Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, hat sich seit ihrer kommerziellen Nutzung fast 35 Jahre lang weiterentwickelt.Die Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Verteidigungs-, Energie-, Transport-, Medizin-, Dental- und Verbraucherindustrie nutzen die additive Fertigung für eine Vielzahl von Anwendungen.
Angesichts der breiten Akzeptanz ist klar, dass die additive Fertigung keine Einheitslösung ist.Gemäß der Terminologienorm ISO/ASTM 52900 fallen fast alle kommerziellen additiven Fertigungssysteme in eine von sieben Prozesskategorien.Dazu gehören Materialextrusion (MEX), Badphotopolymerisation (VPP), Pulverbettfusion (PBF), Bindemittelsprühen (BJT), Materialsprühen (MJT), gerichtete Energieabscheidung (DED) und Blechlaminierung (SHL).Hier sind sie nach Beliebtheit auf Basis der Verkaufszahlen sortiert.
Immer mehr Branchenexperten, darunter Ingenieure und Manager, lernen, wann die additive Fertigung zur Verbesserung eines Produkts oder Prozesses beitragen kann und wann nicht.In der Vergangenheit gingen große Initiativen zur Implementierung der additiven Fertigung von Ingenieuren aus, die Erfahrung mit der Technologie hatten.Das Management sieht weitere Beispiele dafür, wie additive Fertigung die Produktivität verbessern, Durchlaufzeiten verkürzen und neue Geschäftsmöglichkeiten schaffen kann.AM wird die meisten traditionellen Formen der Fertigung nicht ersetzen, sondern Teil des Arsenals an Produktentwicklungs- und Fertigungskapazitäten des Unternehmers werden.
Die additive Fertigung hat ein breites Anwendungsspektrum, von der Mikrofluidik bis hin zum Großbau.Die Vorteile von AM variieren je nach Branche, Anwendung und erforderlicher Leistung.Unabhängig vom Anwendungsfall müssen Organisationen gute Gründe für die Implementierung von AM haben.Die gebräuchlichsten sind konzeptionelle Modellierung, Designverifizierung sowie Eignungs- und Funktionalitätsverifizierung.Immer mehr Unternehmen nutzen es, um Werkzeuge und Anwendungen für die Massenproduktion zu erstellen, einschließlich der Entwicklung kundenspezifischer Produkte.
Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ist das Gewicht ein wichtiger Faktor.Nach Angaben des Marshall Space Flight Center der NASA kostet es etwa 10.000 US-Dollar, eine 0,45 kg schwere Nutzlast in die Erdumlaufbahn zu bringen.Durch die Gewichtsreduzierung von Satelliten können Startkosten eingespart werden.Das beigefügte Bild zeigt ein Swissto12-AM-Metallteil, das mehrere Wellenleiter in einem Teil vereint.Mit AM reduziert sich das Gewicht auf unter 0,08 kg.
Additive Fertigung wird in der gesamten Wertschöpfungskette der Energiewirtschaft eingesetzt.Für einige Unternehmen besteht der geschäftliche Nutzen für den Einsatz von AM darin, Projekte schnell zu iterieren, um in kürzester Zeit das bestmögliche Produkt zu erstellen.In der Öl- und Gasindustrie können beschädigte Teile oder Baugruppen zu Produktivitätsverlusten in Höhe von mehreren Tausend Dollar pro Stunde führen.Der Einsatz von AM zur Wiederherstellung des Betriebs kann besonders attraktiv sein.
MX3D, ein großer Hersteller von DED-Systemen, hat einen Prototyp eines Rohrreparaturwerkzeugs herausgebracht.Nach Angaben des Unternehmens kann eine beschädigte Pipeline zwischen 100.000 und 1.000.000 Euro pro Tag kosten.Die auf der nächsten Seite gezeigte Vorrichtung verwendet ein CNC-Teil als Rahmen und verwendet DED zum Schweißen des Rohrumfangs.AM sorgt für hohe Abschmelzraten bei minimalem Ausschuss, während CNC für die erforderliche Präzision sorgt.
