Zunehmende Materialvielfalt fördert 3D-Druck

Die Auftraggeber der Dienstleister kommen aus nahezu allen Branchen, allen voran die Automobilindustrie, die, wie BaHsys, Overath, schreibt, „getrieben durch den hohen Entwicklungsaufwand natürlich einer der größten Nutznießer der additiven Fertigung ist.“ Luft- und Raumfahrt, Elektrotechnik und Maschinenbau zählen aber ebenso zu den großen Abnehmern additiv gefertigter Teile. Gemäß Canto, Lüdenscheid, „ist jedoch allen Kunden gemeinsam, dass sie überdurchschnittlich innovativ und kreativ sind und kleinere Serien mit teilweise hohen Individualisierungsgraden fertigen lassen.“

Auch in Bezug auf die Art der gefertigten Bauteile stimmen die Aussagen der Firmen weitgehend überein. Hervorgehoben wird dabei vor allem die Prototypen- und Ersatzteilfertigung, auf die das Institut für Mechatronische Systeme der ZHAW, Winterthur, Schweiz, hinweist. Dies betrifft gemäß 3Faktur, Jena, „überwiegend technische Kunststoffteile in Stückzahlen bis wenige Tausend.“ 3Yourmind, Berlin, sieht „aktuell bereits einen Trend zur Kleinserie“. 4D Concepts, Groß-Gerau, bestätigt dies für den Bereich des Metall-3D-Drucks, mit dem unter anderem Werkzeuge gefertigt werden. Dazu schreibt Protiq, Blomberg, dass „mit zunehmender Materialvielfalt, optimierter Anlagentechnik und verfahrensgemischt automatisierter Prozessketten sich völlig neue Möglichkeiten erschließen, die ein Umdenken in der Bauteilkonstruktion notwendig machen“. Ein konkreter Mehrwert ensteht demnach überall dort vor, wo durch die additive Fertigung zusätzliche Funktionen direkt integriert, klassische Prozessketten verkürzt und komplexe Geometrien ohne zusätzliche Kosten realisiert werden können. „Für den klassischen Werkzeugbau sind dies konturnah temperierte Formeinsätze, die zu einer deutlichen Reduzierung der Zykluszeit und damit der Herstellkosten im Spritzgießprozess führen“, teilt Protiq weiter mit.

Vi2part, Herdwangen-Schönach, verweist in Bezug auf die additive Fertigung auf „Funktionsteile, die bisher gefräst oder gedreht worden sind, allerdings nur, wenn durch Funktionsintegration ein Mehrwert“ erzielt wird. „Sobald ein gewisser Mehrwert mittels 3D-Druck in die Bauteile eingebracht worden ist“, merkt D3D Additive Manufacturing, Baindt, an, „können diese Bauteile, die an die Möglichkeiten des 3D-Drucks angepasst worden sind, meistens mit keinem anderen Fertigungsverfahren mehr hergestellt werden.“

Auch wenn die Automobilindustrie einer der größten Nutznießer der additiven Fertigung ist, wie BaHsys schreibt, erschweren hier wie „auch in anderen Bereichen hohe Stückzahlen eine grundsätzliche Verwendung von additiv gefertigten Bauteilen als Endprodukte“. Aufgrund der kurzfristigen und kostengünstigen Einzelteilfertigung würden vermehrt gedruckte Hilfsmittel für die Fertigung eingesetzt. „Hier sind es zum Beispiel Schablonen zum Positionieren von Anbauteilen, Aufnahmen zur Lasergravur oder konturgetreue Fräsvorrichtungen“, konkretisiert die Firma.

„Die klassischen Verfahren werden auch in den nächsten Jahren den Markt dominieren“, teilt Canto mit, „jedoch wird die additive Fertigung mit zunehmenden Innovationen und höherer Akzeptanz am Markt größere Marktanteile erobern.“ So sieht auch 3Yourmind „aktuell bereits einen Trend zur Kleinserie“ und geht davon aus, „dass sich dieser durch hardware- sowie softwareseitige Weiterentwicklungen verstärkt und in Zukunft große Serienproduktionen kommen.“ Hier sieht FIT Additive Manufacturing Group, Lupburg, „noch auf absehbare Zeit die größte Herausforderung“ für die additive Fertigung. Igus, Köln, verarbeitet nur Kunststoffe, „die speziell auf Reibung und Verschleiß optimiert sind.“ Daraus erstellte Bauteile werden immer in Anwendungen verbaut, bei denen diese Bauteile gleiten. Sie werden mittels additiver Fertigung einzeln oder auch in Serie mit inzwischen schon bis zu 8.000 Teilen gefertigt.

