentfernungssysteme her. Das Unternehmen hat eine Technologie namens Smart Powder Recovery (SRP) entwickelt, die Metallteile, die noch an der Bauplatte befestigt sind, rotiert und vibriert. Rotation und Vibration werden durch das CAD-Modell des Teils gesteuert. Durch präzises Bewegen und Schütteln der Teile fließt das aufgenommene Pulver nahezu flüssig. Diese Automatisierung reduziert den manuellen Arbeitsaufwand und kann die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Pulverentfernung verbessern.
Die Probleme und Einschränkungen der manuellen Pulverentfernung können die Rentabilität der additiven Fertigung in der Massenproduktion, selbst bei kleinen Stückzahlen, einschränken. Solukon-Systeme zur Metallpulverentfernung können in einer inerten Atmosphäre betrieben werden und sammeln nicht verwendetes 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 Arbeitsschutz und Reproduzierbarkeit sind.
Das manuelle Entfernen von Pulver aus PBF-Harzstrukturen kann zeitaufwändig sein. Unternehmen wie DyeMansion und PostProcess Technologies entwickeln Nachbearbeitungssysteme zur automatischen Pulverentfernung. Viele additive Fertigungsteile können in ein System geladen werden, das das Medium umdreht und auswirft, um überschüssiges Pulver zu entfernen. HP verfügt über ein eigenes System, das angeblich Pulver in 20 Minuten aus der Baukammer des Jet Fusion 5200 entfernt. Das System speichert ungeschmolzenes 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 belädt die Teile, dämpft die glatten Teile und entlädt sie. Das Unternehmen bietet ein Edelstahlgestell zum Aufhängen der Teile an, das manuell bedient wird. Das PowerFuse S-System kann eine Oberfläche erzeugen, die einer Spritzgussform ähnelt.
Die größte Herausforderung für die Branche besteht darin, die tatsächlichen Möglichkeiten der Automatisierung zu erkennen. Müssen Millionen von Kunststoffteilen hergestellt werden, sind traditionelle Guss- oder Formverfahren möglicherweise die beste Lösung, wobei dies vom jeweiligen Teil abhängt. AM ist oft bereits für den ersten Produktionslauf im Werkzeugbau und bei der Werkzeugprüfung verfügbar. Durch automatisierte Nachbearbeitung können Tausende von Teilen zuverlässig und reproduzierbar hergestellt werden. Allerdings ist dies teilespezifisch und erfordert möglicherweise eine individuelle Lösung.
AM hat nichts mit der Industrie zu tun. Viele Organisationen präsentieren interessante Forschungs- und Entwicklungsergebnisse, die zum reibungslosen Funktionieren von Produkten und Dienstleistungen beitragen können. In der Luft- und Raumfahrtindustrie produziert Relativity Space eines der größten Systeme für die additive Metallfertigung mithilfe der proprietären DED-Technologie, die das Unternehmen für die Herstellung der meisten seiner Raketen einsetzen möchte. Die Terran-1-Rakete kann eine Nutzlast von 1.250 kg in eine niedrige Erdumlaufbahn bringen. Relativity plant den Start einer Testrakete Mitte 2022 und plant bereits eine größere, wiederverwendbare Rakete namens Terran R.
Die Terran 1- und R-Raketen von Relativity Space bieten einen innovativen Ansatz, die Raumfahrt der Zukunft neu zu gestalten. Design und Optimierung für die additive Fertigung weckten das Interesse an dieser Entwicklung. Das Unternehmen gibt an, dass diese Methode die Anzahl der Teile im Vergleich zu herkömmlichen Raketen um das Hundertfache reduziert. Das Unternehmen behauptet außerdem, Raketen innerhalb von 60 Tagen aus Rohmaterialien herstellen zu können. Dies ist ein hervorragendes Beispiel für die Kombination vieler Teile zu einem einzigen und die damit verbundene deutliche Vereinfachung der Lieferkette.
In der Dentalbranche wird die additive Fertigung zur Herstellung von Kronen, Brücken, chirurgischen Bohrschablonen, Teilprothesen und Alignern eingesetzt. Align Technology und SmileDirectClub nutzen 3D-Druck zur Herstellung von Teilen für die Thermoformung von transparenten Kunststoff-Alignern. Align Technology, Hersteller von Produkten der Marke Invisalign, verwendet viele der Photopolymerisationssysteme in Bädern von 3D Systems. Im Jahr 2021 gab das Unternehmen an, seit der FDA-Zulassung im Jahr 1998 über 10 Millionen Patienten behandelt zu haben. Wenn die Behandlung eines typischen Patienten aus 10 Alignern besteht – was eine niedrige Schätzung darstellt – hat das Unternehmen 100 Millionen oder mehr AM-Teile produziert. FRP-Teile sind schwer zu recyceln, da sie duroplastisch sind. SmileDirectClub verwendet das HP Multi Jet Fusion (MJF)-System zur Herstellung thermoplastischer Teile, die für andere Anwendungen recycelt werden können.
