Artikel in Publikumszeitschriften und Wirtschaftsjournalen rücken die direkte Herstellung von Bauteilen und Komponenten immer mehr in das Bewusstsein der breiten Öffentlichkeit. Selbst US-Präsident Barack Obama erklärte in seiner Rede zur Lage der Nation im Februar, 3D-Druck habe das Potenzial, die gesamte Produktionsweise komplett zu revolutionieren. Einige glauben an einen gesamtwirtschaftlichen Umbruch, wie der amerikanische Journalist Chris Anderson. In seinem Buch „Makers“ formuliert er die These: „Die Alleinherrschaft wird den Unternehmen, Regierungen und anderen Institutionen entrissen und an die normalen Leute übergeben.“ Auch politische Think Tanks, also nicht kommerzielle Organisationen und Institute wie der Atlantic Council, sehen im dreidimensionalen Druck das Potenzial für eine Veränderung des Weltwirtschaftssystems. In ihrer Analyse erklären die Experten, dass 3D-Druck Zulieferer- und Produktionsketten stark verändern könnte.

Für den 3D-Druck fehlen derzeit noch valide Einschätzungen zum Marktpotenzial. Die meisten Medienberichte stützen sich auf eine Studie von Wohlers Associates. Diese jährliche Analyse prognostiziert dem 3D-Markt weltweit ein Wachstum von 2,2 Mrd. Dollar im Jahr 2012 auf bis zu sechs Mrd. Dollar im Jahr 2017. Bis 2021 könnte sich der Markt sogar auf mehr als zehn Mrd. ausdehnen. Allerdings zeigt ein Vergleich: Selbst das würde weniger als einem Zehntel des Umsatzes des Konzerns Daimler im Jahr 2012 entsprechen.

Möglichkeiten einer individualisierten Produktion

Leider ergibt sich nur selten ein einigermaßen vollständiges Bild davon, wie und in welchen Bereichen diese Techniken die Produktion, aber auch unseren Alltag verändern werden. Der Begriff Rapid Manufacturing, also schnelle Fertigung, bezeichnet Methoden und Produktionsverfahren zur schnellen und flexiblen Herstellung von Bauteilen und Serien mittels werkzeugloser Fertigung direkt aus den CAD-Daten. Durch die Möglichkeit, noch vor der Fertigung mit Hilfe einer Simulation das Produkt bereits im virtuellen Stadium zu analysieren und zu optimieren, sowie durch die immer breiter werdende Materialauswahl und den Abfall vermeidenden effektiven Materialeinsatz eröffnen sich für die Unternehmen vielfältige Möglichkeiten, Produkte nicht nur sehr schnell entsprechend den individuellen Kundenanforderungen auszulegen und zu entwickeln, sondern auch mithilfe der generativen Fertigungsverfahren kostengünstig zu produzieren. Da beim Rapid Manufacturing immer die direkte Herstellung des Endprodukts im Mittelpunkt steht, unterscheidet es sich grundlegend von Rapid Prototyping und Rapid Tooling.

Generative und adaptive Fertigungsverfahren sind jedoch bei hohen Serienstückzahlen je Variante noch nicht wirtschaftlich genug, weshalb sie oft nur für das Prototyping eingesetzt werden. Jedoch steigt wegen der zunehmenden Produktindividualisierung heutzutage die Variantenvielfalt, und die Stückzahlen sinken. Hinzu kommt, dass die Komplexität der Bauteile zunimmt, bei gleichzeitiger Forderung nach immer besserer Qualität.

Desweiteren soll möglichst zeitnah, also just in time, produziert werden, um hohe Lagerkosten und Lieferzeiten zu reduzieren. Engpässe und Verzögerungen in der Fertigung, hervorgerufen durch den Ausfall einzelner Maschinen, werden vermieden, indem alle Bauteile eines Produkts auf einer Maschine hergestellt und anschließend montiert werden. Der gesamte Produktentstehungsprozess, angefangen bei der Idee bis hin zu kleineren Serien, muss ebenfalls zeitlich stark begrenzt werden, damit neue Ideen und Entwicklungen bei der Markteinführung immer noch konkurrenzfähig sind. Da ist es von Vorteil, dass Rapid-Manufacturing-Anlagen nahezu selbstständig arbeiten und somit der Forderung nach einem stetig steigenden Automatisierungsgrad in der Fertigung nachkommen.

Neben den genannten Vorteilen ergeben sich zudem konstruktive und produktive Freiheiten. So kann die Geometrie der Bauteilfunktion optimal angepasst werden. Bei Spritzgusswerkzeugen lassen sich beispielsweise die Kühlungskanäle strömungsoptimiert und gezielt dort anbringen, wo sie ideal zur Kühlung des Werkzeugs beitragen.

