Im Rahmen der industriellen Produktion und Fertigung gab es schon immer bestimmte Trends, die ein vielversprechendes System darstellten, und bei denen Experten davon ausgingen, dass sie in der Zukunft einen maßgeblichen Einfluss ausüben würden. Gleichwohl schaffen es naturgemäß die wenigsten Technologien, sich am Massenmarkt durchzusetzen und einen neuen Standard zu bilden. Beim 3D-Druck sind sich jedoch alle einig, dass diese Technologie die Praktiken und Verfahren der Zukunft revolutionieren wird. Was die Grundlagen des 3D-Druckverfahrens sind, welche Einsatzgebiete sich eröffnen und welche Entwicklungsschritte zu nehmen sind, dokumentieren die folgenden Absätze.
Der 3D-Druck nimmt in der Fertigung heute eine immer wichtigere Position ein. Dies hat vor allem Kostengründe, da die Fertigung auf diese Weise in vielen Punkten deutlich vereinfacht werden kann.
Die Grundlagen der generativen Fertigung
Um den wesentlichen Hintergrund sowie die Unterschiede zwischen herkömmlichen und auf 3D basierenden Verfahren nachzuvollziehen, bedarf es eines Vergleichs dieser Systeme.
- Klassischerweise entsteht ein Produkt mittels eines subtraktiven Verfahrens. Es gibt zu Beginn ein Rohmaterial, das im Grunde durch Abtragen (Drehen, Bohren oder Fräsen) geformt und damit gefertigt wird. In diesem Zuge haben sich weitere elektrische Verfahren etabliert, etwa das Funkerodieren mittels mechanischer Abtragung, das mithilfe von CNC-Maschinen gefertigt wird.
- Die Grundlagen der generativen Fertigung basieren dagegen auf einem ständigen Auftragen, Hinzufügen und Ablagern von Materialbestandteilen. Das Modell entsteht dabei aufgrund der exakten Details, die in digitaler Form vorgegeben sind – dieses digitale 3D-Modell, was standardmäßig in einer CAD-Datei vorliegt, kann vom Fertigungsroboter ausgelesen und mit einem hohen Automatisierungsgrad zum gewünschten Produkt transferiert werden. Selektives Lasersintern ist hierbei ein sehr wichtiges Stichwort: Dieses ist eins der Verfahren, auf denen 3D-Drucker basieren. Dass dies zahlreiche Ressourcen und natürlich auch Zeit spart, liegt dabei auf der Hand.
Hinweis: Neben dieser grundsätzlichen Aufteilung gibt es selbstverständlich auch hybride Verfahren, also eine Kombination beider Technologien. Zudem finden formgebende Verfahren dort Verwendung, wo mechanische oder thermische Kräfte (Gießen, Pressen, Biegen) sinnvoll erscheinen.
Als Revolution gefeiert, als neuer Standard etabliert – die Erfolgsgeschichte des 3D-Drucks
Die Technologie, die von einem zweidimensionalen Bild auf eine dreidimensionale Struktur schließt, ist in ihren Anfängen bereits über 30 Jahre alt. Als Erfinder gilt der US-Amerikaner Charles Hull, der bereits 1984 ein erstes Additives Verfahren entwickeln konnte. Die Grundlagen der sogenannten Stereolithografie konnten im Verlaufe der folgenden Jahre kommerzialisiert werden. Ursprünglich lag dieser der Zweck zugrunde, mittels „Rapid Prototyping“ eine weitaus schnellere und kostensparende Verfahrenstechnik bei der Herstellung von Prototypen zu schaffen. Da sich in dieser Zeit vielfältige Verbesserungen bei diversen Materialeigenschaften ergaben, gab es schnelle Entwicklungssprünge hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit dieser Fertigungsprodukte. Die neuen Begriffe des „Rapid Manufacturing“ und des „Direct Manufacturing“ verdeutlichten, dass derartige Systeme auch in der Massenproduktion ihre Daseinsberechtigung haben.
Das, was nun unter dem Begriff „3D-Druck“ zusammengefasst wird, bezeichnet technisch etwas ungenau alle Verfahren des „Additive Manufacturing“. Da diese Verfahren praktisch umfassend auf Patenten basieren, gab es lange Zeit keine wirkliche Konkurrenzsituation. Mit dem Ablauf des Patents für das sogenannte FDM-Verfahren, des „Fused Deposition Modeling“, war die Grundlage für Entwicklungen einer neuen Generation von Ingenieuren gelegt. In dieser Zeit entstand beispielsweise der auf Open-Source basierende 3D-Drucker RepRap. Auf diese Weise ist mittlerweile ein Markt entstanden, in dem große Entwicklungspotenziale warten.
Kurzum: Die Meilensteine wurden durch eine seit Jahrzehnten gesicherte Verfahrenstechnik ermöglicht, die im Zuge der allgemeinen Digitalisierung und Computerisierung einen regelrechten Boom auslöste. Das technische Verständnis fußt heute auf einer gewissen Bandbreite, sodass durch das Interesse von Laien (3D-Drucker für Zuhause) ein kommerzieller Markt entstehen konnte. Somit kann letztlich jeder zum Produzenten werden.