Größe der Bauteile nimmt zu

Im SLS-Druckverfahren lassen sich mit den entsprechenden Materialien komplexe und große Sonderteile sehr schnell fertigen. (Bildquelle: Igus)

Hinsichtlich der Entwicklung der Bauteilgröße divergieren die Meinungen der Firmen. 3Faktur und D3D Additive Manufacturing rechnen nicht mit signifikanten Änderungen. Gemäß der letztgenannten Firma „werden die Bauteile an sich nicht mehr viel größer als 500 x 500 x 500 mm“. Begründung: „Je größer die Bauteile werden, umso ungenauer werden die Fertigungsmöglichkeiten, und je größer die Abmessungen, desto höher ist der Verzug in den Bauteilen, was schlussendlich die Qualität der Bauteile schwer beeinträchtigt.“

Zunehmende Bauteilgrößen werden dennoch, wenn auch aus unterschiedlichen Gründen, von der Mehrzahl der Firmen erwartet. So argumentiert etwa Canto: „Mit dem Eintreten kleinerer und innovativerer Produzenten von Anlagen und Materialien werden die etablierten Unternehmen erhebliche Konkurrenz bekommen, was sowohl Anlagen- als auch Materialpreise unter Druck setzen wird. Die Folge daraus wird sein, dass die Fertigung immer größerer Bauteile wirtschaftlich wird.“ „Lediglich durch neue Verfahren und verbesserte Verfahrenstechnik könnte sich“, heißt es bei BaHsys „der mögliche Spielraum der zu fertigenden Bauteilgrößen verändern.“ Darauf, „dass Bauräume in ihren Abmaßen zunehmen, weisen die aktuellen Entwicklungstrends in der Anlagentechnik hin“, stellt Protiq fest. „Allerdings werden auch Technologien mit kleinen Bauräumen kontinuierlich weiter entwickelt, da die Fertigung von kleinen Bauteilen in Abhängigkeit von der Stückzahl in großen Bauräumen unwirtschaftlich sein kann. Als Extremfall ist in diesem Zusammenhang sicherlich die Schmuckindustrie bei der Verarbeitung von edlen Metallen wie zum Beispiel Gold zu nennen. Hierbei ist es erstrebenswert, den Anteil des umgebenden, nicht aufgeschmolzenen Goldpulvers möglichst gering zu halten, so dass der Bauraum idealerweise nahezu der zu fertigenden Geometrie entspricht.“

Igus merkt zur Bauteilgröße an, dass „die additive Fertigung aktuell bei kleinen Teilen preislich interessant ist im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren“. Auch bei höheren Bauteilgrößen seien additive Verfahren  wettbewerbsfähig – sofern es sich um komplexe Teile handelt. „Sehr wahrscheinlich wird sich in naher Zukunft die Grenze, ab wann die additive Fertigung wirtschaftlich ist, hinsichtlich Bauteilgröße und Stückzahl zu Gunsten der additiven Fertigung verschieben“, meint Igus.

Höhere Fertigungsgeschwindigkeit durch Automatisierung

Durchgehend erwarten die Dienstleister, dass in Zukunft höhere Fertigungsgeschwindigkeiten möglich sein werden, führen dies aber auf unterschiedliche technologische Entwicklungen zurück. Dabei setzen die Firmen 3Faktur und 4D Concepts auf Multi Jet Fusion 3D-Drucker von HP im Kunststoffbereich sowie erstere auf das Metal-Binder Jetting-Verfahren im Metall-Bereich. Protiq zufolge wird neben neuen Multilasersystemen, optimierten Beschichtungsmechanismen sowie angepassten 3D-Druckmaterialien insbesondere die zunehmende Automatisierung großen Einfluss auf die Fertigungsdauer nehmen und diese reduzieren. Gemäß D3D Additive Manufacturing werden „immer mehr Anlagen mit mehreren Lasern arbeiten“, was als einzig Wirtschaftliches gesehen wird, „aber auch nur, wenn mehrere Bauteile oder Serien auf der Bauplattform gleichzeitig aufgebaut werden können“. Denn zwischen jeder gelaserten Schicht werde eine gewisse Verweildauer von wenigen Sekunden benötigt, die dem Bauteil die Möglichkeit gibt, die hohen Temperaturen während des Prozesses abzuleiten. „Sonst würde sich das Bauteil verziehen und eventuell von der Bauplattform herausreißen“, schreibt D3D Additive Manufacturing.