Im Jahr 2021 wurde auf einer Bohrinsel von TotalEnergies in der Nordsee ein 3D-gedrucktes Wassergehäuse installiert.Wassermäntel sind ein entscheidendes Element zur Steuerung der Kohlenwasserstoffgewinnung in im Bau befindlichen Bohrlöchern.In diesem Fall liegen die Vorteile der additiven Fertigung in kürzeren Vorlaufzeiten und einer Reduzierung der Emissionen um 45 % im Vergleich zu herkömmlichen geschmiedeten Wassermänteln.
Ein weiterer Geschäftsvorteil 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 werden neue Telefone auf den Markt gebracht, sodass Unternehmen eine neue Adapterreihe auf den Markt bringen müssen.Durch den Einsatz von AM kann ein Unternehmen Geld für teure Werkzeuge sparen, die bei der Markteinführung neuer Telefone ausgetauscht werden müssen.
Wie bei jedem Prozess oder jeder Technologie sollte die additive Fertigung nicht eingesetzt werden, da sie als neu oder anders gilt.Dadurch sollen Produktentwicklungs- und/oder Herstellungsprozesse verbessert werden.Es soll einen Mehrwert schaffen.Beispiele für andere Geschäftsszenarien sind kundenspezifische Produkte und Massenanpassung, komplexe Funktionalität, integrierte Teile, weniger Material und Gewicht sowie verbesserte Leistung.
Damit AM sein Wachstumspotenzial ausschöpfen kann, müssen Herausforderungen angegangen werden.Für die meisten Fertigungsanwendungen muss der Prozess zuverlässig und reproduzierbar sein.Die nachfolgenden Methoden zur Automatisierung des Materialabtrags von Teilen und Stützen sowie der Nachbearbeitung werden Abhilfe schaffen.Automatisierung erhöht zudem die Produktivität und senkt die Kosten pro Teil.
Einer der Bereiche von größtem Interesse ist die Nachbearbeitungsautomatisierung wie Pulverentfernung und Endbearbeitung.Durch die Automatisierung des Prozesses der Massenproduktion von Anwendungen kann dieselbe Technologie tausende Male wiederholt werden.Das Problem besteht darin, dass bestimmte Automatisierungsmethoden je nach Teiletyp, Größe, Material und Prozess variieren können.Beispielsweise unterscheidet sich die Nachbearbeitung automatisierter Zahnkronen stark von der Bearbeitung von Raketentriebwerksteilen, obwohl beide aus Metall gefertigt sein können.
Da Teile für AM optimiert sind, werden häufig erweiterte Funktionen und interne Kanäle hinzugefügt.Bei 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 dreht und vibriert, die noch an der Bauplatte befestigt sind.Rotation und Vibration werden durch das CAD-Modell des Teils gesteuert.Durch präzises Bewegen und Schütteln der Teile fließt das eingefangene Pulver fast wie eine Flüssigkeit.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 des Einsatzes von additiver Fertigung für die Massenproduktion einschränken, selbst bei kleinen Mengen.Solukon-Systeme zur Entfernung von Metallpulver können in einer inerten Atmosphäre betrieben werden und ungenutztes Pulver zur Wiederverwendung in AM-Maschinen sammeln.Solukon führte eine Kundenbefragung durch und veröffentlichte im Dezember 2021 eine Studie, die zeigt, dass die beiden größten Bedenken die Gesundheit am Arbeitsplatz und die Reproduzierbarkeit sind.
Das manuelle Entfernen von Pulver aus PBF-Harzstrukturen kann zeitaufwändig sein.Unternehmen wie DyeMansion und PostProcess Technologies bauen Nachbearbeitungssysteme zur automatischen Entfernung von Pulver.Viele Teile der additiven Fertigung können in ein System geladen werden, das das Medium umdreht und ausstößt, um überschüssiges Pulver zu entfernen.HP verfügt über ein eigenes System, das Pulver innerhalb von 20 Minuten aus der Baukammer des Jet Fusion 5200 entfernen soll.Das System speichert ungeschmolzenes Pulver in einem separaten Behälter zur Wiederverwendung oder zum Recycling für andere Anwendungen.