Der heutige Markt für 3D-Druckverfahren
Als „neuartiges“ Produktionsverfahren ist 3D-Druck in der Lage, eine präzise, zeitsparende und kostengünstige Produktion einer unfassbar weiten Palette an Produkten zu gewährleisten. Die seitens der Fachwelt als „Revolution“ ausgerufene Technologie ist dabei in diesem Wortsinn vor allem in Bezug auf den industriellen Sektor zu sehen. Gerade dieser Bereich sorgt mit entsprechendem Anteil für das Entstehen und die Weiterentwicklung des 3D-Drucks zu einem der größten Trends der vergangenen Jahre. Die beiden folgenden Statistiken unterstreichen dies eindrucksvoll:
- Schätzungen zufolge betrug der globale Umsatz im Segment 3D-Printing im Jahr 2014 etwa 3,3 Milliarden US-Dollar. Prognosen gehen von einem um 500 Prozent wachsenden Markt bis Ende 2019 aus. Die Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten ist schon heute entsprechend groß, zudem bringen Innovationen weitere Effizienzsteigerungen mit sich. Ob es nun um Hörgeräte, Zahnersatz oder Motoren geht – in Serienfertigung basiert bereits heute eine Vielzahl an Peripheriemodulen für B2B und B2C auf 3D-Druckverfahren. Die Produktpaletten werden sich in Zukunft erweitern.
- Einer jüngsten Studie zufolge wollen 77 Prozent der fertigenden Unternehmen in den nächsten Jahren ihre Ausgaben für 3D-Druck erhöhen. Darunter befinden sich Unternehmen sowohl aus High-Tech-Branchen, ebenso wie aus der Konsumgüterindustrie und klassischen Dienstleistungssegmenten.
Welche Aufgaben leisten 3D-Drucker in der industriellen Fertigung heute?
Schon heute gibt es Bereiche, in denen standardmäßig 3D-Druckverfahren eingesetzt werden. Die Unternehmen setzen diese Technologie vor allem im Bereich der Ersatzteile sowie kleinerer Peripheriemodule ein, wobei sich auch hier gravierende Unterschiede bezüglich des Technisierungsgrades einzelner Branchen und Unternehmen selbst ergeben.
| 3D-Druck Einsatzbereiche | Eigenschaften und Vorteile |
| Ersatzteilfertigung | Analog zur Prototypfertigung entsteht ein kostengünstiges und flexibles Verfahren, auch seltene oder ältere Ersatzteile wiederherzustellen. Dies wäre somit wieder wirtschaftlich. |
| Zahnersatz und andere Prothesen | In diesem Segment existiert eine kritische Masse, die 3D-Produktionen wirtschaftlich macht. Präzisionsarbeiten können zeitlich flexibel und mit Kombination aller wichtigen Materialeigenschaften (z.B. Keramik bei Zahnersatz) erfolgen. |
| Funktionsmuster neuer Produkte | Bei der Anwendungstestung neuer Produkte können mittels 3D-Druck hergestellte Muster auf ihre Stabilität, Kompatibilität und Oberflächenbeschaffenheit überprüft werden. Vor allem bei thermischen Modulen ist das heutzutage noch mit hohem Kapitaleinsatz verbunden. Dies kann sich jedoch schon bald ändern. |
| Flugzeugindustrie | Der Bau von Prototypen ist DAS zentrale Element bei der Entwicklung neuer Flugzeuge. Durch die additiven Verfahren lassen sich Anpassungen und Erweiterungen ohne K3d druck omplikationen bei Kompatibilität und Materialbeschaffenheit realisieren. Dies senkt die Kosten deutlich. |
| Medizintechnik | Künstliche Organe, die genauestens nach Vorgabe und digitalem Muster angefertigt werden, sind der Trendbereich in der modernen Medizintechnik. Vor kurzem konnten durch asiatische Forscher bereits Haut-, Knochen- sowie Knorpel-Implantate hergestellt werden. Die Möglichkeiten sind hier bei weitem noch nicht ausgeschöpft. |
Tabelle 1: Möglichkeiten des 3D-Drucks in verschiedenen Branchen
Auch in der Medizin könnten 3D-Drucker bald sehr wichtig werden. Durch die Anfertigung neuer Organe aus dem 3D-Drucker lassen sich schwere Krankheiten künftig einfacher bekämpfen. Bahnt sich hier eine Revolution in der Industrie an?
Prognose und Fazit
Durch die Fähigkeit, plastischen Planungen gewissermaßen ein detailgetreues, digitales Modell gegenüberzustellen, ist die Durchdringung weiterer Wirtschaftszweige nur verständlich. Die Bedeutung der 3D-Druckverfahren kann dabei aber nur annäherungsweise eingeschätzt werden, denn hierbei handelt es sich um eine Wachstumsbranche mit zweistelligen Zuwachsraten pro Jahr. Ein Problem besteht zum Beispiel darin, dass die zu produzierenden Teile selbstverständlich von der Größe des 3D-Druckers selbst abhängig sind. Doch gerade hier fehlt es noch an entsprechendem Input seitens des Scientific Community, auch Großmodule in naher Zukunft mit derselben Präzision und Genauigkeit fertigen zu können.
Ohne Frage stellt 3D-Druck aber eine Innovation dar, die in ihrer Bedeutung oftmals mit den Umwälzungen der industriellen Fertigung im Verlauf des 18. Jahrhunderts verglichen wird. Hier spielen Kostenfaktoren sicherlich die größte Rolle, denn allein von technischer Seite aus ist der Anwendungsbereich größtenteils vorgegeben. Trotzdem könnte der 3D-Druck die Welt der Industrie letztlich sehr stark verändern.
Bildnachweis: © Shutterstock – Titelbild Alexander Tolstykh, #1: @ kaboompics (CC0-Lizenz)/ pixabay.com, #2: @ DasWortgewand (CC0-Lizenz)/ pixabay.com