Canto sieht für den Fall, dass es keine bahnbrechenden Neuheiten bei den Technologien gibt, keine massive Beschleunigung in der Fertigung. „Der aktuelle Trend geht eher in Richtung mehrerer günstigerer Anlagen“, meint die Firma. „Dies kompensiert die Ausfallquoten und erlaubt eine parallele und somit schnellere Produktion.“ Gemäß FIT Additive Manufacturing Group zeigen aktuelle Entwicklungen eindeutig in Richtung einer vielfach höheren Fertigungsgeschwindigkeit.

Festigkeiten nähern sich denen von Spritzgussteilen

Die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften bei additiv gefertigten Bauteilen bezeichnet BaHsys als großes Problem: „So zeigen die Bauteile in der Aufbaurichtung deutlich schlechtere Werte im Vergleich zur Kontur-Schichtebene. Mit immer leistungsstärkeren Anlagen und viel Know-how in der Auswahl der Fertigungsparameter lässt sich die Haftung zwischen den einzelnen Schichten positiv beeinflussen.“ Laut 3Faktur, D3D Additive Manufacturing und Protiq lassen sich die Eigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen bereits mit denen von Spritzgussteilen vergleichen. Sowohl Protiq als auch 3Faktur sprechen jedoch von einer aktuell noch stark begrenzten beziehungsweise beschränkten Materialauswahl, was laut Protiq dazu führt, „dass circa 90 Prozent der Nutzer von additiver Fertigung im Kunststoffbereich auf PA 12 zurückgreifen“, was für das Herstellen von Prototypen in den meisten Fällen ausreicht. Werden spezifische Anforderungen an die Bauteile gestellt wie bei der Serienfertigung, sind neue Materialien zu qualifizieren. Dazu zählen zum Beispiel PA 6, PA 66, PBT, PPS, PP und TPU/TPA. Mit diesen Kunststoffen sind teilweise schon Serienfertigungen möglich. 4D Concepts berichtet von Filamentdruckern, mit denen „durch mitlaufende Endlosfasern unterschiedlicher Materialien, wie etwa Kevlar, Carbon oder Glas, bereits heute Festigkeiten erreicht werden, die Eigenschaften von Spritzgussteilen erreichen beziehungsweise übertreffen.“

Sinkende Preise werden erwartet

Auch zur Entwicklung der Bauteilkosten gibt es gegensätzliche Einschätzungen. Sie werden sich nach Ansicht des Instituts für Mechatronische Systeme des ZHAW nicht wesentlich ändern. Diese Ansicht teilt auch Canto, weil die Randbedingungen praktisch gleich bleiben, was eine seriöse Kalkulation somit stabil bleiben lässt. Diese Firma sieht jedoch „auch eine Überschwemmung“ des Marktes, „besonders im Lasersintergeschäft“, wodurch „geringe Auslastung, verdeckte Kosten und instabile Prozesse den Gewinn in einen eher negativen Bereich drücken“, sodass gegebenenfalls „unter Rentabilitätsniveau verkauft“ wird. Die übrigen hier vertretenen Firmen erwarten sinkende Preise für additiv gefertigte Teile. Maßgebend für diese Einschätzung sind zunehmender Wettbewerb, günstige Material- und Maschinenbaukosten aber auch effizientere Fertigungsmöglichkeiten. Gemeint sind Automatisierungen, die sich nicht nur auf den Bauprozess selbst, sondern auch auf die nachfolgenden Arbeitsschritte, wie etwa das Trennen von der Bauplattform, das Auspacken und Entpulvern, das Entfernen der Stützstrukturen und weiterer erforderlicher Maßnahmen, beziehen. „Notwendig ist eine verfahrensgemischte Automatisierung entlang der Prozesskette“, wofür standardisierte Automatisierungs-Schnittstellen an Anlagen und Peripheriegeräten die Grundlage sind“, stellt Protiq fest. Diese effizienteren Verfahren und eine größere Anzahl an Zulieferern von Anlagen, Materialien und Produktions-Peripherie sorgen laut 3Faktur „grundsätzlich für sinkende Preise“. Allerdings seien durch die hohe Marktdynamik ständig Investitionen notwendig, um technisch auf dem neuesten Stand zu bleiben, was diese Kosteneinsparungen teilweise egalisiert. Deshalb rechnet Protiq „insgesamt nur mit moderaten Preissenkungen im unteren einstelligen Prozentbereich per annum.“ Auch BaHsys sieht die Möglichkeit günstigerer Bauteilpreise durch eine neuere und schnellere Maschinengeneration, weist aber darauf hin, dass sich der Bauteilpreis auch nach dem Materialverbrauch richtet. „Neuentwicklungen könnten daher auch zu steigenden Rohstoffpreisen und demnach höheren Bauteilkosten führen“, räumt die Firma ein.

