Marktübersicht 3D-Druck und additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren, anfänglich zur Fertigung von Modellen und zum Rapid-Prototyping genutzt, sind auf dem Weg, selbst industrielle Fertigungsverfahren zu werden oder zumindest die Produktion von Serienteilen zu beschleunigen und zu erleichtern. (Bildquelle: Stratasys, Arburg, Opiliones)

Ziel der Marktübersicht ist es, das Angebot der 3D-Drucker so darzustellen, dass eine vergleichende Auswahl der Geräte und Maschinen für eine industrielle Fertigung nach den Erfordernissen des die Marktübersicht nutzenden Interessenten möglich ist. Ein weiteres Ziel ist, anhand der von den beteiligten Firmen mitgeteilten Entwicklungstrends aufzuzeigen, wohin sich das Gebiet der aufbauenden Fertigung zukünftig entwickelt.

Weiterentwickelte additive Fertigungsverfahren

Dazu schreibt Maker-Bot-Division von Stratasys, Rheinmünster, dass „der Trend in Bezug auf neue Druck-Verfahren im Druck von Metall sowie auf multimateriellen 3D-Druck mit full colour in einem Prozess und mit einem 3D-Drucker liegt.“ Opiliones ergänzt hinsichtlich des Metalldrucks, dass dieser mit Metallfilamenten erfolgt. Arburg, Loßburg, spricht die „noch recht neue Technologie für die industrielle additive Fertigung“, das Arburg Kunststoff-Freiformen AKF an. „Das wesentliche Merkmal“ dieses Verfahrens „ist die Möglichkeit, qualifizierte Standardgranulate verarbeiten zu können, wie sie auch für das Spritzgießen eingesetzt werden.“ Bei diesem Verfahren „wird der Originalwerkstoff zunächst im Plastifizierzylinder aufgeschmolzen. Eine starre Austragseinheit mit spezieller Düse trägt kleinste Tropfen mittels hochfrequenter Piezotechnik schichtweise auf einen über drei Achsen beweglichen Bauteilträger auf. Der Bauteilträger wird so positioniert, dass jeder Tropfen auf die vorher berechnete Stelle gesetzt wird. Dabei verbinden sich die Tropfen beim Abkühlen von selbst. So entsteht Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Bauteil. Dadurch, dass mit dem AKF-Verfahren Originalwerkstoffe verarbeitet werden, ergeben sich auch völlig neue Möglichkeiten zur Prozessintegration. Ein gutes Beispiel hierfür ist das Zusammenspiel von Spritzgießen und additiver Fertigung. Großserienartikel lassen sich so individualisieren, was für viele Branchen ein interessantes Anwendungsgebiet sein könnte.“

Marktübersicht 3D-Druck und additive Fertigung

Der EOS P770 ist ein Lasersinter-Gerät, das Kunststoffpulver zu Bauteilen mit 1 m Kantenlänge verarbeitet. verarbeitet. (Bildquelle: EOS)

Nach EVO-Tech, Schörfling am Attersee, Österreich, wird die Integration der Verfahren in den Fertigungsprozess mittels Industrie 4.0 erfolgen. Maker Bot sieht den Fokus hier „auf neuen Software-Lösungen liegen, die den 3D-Druck-Prozess optimieren und weiter beschleunigen“ unter Einbeziehung von „Industrie 4.0, Cloud Computing und Multi-Printer-Management.“

Vom Spezial- zum Normalwerkstoff

Zu verarbeitbaren Materialien schreibt Arburg, dass der „Einsatz von Originalwerkstoffen und größere Materialvielfalt die zentralen Themen sind, wenn es um die Weiterentwicklung der industriellen additiven Fertigung sowie deren verstärkten Einsatz geht. So ist es beispielsweise mit dem AKF-Verfahren prinzipiell möglich, jedes Kunststoffgranulat zu plastifizieren. Wichtige Voraussetzung hierfür ist ein offenes System, das eine individuelle Prozessoptimierung zulässt, wie etwa von Verarbeitungsparametern oder Füllstrategien. Neben Standardmaterialien wie ABS, TPU, PC und amorphem PA 12 konnten im AKF-Verfahren bereits viele weitere Kunststoffe erfolgreich additiv verarbeitet werden. Hierzu zählen anwendungsoptimierte Blends der Standardmaterialien wie etwa PC-ABS mit Flammschutz, medizintechnische Materialien („FDA approved“) wie etwa resorbierbares PLA (Resomer), TPE mit bis zu 32 Shore A, biologisch abbaubares PHA (Arboblend) und Hochtemperatur-Kunststoff PEI (Ultem).“

