Additive Fertigung : Gehört dem 3D-Druck die Zukunft der Produktion?

Im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsverfahren bietet die additive Fertigung die Möglichkeit, fast jede beliebige 3-D-Form zu erzeugen, den Konstrukteuren die Freiheit, Teile zu produzieren, die besser funktionieren oder weniger kosten als herkömmliche Verfahren. So ist beispielsweise eine von Airbus hergestellte additiv gefertigte Titanhalterung 30 Prozent leichter als ihr Vorgänger, ohne dass die Leistung oder Haltbarkeit beeinträchtigt wird.

So kann jedes von einer Maschine hergestellte Teil ein Unikat sein, da keine Formen oder festen Werkzeuge benötigt werden, was den Weg für eine massenhafte Individualisierung ebnet. Außerdem werden durch den Wegfall zeitaufwändiger Werkzeugbau- und Fertigungsvorgänge sowohl die Produktentwicklung als auch die Produktion beschleunigt und die Markteinführungszeit verkürzt.

Außerdem kann die additive Fertigung die Wartung und den Support von Produkten im Feld vereinfachen und den Bedarf an Ersatzteillagern verringern, indem es die On-Demand-Produktion von Ersatzteilen aus digitalen Dateien ermöglicht. Automobilhersteller wie Mercedes-Benz oder BMW nutzen die Technologie beispielsweise schon für die Herstellung von Ersatzteilen für Fahrzeuge.

Die additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Neue Branchen haben begonnen, die Technologie zu nutzen, und entdecken die vielen Potenziale. Diese neuen Verfahren und eine wachsende Zahl von Werkstoffen in Produktionsqualität, wie Titan, Stahl und eine Reihe von Kunststoffen, ermöglichen eine breite Palette von Möglichkeiten. Mit all diesen Anwendungen der additiven Fertigung sind zahlreiche Branchen in der Lage, die Entwicklungs- und Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig die Produktion, Geschwindigkeit, Innovation und Markteinführungszeit zu erhöhen. Es ist auch möglich, neue Strukturen und Formen herzustellen - und das alles bei gleichzeitiger Reduzierung des Abfalls.

Die treibende Kraft hinter diesem rasanten Wachstum ist die Fähigkeit der additiven Fertigungstechnologien für Unternehmen, von Prototyping-Anwendungen zur effizienten Massenproduktion von Teilen, Komponenten und Zubehör überzugehen. Mit den Fortschritten bei den Technologien in Verbindung mit der zunehmenden Akzeptanz der additiven Fertigung in verschiedenen Branchen wird der Markt laut Prognosen kontinuierlich wachsen.

Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von Materialien ohne Verbindungen und mit minimaler Nachbearbeitung. Bei diesem Verfahren können mehrere Materialien verwendet werden, was die Herstellung neuer Produkte mit minimalem Abfall und geringeren Materialkosten erleichtert. Es gibt unterschiedliche additive Fertigungsverfahren. Sie unterscheiden sich in Bezug auf die verwendeten Materialien, die Schichtung und die erforderliche Maschinentechnologie.

Die werkzeuglose additive Fertigung beschleunigt und verändert radikal die Art und Weise der Produktentwicklung als auch den Prototypenbau. Verglichen mit herkömmlichen Verfahren bietet sie schier unbegrenzte Freiheitsgrade, weil die Konstruktion die Fertigung bestimmt und nicht umgekehrt. Die Technologie basiert auf einem alten Konzept, doch die Nachfrage ist durch die technologische Weiterentwicklung erst in den vergangenen Jahren so richtig angesprungen.

• 1980er Jahre: Obwohl die Technologie bereits in den 1970er Jahren entwickelt wurde, datieren die ersten Versuche mit einem schichtweisen Ansatz auf den Anfang der 1980er Jahre.
• 1990er Jahre: Die Entwicklung der additiven Fertigung schreitet nun schnell voran. Die ersten Hersteller von 3D-Druckern treten auf und neue Technologien werden perfektioniert und 3D-Modellierungs-Tools entwickelt.
• Die 2010er Jahre: Der 3D-Druck wurde zu einer attraktiven Prototyping- und Produktionstechnik und eröffnet viele neue Möglichkeiten. Immer mehr Unternehmen nutzen die Vorteile des kostengünstigen Prototypings.
• 2020er Jahre: Weiterentwickelte, widerstandfähigere und stabilere Materialien ermöglichen es, Bauteile für sehr anspruchsvolle Branchen und Anwendungen zu erstellen.

Die anhaltende Lieferkettenkrise ist nach wie vor ein Problem für die Weltwirtschaft, insbesondere für den Industriesektor. Während des COVID-19-Stillstands wurden Probleme in der Lieferkette aufgrund einer Reihe von Umständen, darunter Nachfrageschwankungen, Arbeitskräftemangel und strukturelle Einschränkungen.