Unternehmen können von der Automatisierung profitieren, wenn sie auf die meisten Nachbearbeitungsschritte angewendet werden kann.DyeMansion bietet Systeme zur Pulverentfernung, Oberflächenvorbereitung und Lackierung.Das PowerFuse S-System lädt die Teile, bedampft die glatten Teile und entlädt sie.Das Unternehmen stellt ein Edelstahlregal zum Aufhängen von Teilen zur Verfügung, das von Hand gefertigt wird.Das PowerFuse S-System kann eine Oberfläche ähnlich einer Spritzgussform erzeugen.
Die größte Herausforderung für die Branche besteht darin, die tatsächlichen Chancen zu verstehen, die die Automatisierung bietet.Wenn eine Million Polymerteile hergestellt werden müssen, können herkömmliche Guss- oder Formverfahren die beste Lösung sein, obwohl dies vom Teil abhängt.AM steht häufig für den ersten Produktionslauf in der Werkzeugherstellung und -prüfung zur Verfügung.Durch automatisierte Nachbearbeitung können mit AM zuverlässig und reproduzierbar Tausende von Teilen hergestellt werden, dies ist jedoch teilespezifisch und erfordert möglicherweise eine kundenspezifische Lösung.
AM hat nichts mit Industrie zu tun.Viele Organisationen präsentieren interessante Forschungs- und Entwicklungsergebnisse, die zum reibungslosen Funktionieren von Produkten und Dienstleistungen führen können.In der Luft- und Raumfahrtindustrie produziert Relativity Space eines der größten additiven Metallfertigungssysteme mit proprietärer DED-Technologie, die das Unternehmen hoffentlich für die Herstellung der meisten seiner Raketen einsetzen wird.Seine Terran-1-Rakete kann eine Nutzlast von 1.250 kg in eine niedrige Erdumlaufbahn befördern.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 sind eine innovative Möglichkeit, sich neu vorzustellen, wie die zukünftige Raumfahrt aussehen könnte.Design und Optimierung für die additive Fertigung weckten das Interesse an dieser Entwicklung.Das Unternehmen behauptet, dass diese Methode die Anzahl der Teile im Vergleich zu herkömmlichen Raketen um das Hundertfache reduziert.Das Unternehmen gibt außerdem an, innerhalb von 60 Tagen Raketen aus Rohstoffen herstellen zu können.Dies ist ein großartiges Beispiel für die Kombination vieler Teile zu einem und die deutliche Vereinfachung der Lieferkette.
In der Dentalindustrie werden mithilfe der additiven Fertigung Kronen, Brücken, chirurgische Bohrschablonen, Teilprothesen und Aligner hergestellt.Align Technology und SmileDirectClub nutzen den 3D-Druck, um Teile für das Thermoformen von Alignern aus durchsichtigem Kunststoff herzustellen.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 ist, hat das Unternehmen 100 Millionen oder mehr AM-Teile hergestellt.FVK-Teile sind schwer zu recyceln, da sie duroplastisch sind.SmileDirectClub verwendet das HP Multi Jet Fusion (MJF)-System, um thermoplastische Teile herzustellen, die für andere Anwendungen recycelt werden können.
In der Vergangenheit war VPP nicht in der Lage, dünne, transparente Teile mit Festigkeitseigenschaften für den Einsatz als kieferorthopädische Geräte herzustellen.Im Jahr 2021 veröffentlichten LuxCreo und Graphy eine mögliche Lösung.Seit Februar verfügt Graphy über die FDA-Zulassung für den direkten 3D-Druck von Dentalgeräten.Wenn Sie sie direkt drucken, gilt der End-to-End-Prozess als kürzer, einfacher und möglicherweise kostengünstiger.
Eine frühe Entwicklung, die viel mediale Aufmerksamkeit erregte, war der Einsatz des 3D-Drucks für groß angelegte Bauanwendungen wie den Wohnungsbau.Oft werden die Wände des Hauses durch Extrusion bedruckt.Alle anderen Teile des Hauses wurden mit traditionellen Methoden und Materialien hergestellt, darunter Böden, Decken, Dächer, Treppen, Türen, Fenster, Geräte, Schränke und Arbeitsplatten.3D-gedruckte Wände können die Kosten für die Installation von Strom, Beleuchtung, Sanitär, Leitungen und Lüftungsöffnungen für Heizung und Klimaanlage erhöhen.Der Innen- und Außenbereich einer Betonwand ist schwieriger zu gestalten als bei einer herkömmlichen Wandgestaltung.Auch die Modernisierung eines Hauses mit 3D-gedruckten Wänden ist ein wichtiger Gesichtspunkt.