Auch EVO-Tech benennt „TPU, Technische Kunststoffe im Allgemeinen und gefüllte Materialien für Serienanwendungen“ als verarbeitbare Werkstoffe. Nach Maker Bot „ist eine breite Auswahl zu verarbeitender Materialien besonders für „End use parts“ von Bedeutung, wie Hochleistungs- und Composite-Materialien wie Ultem, PC, und so weiter. In den frühen Phasen des Prototyping, in denen Modelle zunächst greifbar gemacht werden oder das Design geprüft wird, nimmt der Einsatz von PLA stark zu.“ Maßgebend hierfür ist die Umweltfreundlichkeit und einfache Verarbeitung des Materials, das Fehlen von Schadstoffen bei der Verarbeitung und Kostengünstigkeit.

3D-Drucker: Maschinen und Geräte für die additive Fertigung

Der Uprint SE Plus 3D von Stratasys, Rheinmünster, ist ein FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) und eignet sich zum Prototypen- und Modellbau aus ABS. (Bildquelle: Stratasys)

Farbenvielfalt und Materialkombinationen

Auch hinsichtlich der Farbgebung sieht Maker Bot einen Unterschied zwischen früher und später Phase der Prototyp-Herstellung. Bei ersterer „geht der Trend wieder zu weniger Farbenvielfalt (basic colours) wie schwarz, grau, weiß oder natur“. In späteren Phasen werden „Voll-Farben (True Colour)-Modelle ohne weitere Nachbearbeitung realisiert. Für EVO-Tech stehen Materialkombinationen im Bereich flexibel und fest wie zum Beispiel mit ABS und TPU zu erreichen sowie durchsichtig und matt im Vordergrund. „Eine wichtige Anforderung an die industrielle additive Fertigung ist“ auch nach Arburg „die Kombination mehrerer Materialien in einem Bauteil. Beispielsweise lassen sich im AKF-Verfahren zwei Komponenten verarbeiten, um zum Beispiel ein Bauteil in verschiedenen Farben, mit spezieller Haptik oder als Hart-Weich-Verbindung zu erzeugen. Alternativ lassen sich so auch Strukturen aus einem wasserlöslichen Stützmaterial aufbauen und auf diese Weise auch ungewöhnliche oder sehr komplexe Bauteil-Geometrien realisieren. Wie die Materialvielfalt ist auch die Farbenvielfalt ein wichtiges Argument, um die Akzeptanz und den Einsatz der industriellen additiven Fertigung weiter voranzutreiben. So bietet etwa die neue AKF-Technologie die Möglichkeit der Selbsteinfärbung über Masterbatch.“

Maß- und Formgenauigkeit nehmen zu

Im FDM-Verfahren werden, wie EVO-Tech berichtet, Genauigkeiten bis 0,01 mm erreicht. Wie vorstehend, wird auch bei diesem Gesichtspunkt von Stratasys-Maker Bot eine Trennung zwischen „frühen Phasen des Prototyping“, bei denen die Zielgröße die Geschwindigkeit des Modellaufbaus ist, und späteren Produkten gezogen. Bei letzteren liegt die Genauigkeit zwisc

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Der VX500 von Voxeljet, Friedberg, ist ein Gerät, das mittels Pulverdruckverfahren Kunststoffpulver oder Sand zu Objekten verarbeitet, die bis zu 500 mm lang sein können. (Bildquelle: Voxeljet)

hen 20 und 100 µm.