Die additive Fertigung soll hier Abhilfe schaffen. Komplexe Teile können durch 3-D-Druckverfahren zahlreiche konventionell bearbeitete oder gegossene Montageteile ersetzen. Selbst in Ländern mit hohen Arbeitskosten können Teile so lokal zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten werden. Die Flexibilität der additiven Fertigung soll es so Unternehmen ermöglichen, ihre Produkte schneller auf lokale Märkte oder zu den Verbrauchern zu bringen. Infolgedessen soll es laut Prognosen einen Übergang weg von der Massenfertigung in Niedriglohnländern und hin zu mehr lokalen Arbeitsplätzen geben. Die Unternehmen werden so zunehmend in der Lage sein, Komponenten im eigenen Land zu fertigen, anstatt auf Importe angewiesen zu sein.

Da die 3D-Drucktechnologie immer besser und die Materialien immer erschwinglicher werden, wird die additive Fertigung von Ersatzteilen immer interessanter. Der Ersatzteildruck ist jetzt eine ernsthafte Antwort auf die Herausforderungen des Ersatzteilmanagements; einige anlagenintensive Unternehmen haben die Pilotphase bereits verlassen.

Da Hersteller und anlagenintensive Unternehmen mit ihrem Ersatzteilmanagement zu kämpfen haben, machen die Entwicklungen im Bereich des 3-D-Drucks den Aufbau eines digitalen Inventars für den Ersatzteildruck für sie kommerziell interessant. Unternehmen sind zunehmend mit kurzen Lebenszyklen von Teilen konfrontiert, was eine schnelle Rotation von neuen Teilen auf Lager erfordert. Anlagenintensive Unternehmen müssen manchmal wochenlang auf den Ersatz eines defekten Ersatzteils warten, was sich negativ auf die Betriebszeit ihrer Anlagen auswirkt. Die Alternative - alle Teile auf Lager zu haben und per Express zu liefern - bedeutet enorme Kosten oder Druck auf die Bilanzen.

Hersteller produzieren Ersatzteile oft in großen Mengen, um die Kosten zu senken. Die Verwaltung von Hunderttausenden vorrätiger Ersatzteile führt jedoch zu hohen Lagerkosten. Die Suche nach dem richtigen Ersatzteil und dessen Versand an einen Kunden am anderen Ende der Welt dauert manchmal Wochen, was sich negativ auf die Kundenzufriedenheit auswirkt. Viele Hersteller entscheiden sich dafür, einige Ersatzteile überhaupt nicht mehr zu liefern und lassen ihre Kunden mit leeren Händen zurück, was sich ebenfalls negativ auf die Kundenzufriedenheit auswirkt. Die additive Fertigung ermöglicht es, Ersatzteile in kleinen Mengen und sogar Einzelstücke zu sehr geringen Kosten herzustellen. Die Teile können auch vor Ort gedruckt werden, was Transportzeit und -kosten spart.

Während die Industrie im Begriff ist, den 3D-Druck im Bereich der Herstellung von Prototypen und Ersatzteilen einzuführen, ist man bereits dabei, die vierte Dimension - die Zeit - für den 4D-Druck zu erforschen. 4D-gedruckte Teile werden so konzipiert und eingesetzt, dass sie ihre Form im Laufe der Zeit unter dem Einfluss bestimmter Faktoren oder Impulse aus der Umwelt verändern. Das bedeutet, dass intelligente Materialien, die im 4D-Druck verwendet werden, nach der Verarbeitung zu einem Produkt führen, das seine Form in vorhersagbarer Weise verändert, wenn es einem bestimmten Stimulus ausgesetzt wird. Diese Reize können beispielsweise Feuchtigkeit, Temperatur, Licht, Magnetismus, Berührung oder Strahlung sein.

Der 4D-Druck erfordert für kleinere Produkte auf einer Standardfläche von 210 mal 210 Millimetern keine neue Hardware. Entscheidend ist, dass sich die schaltbaren Polymere über einen langen Zeitraum als sehr robust gegenüber Umwelteinflüssen erweisen. Insgesamt gibt es zwar sehr viele Ideen für 4D-gedruckte Produkte, aber bis jetzt hat es noch keines von ihnen bis zur Serienreife geschafft. In Anbetracht der kurzen Zeit, in der das 4D-Verfahren in der Forschung erste brauchbare Ergebnisse geliefert hat, ist dies jedoch nicht verwunderlich. Derzeit laufen Versuche, wasserabweisende Kunststoffe mit wasserquellbaren zu kombinieren, um bei Feuchtigkeitseinwirkung die programmierten Bewegungen auszulösen. Die Palette der verwendeten Kunststoffe reicht von Thermoplasten über Polyurethane - sogar „flüssiges Holz“ eignet sich für den 4D-Druck.

Der 4D-Druck basiert im Prinzip auf dem 3D-Druck. Das Bauteil wird jedoch um sensorische Materialien - beispielsweise für Temperaturunterschiede - erweitert. Dadurch wird eine Umstrukturierung des Bauteils möglich. Daher kursiert bereits der Begriff 5D-Druck: Die neue „Dimension“ beschränkt sich allerdings auf eine zusätzliche vierte und fünfte Roboterachse im Drucker selbst. Auf diese Weise sollen zusätzliche innere Strukturen, weniger Materialeinsatz sowie eine um ein Vielfaches höhere Steifigkeit gegenüber einem konventionell gedruckten Bauteil möglich werden.