Forscher am Oak Ridge National Laboratory untersuchen, wie Energie in 3D-gedruckten Wänden gespeichert werden kann.Durch das Einbringen von Rohren in die Wand während des Baus kann Wasser zum Heizen und Kühlen durch die Wand fließen. 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 einem frühen Entwicklungsstadium.Dieses Forschungsprojekt ist interessant und innovativ, befindet sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium.
Die meisten von uns sind noch nicht mit der Wirtschaftlichkeit des 3D-Drucks von Gebäudeteilen oder anderen großen Objekten vertraut.Die Technologie wurde zur Herstellung einiger Brücken, Markisen, Parkbänke und dekorativer Elemente für Gebäude und die Außenumgebung eingesetzt.Man geht davon aus, dass die Vorteile der additiven Fertigung im kleinen Maßstab (von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern) auch für den 3D-Druck im großen Maßstab gelten.Zu den Hauptvorteilen der additiven Fertigung gehören die Erstellung komplexer Formen und Merkmale, die Reduzierung der Teileanzahl, die Reduzierung von Material und Gewicht sowie die Steigerung der Produktivität.Wenn AM keinen Mehrwert schafft, sollte sein Nutzen in Frage gestellt werden.
Im Oktober 2021 erwarb Stratasys die restlichen 55 % der Anteile an Xaar 3D, einer Tochtergesellschaft des britischen Herstellers von industriellen Tintenstrahldruckern Xaar.Die Polymer-PBF-Technologie von Stratasys namens 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 erwarb Desktop Metal Aerosint, einen Entwickler von Wiederbeschichtungsverfahren für Multimaterial-Pulverbeschichtungen.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 ist die Technologie noch nicht auf dem Niveau angekommen, das viele glauben.Unternehmen befassen sich weiterhin mit Fragen wie Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und dem Verständnis der Grundursache von Problemen, sobald sie auftreten.Selbst wenn die Probleme gelöst sind, besteht immer noch Raum für die Technologie, größere Märkte zu erreichen.Im Juli 2021 gab 3DEO, ein Dienstleister, der ein proprietäres 3D-Drucksystem nutzt, bekannt, ein Millionstel an Kunden ausgeliefert zu haben.
Entwickler von Software- und Cloud-Plattformen konnten in der Branche der additiven Fertigung ein deutliches Wachstum verzeichnen.Dies gilt insbesondere für Performance-Management-Systeme (MES), die die AM-Wertschöpfungskette verfolgen.3D Systems stimmte der Übernahme von Oqton im September 2021 für 180 Millionen US-Dollar zu.Oqton wurde 2017 gegründet und bietet cloudbasierte Lösungen zur Verbesserung des Arbeitsablaufs und zur Steigerung der AM-Effizienz.Materialise erwarb Link3D im November 2021 für 33,5 Millionen US-Dollar.Wie Oqton verfolgt die Cloud-Plattform von Link3D 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 unterstützen.Über das ASTM AM Centre of Excellence wird Wohlers Associates weiterhin Wohlers-Berichte und andere Veröffentlichungen erstellen sowie Beratungsdienste, Marktanalysen und Schulungen anbieten.
Die Branche der additiven Fertigung ist ausgereift und viele Branchen nutzen die Technologie für ein breites Anwendungsspektrum.Aber der 3D-Druck wird die meisten anderen Formen der Fertigung nicht ersetzen.Vielmehr werden damit neuartige Produkte und Geschäftsmodelle geschaffen.Unternehmen nutzen AM, um das Gewicht von Teilen zu reduzieren, Durchlaufzeiten und Werkzeugkosten zu reduzieren sowie die Personalisierung und Leistung von Produkten zu verbessern.Es wird erwartet, dass die Branche der additiven Fertigung ihren Wachstumskurs fortsetzt und oft in rasender Geschwindigkeit neue Unternehmen, Produkte, Dienstleistungen, Anwendungen und Anwendungsfälle entstehen.