Nach Arburg hängen die Bauteilqualitäten, zu denen auch Oberflächenqualität, Dichte und Festigkeit gehören, „wesentlich von der Genauigkeit des Systems zur additiven Fertigung ab. Ein Ziel der Weiterentwicklung der industriellen additiven Fertigung ist deshalb die Reduktion der Schichtdicke. Beispielsweise lassen sich im AKF-Verfahren durch individuelle Prozesseinstellungen Schichtdicken erzielen, die kleiner sind als der Düsendurchmesser. Die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Funktionsteile nähern sich dadurch immer mehr dem Spritzgießen an.“

Wachsende Arbeitsräume

Die Größe der Arbeitsräume von 3D-Druckern unterliegt einem steten Wachstum und bewegt sich inzwischen bis in den Meterbereich. So führt EVO-Tech Arbeitsraumgrößen bis 800 x 800 mm an und Opiliones gibt Maße von 1000 x 1000 x 1200 mm an. Für Metall druckende Geräte werden von dieser Firma Arbeitsraum-Durchmesser von 500 mm und Arbeitsraum-Höhen von 700 mm genannt. Stratasys-Maker Bot benennt diesen Trend zur Größensteigerung für den Desktop 3D-Druck ganz konkret mit dem Hinweis, dass beispielsweise Geräte mit einem Bauraum von 300 x 300 x 450 mm und größer im Bereich der Geräte unter einem Kaufpreis von zehn Tausend Euro zu erhalten sind. Wegen dieser „größeren Bauräume“, die „mittlerweile auch für kleines Geld“ zu beschaffen sind, „steigen viele Firmen jetzt ein“ in den 3D-Druck.


Bildergalerie: Maschinen und Geräte für die additive Fertigung


Für den Reinraum geeeignet

Die Reinraumeignung „wird vor allem im Bereich Medizin eine große Rolle spielen“, teilt Stratasys-Maker Bot mit, „um beispielsweise gedruckte Implantate direkt einsetzen zu können, ohne ein Infektrisiko einzugehen.“ Hier scheint das zur Zeit in der Prüfung befindliche PLA als Werkstoff Vorteile in der Verarbeitung zu zeigen, ergänzt diese Firma.

Auch Arburg geht hinsichtlich der Reinraumeignung auf „die Herstellung medizintechnischer Kunststoffteile ein.“ Diese „muss auch in einer reinen Produktionsumgebung funktionieren. Staub- und emissionsfreies Arbeiten sind hier wichtige Kriterien, die Systeme zur industriellen additiven Fertigung dabei erfüllen müssen. Bei dem speziell für das AKF-Verfahren konzipierten Freeformer wird dies etwa durch einen geschlossenen Bauraum mit eigenem Umluftsystem erzielt.“

Wege zur additiven Fertigung

Arburg stellt abschließend fest, dass „ein großer Vorteil der additiven Fertigung die Herstellung immer komplexerer Bauteile ist, ohne dabei die Bauteilkosten maßgeblich zu erhöhen. Deshalb werden Fertigungssysteme wie der Freeformer für industrielle Anwendungen und den prozesssicheren Dauerbetrieb ausgelegt.“

Maker Bot sieht eine immer größere Rolle, die die neuen Technologien im Ausbildungsbereich spielen und berichtet dazu, dass „beispielsweise die IHK mit der Entwicklung eines Zertifikatslehrgangs zur 3D-Druck-Fachkraft startet. Zahlreiche Unternehmen setzen 3D-Druck bereits in der Ausbildung ein für Verfahrenstechniker für Kunststoffe, Mechatroniker, Produktdesigner, Werkzeugmechaniker, Modellbauer etc. Dies hat insbesondere im Hinblick auf den Trend Industrie 4.0 im letzten halben Jahr zugenommen. Die Entwicklung eines Additive Mindsets und die damit verbundene optimale Vorbereitung von Schülern, Studenten oder Azubis auf die Arbeitsplätze der Zukunft wird sich in den kommenden Jahren zu einem wichtigen Bestandteil der Bildungspläne entwickeln.“

Über den Autor

Prof. Dr. Werner Hoffmanns

ist freier Mitarbeiter des Plastverarbeiter.

office@hoffmanns-texte.de