Bisher war VPP nicht in der Lage, dünne, transparente Teile mit hoher Festigkeit für kieferorthopädische Anwendungen herzustellen. LuxCreo und Graphy veröffentlichten 2021 eine mögliche Lösung. Seit Februar verfügt Graphy über die FDA-Zulassung für den direkten 3D-Druck von Dentalgeräten. Der direkte Druck ist kürzer, einfacher und potenziell kostengünstiger.
Eine frühe Entwicklung, die in den Medien große Aufmerksamkeit erhielt, war der Einsatz des 3D-Drucks für großflächige Bauanwendungen, beispielsweise im Wohnungsbau. Oft werden die Wände eines Hauses im Extrusionsverfahren gedruckt. Alle anderen Teile des Hauses, darunter Fußböden, Decken, Dächer, Treppen, Türen, Fenster, Geräte, Schränke und Arbeitsplatten, wurden mit traditionellen Methoden und Materialien hergestellt. 3D-gedruckte Wände können die Kosten für die Installation von Strom, Beleuchtung, Sanitäranlagen, Rohrleitungen und Lüftungsöffnungen für Heizung und Klimaanlage erhöhen. Die Innen- und Außengestaltung einer Betonwand ist schwieriger als bei einer herkömmlichen Wandgestaltung. 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 F&E-Projekt ist interessant und innovativ, befindet sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Dieses F&E-Projekt ist interessant und innovativ, befindet sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium.Dieses Forschungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich jedoch noch in der frühen Entwicklungsphase.Dieses Forschungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich jedoch noch in der frühen Entwicklungsphase.
Die meisten von uns sind mit der Wirtschaftlichkeit des 3D-Drucks von Bauteilen oder anderen großen Objekten noch nicht vertraut. Die Technologie wurde bereits zur Herstellung von Brücken, Markisen, Parkbänken und dekorativen Elementen 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 großformatigen 3D-Druck gelten. Zu den Hauptvorteilen der additiven Fertigung zählen die Erstellung komplexer Formen und Merkmale, die Reduzierung von Teileanzahl, Material und Gewicht sowie die Steigerung der Produktivität. Wenn AM keinen Mehrwert bietet, ist sein Nutzen fraglich.
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, genannt Selective Absorbion Fusion, basiert auf Xaar-Tintenstrahldruckköpfen. Die Stratasys H350-Maschine konkurriert mit dem HP MJF-System.
Der Kauf von Desktop Metal war beeindruckend. Im Februar 2021 erwarb das Unternehmen Envisiontec, einen langjährigen Hersteller industrieller additiver Fertigungssysteme. Im Mai 2021 erwarb das Unternehmen Adaptive3D, einen Entwickler flexibler VPP-Polymere. Im Juli 2021 übernahm Desktop Metal Aerosint, einen Entwickler von Multimaterial-Pulverbeschichtungsverfahren. Die größte Akquisition erfolgte im August, als Desktop Metal den Konkurrenten ExOne für 575 Millionen US-Dollar kaufte.
Die Übernahme von ExOne durch Desktop Metal bringt zwei renommierte Hersteller von Metall-BJT-Systemen zusammen. Generell hat die Technologie noch nicht das Niveau erreicht, das viele erwarten. Unternehmen beschäftigen sich weiterhin mit Problemen wie Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und dem Verständnis der Ursachen von Problemen, sobald diese auftreten. Sollten die Probleme jedoch gelöst werden, besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Technologie größere Märkte erschließt. Im Juli 2021 gab 3DEO, ein Dienstleister mit einem proprietären 3D-Drucksystem, bekannt, ein Millionstel an Kunden ausgeliefert zu haben.
Entwickler von Software und Cloud-Plattformen verzeichnen ein deutliches Wachstum in der additiven Fertigungsbranche. Dies gilt insbesondere für Performance-Management-Systeme (MES), die die AM-Wertschöpfungskette verfolgen. 3D Systems hat im September 2021 die Übernahme von Oqton für 180 Millionen US-Dollar vereinbart. Oqton wurde 2017 gegründet und bietet Cloud-basierte Lösungen zur Verbesserung der Arbeitsabläufe und zur Steigerung der AM-Effizienz. Materialize übernahm Link3D im November 2021 für 33,5 Millionen US-Dollar. Wie Oqton verfolgt auch Link3Ds Cloud-Plattform die Arbeit und vereinfacht den AM-Workflow.
Eine der jüngsten Akquisitionen im Jahr 2021 ist die Übernahme von Wohlers Associates durch ASTM International. Gemeinsam arbeiten sie daran, die Marke Wohlers zu nutzen, um die weltweite Verbreitung von AM 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 ein breites Anwendungsspektrum. 3D-Druck wird jedoch die meisten anderen Fertigungsverfahren nicht ersetzen. Vielmehr dient er der Entwicklung neuartiger Produkte und Geschäftsmodelle. Unternehmen nutzen AM, um Teilegewicht 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 neue Unternehmen, Produkte, Dienstleistungen, Anwendungen und Anwendungsfälle entstehen – oft in rasantem Tempo.