Neue Freiheiten

Ebenso sind Hohlräume zur Speicherung von Kühlflüssigkeiten denkbar. Aufgrund dessen wird nicht nur die Standzeit des Werkzeugs verbessert, sondern gleichzeitig die Taktzeit verringert und somit die Produktivität erhöht. Ein weiteres Beispiel zur Funktionenintegration ist das Generieren von Gelenken aus einem einzigen Bauteil. Fällt die Montage weg, kann erheblich Zeit bei der Fertigung eingespart werden. Der nötige Spielraum im Gelenk wird zum Beispiel beim Lasersintern durch nicht verschmolzenes Material, was später einfach ausgeblasen wird, sichergestellt. Auch verbesserte Formschlussverbindungen mithilfe von Hohlräumen und Hinterschneidungen, die mit konventionellen Verfahren nicht herstellbar sind, können mit generativen Fertigungsverfahren realisiert werden.

Insbesondere in der Automobilindustrie, wo möglichst nicht mehr geschraubt, sondern geclipst wird, um die Montagezeit zu verkürzen, sind solche Verbindungen mit einer entsprechenden Haltbarkeit gefragt. Neben komplexen Geometrien und Konturen können auch farbige Bauteile erstellt werden. Eine weitere konstruktive Freiheit besteht darin, unterschiedliche Werkstoffe miteinander zu kombinieren und somit gezielte mechanische Eigenschaften zu erzeugen.
Damit eine industrielle Fertigung aus Rapid Manufacturing Anlagen im Wettbwerb mit herkömmlichen Fertigungsverfahren bestehen kann, sind nicht nur Weiterentwicklungen am Verfahren selbst hinsichtlich der einzusetzenden Werkstoffe, der zu erreichenden Qualität und der benötigten Software notwendig. Die Produktionsumgebung muss zudem an den Einsatz von generativen Fertigungsverfahren angepasst werden. Die Anlagen müssen beispielsweise mit anderen Produktionseinrichtungen verknüpft werden. Die Werkstücke werden zwar automatisch generiert, aber bei der Automatisierung der Handhabungsmöglichkeiten der Bauteile ist noch ein hoher Verbesserungsbedarf. Nur wenige Hersteller bieten hier derzeit praktikable Lösungen an. Die Vorbereitung und Zuführung des Ausgangsmaterials ist bei manchen Verfahren ebenfalls nicht voll automatisierbar, zudem müssen neue Infrastrukturen in den Fertigungshallen installiert werden.

Die Infrastruktur vorbereiten

Der Fertigungsprozess komplexer Bauteile kann wesentlich schneller ablaufen, wenn zentrale Zuführ- und Abführanlagen eingebaut sind, da sich dann das Bauteil in einem Arbeitsgang fertigstellen lässt. Speicher- und Puffereinrichtungen wären somit überflüssig. Unterschiedliche Taktzeiten der Maschinen, die an dem Herstellungsprozess eines Bauteils beteiligt sind, müssen nicht mehr berücksichtigt werden. Leerlaufzeiten sind aus diesem Grund besser vermeidbar. Da eine Maschine in der Lage ist, unterschiedlichste Teile zu fertigen, werden große Lagerplätze für Werkzeuge und Ersatzteile überflüssig. Zusätzliche Bauteile, die produziert wurden, damit sich ein Werkzeugwechsel bei konventionellen Produktionsanlagen rentiert, nehmen ebenfalls keine Lagerplätze mehr in Anspruch. Es entsteht neue Produktionsfläche. Schwierig wird jedoch die Überwachung des Herstellprozesses. So können Fehler am Bauteil erst nach Abschluss des gesamten Prozesses erkannt werden.

Das Bedienen der Anlagen erfordert daher spezielle Fachkenntnisse. Durch den Einsatz von Lasern oder Chemikalien müssen die Arbeiter geschult werden, um einen ausreichenden Arbeitsschutz sicher zu stellen. Auch die Nachbearbeitung der Bauteile, zum Beispiel das Entfernen von Stützkonstruktionen oder die Oberflächenbehandlung, muss manuell durchgeführt werden und erfordert eine gewisse Erfahrung. Der Einsatz generativer Fertigungsverfahren unterstützt den Trend, dass ein Mitarbeiter für mehrere Anlagen verantwortlich ist. Er wird mehr Zeit am Computer als an der Anlage selbst verbringen, weil die Hauptarbeit darin liegt, dass 3D-Modell vorzubereiten und die Anlagenparameter anzupassen. In der Arbeitsvorbereitung kann Zeit eingespart werden, da Arbeitsfolgen, wie das Umspannen oder Werkzeugwechsel, und die Reihenfolge von Bearbeitungsschritten, wie Bohren, Drehen und Fräsen, nicht mehr geplant werden müssen.

Wegweisende Entwicklungen

Die aktuellen generativen Fertigungsverfahren werden kontinuierlich weiterentwickelt. Ziel ist zum einen die Verbesserung der Bauteilqualitäten hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften und der Oberflächengüte. So können zukünftig noch feinere Konturen erzeugt werden. Auch am Einsatz neuer Werkstoffe wird intensiv geforscht. Zum anderen soll die Baugeschwindigkeit und damit die Effizienz der Anlagen weiter erhöht werden. Außerdem arbeitet man an dem Image und dem Bekanntheitsgrad der generativen Fertigungsverfahren und versucht die Vorurteile, dass diese nur für Modelle und Prototypen geeignet sind, zu widerlegen. Neben der Weiterentwicklung der aktuellen Verfahren, wird auch an neuen Technologien geforscht, wie es die Düsseldorfer K-Messe im Oktober zeigte. Auf der Euromold vom 3. bis 6. Dezember in Frankfurt, werden diese Technologien dann im Mittelpunkt stehen.

Stratasys gilt als Marktführer bei 3D-Druckern für den industriellen Bereich. Neben 3D-Druckern stellt das Unternehmen auch die Materialien für den 3D-Druck her. Diese umfassen verschiedene Arten thermoplastischer Kunststoffe und Photopolymere mit unterschiedlichen Materialeigenschaften. Nach dem Zukauf des 3D-Drucker Herstellers Makerbot, möchte Stratasys sein Portfolio nun weiter auch auf industrieller Ebene erweitern. Scott Crump, Vorstandsvorsitzender bei Stratasys kündigte im Juni dieses Jahres an, künftig auch Hersteller von metallverarbeitenden Systemen durch M&A (Merger and Aquisition) zu erwerben. Damit reagiert man möglicherweise auf den letzten Zukauf des Mitbewerbers 3D Systems, der kürzlich mit Phenix Systems einen derartigen Direct Metal Selective Laser Sintering-Hersteller erworben hat. Das belegt, dass die marktreibenden Unternehmen neben dem 3D-Druck auch das Rapid Manufacturing vorantreiben.

Es könnte sein, dass mit der Vorstellung der additiven Fertigungsanlage Freeformer des Spritzgussmaschinen-Hersteller Arburg, der Markt nun eine neue Dynamik bekommt. Denn beim patentierten Arburg-Kunststoff-Freiformen (AKF) werden Standard-Kunststoffgranulate wie beim Spritzgießen integriert aufgeschmolzen, flüssige Schmelze-Tröpfchen erzeugt und daraus additiv – also Schicht für Schicht – ein voll funktionsfähiges Bauteil aufgebaut. Wichtig war bei der Entwicklung, dass handelsübliche Kunststoffgranulate zum Einsatz kommen können – und keine vorkonfektionierten Lieferformen wie Pulver oder Stränge, welche das Material, die Verarbeitung und damit auch die Teile teuer werden lässt. Das Standard-Kunststoffgranulat wird in die Maschine eingefüllt. Ein beheizter Plastifizierzylinder sorgt für eine optimal vorbereitete Kunststoffschmelze an der sogenannten Austragseinheit.

Deren patentierter Düsenverschluss mit hochfrequenter Piezotechnik ermöglicht schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen und erzeugt so unter Druck die Kunststofftröpfchen, aus denen sich additiv das gewünschte Kunststoffteil aufbaut. Beim Freeformer bleibt die Austragseinheit mit Düse in ihrer vertikalen Position. Stattdessen bewegt sich der Bauteilträger. Neben einem serienmäßig über drei Achsen beweglichen Bauteilträger steht optional eine Variante mit fünf Achsen zur Verfügung, zum Beispiel zur Umsetzung von stützstrukturlosen Hinterschnitten. Die Bauteile sind nach ihrer Fertigung ohne Nacharbeit sofort einsatzbereit. Dank zweier Austragseinheiten können auch zwei Materialien oder Farben kombiniert verarbeitet werden. Damit sind additiv auch bewegliche Hart-Weich-Kombinationen oder Teile mit spezieller Optik und Haptik herstellbar, bei denen beide Komponenten sicher verbunden sind.
Damit wird vielleicht die Hypothese von US-Präsident Obama, dass 3D-Druck die gesamte Produktionsweise komplett revolutionieren wird, schneller Realität werden.

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Über den Autor

Harald Wollstadt ist Chefredakteur des Plastverarbeiter. harald.wollstadt@huethig.de