Einlegeteile mit Stützfunktion

Ohne Stützstrukturen möglich: 3D-Druck eines komplexen Bauteils mit Überhängen (Bildquelle: Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW))

Stützkonstruktionen sind nach Ansicht der Firmen, die mit dem Lasersinterverfahren arbeiten, nicht erforderlich, da das umschließende Pulver die Stützfunktion erbringt. Dagegen vertritt D3D Additive Manufacturing die Ansicht, dass auch im Pulverbett Stützen erforderlich sind, und zwar bei Flächen, die unter 45° zur Bauplattform gebaut werden. „Diese dienen der Formgenauigkeit, da sonst das lose Pulver heruntersacken würde und das Bauteil nicht mehr formhaltig wäre“, schreibt der Dienstleister. Die Stützen dienten außerdem zur Fixierung der Bauteile, um gegen den Verzug zu wirken, oder auch als Wärmeableiter, die gezielt an kritischen Zonen angebracht werden können, um den Prozess und schlussendlich die Qualität der Bauteile zu verbessern. Stützkonstruktionen haben, wie Protiq anmerkt, aktuell einen hohen funktionellen Stellenwert. Mit Blick auf die Wirtschaftlichkeit vertritt Canto in Bezug auf Stützkonstruktionen aber die Meinung: „je weniger und je schneller entfernt, desto besser“. Ähnlicher Ansicht ist FIT Additive Manufacturing Group, „um so die Automatisierung der Fertigungsprozesse durchgängig umsetzbar zu machen.“

Interessant ist der von BaHsys angesprochene Aspekt, Einlegteile einzusetzen, „die einerseits Stützstrukturen ersetzen oder direkt eine bestimmte Funktion im Bauteil einnehmen.“ Protiq führt zu Stützkonstruktionen weiter aus, dass „durch angepasste Bauteilkonstruktion der Einsatz von Stützstrukturen erheblich reduziert werden kann“. Hierfür müssten die Konstrukteure vermehrt hinsichtlich der geltenden Konstruktionsrichtlinien für die additive Fertigung geschult werden. „Durch entsprechende Kompetenzen in diesem Bereich kann der Einsatz von Stützstrukturen reduziert werden, schreibt die Firma. „Weiterhin lassen sich Stützstrukturen durch topologische Geometrieoptimierung unter Berücksichtigung von Konstruktionsrichtlinien als Funktionselemente, die am beziehungsweise im hergestellten Bauteil verbleiben, integrieren.“ Auch Vi2part spricht die Notwendigkeit der Schulung von Konstrukteuren an, um die Funktion „von Stützkonstruktionen zu verstehen und auch zu lernen, wie man sie umgeht“. Zudem müsse die Möglichkeit berücksichtigt werden, Stützkonstruktionen als Bauteilgeometrien zu verwenden und so die nachträgliche Entfernung zu vermeiden.

Materialkombinationen sind gefragt

Arburg, Loßburg, hebt die Eignung seines Kunststoff-Freiform-Verfahrens (AKF) zur Verarbeitung handelsüblicher Granulate, wie sie beim Spritzgießen zum Einsatz kommen, hervor. „Mit bis zu drei Austragseinheiten lassen sich additiv komplexe und belastbare Funktionsbauteile in Hart-Weich-Verbindung sowie Stützstrukturen fertigen. Hage3D, Obdach, bietet als Verfahren die „Pellet Extrusion“ mit Granulatextruderdruckkopf an sowie den Multimaterial-Druck mit drei unabhängigen Düsen. Verarbeitbar sind hochgefüllte Thermoplastsysteme, technische Thermoplaste und Harzsysteme durch Kaltextrusion. Außerdem ist indirekter Metalldruck mit HFFS-Technologie möglich. Zum Metalldruck mittels FDM-Verfahren schreibt Multec, Illmensee, dass „zukünftig auch Metallteile“ mit diesem Verfahren hergestellt werden können. Zum Drucken „wird ein Filament mit 90 Prozent Metallpulver und 10 Prozent Binderpolymer verwendet“. Der so entstehende „Grünling“ wird entbindert und dann zum Metallteil gesintert. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass „FDM-Geräte im Vergleich zu Pulverbett-Maschinen um ein Vielfaches günstiger sind.“ Einen besonderen Aspekt der Materialkombination spricht 4D Concepts an: „Metalle, die nicht legiert werden können, entstehen durch Kombination unterschiedlichster Metallpulver.“

Multec verweist ebenfalls auf den Materialkombinationsdruck mit FDM-Geräten, wofür Geräte mit mehreren Düsen erforderlich sind. „Verbesserten Hotends, die einen größeren Volumenstrom zulassen“, ermöglichen „Hochgeschwindigkeits-FDM-Druck mit einer Zeitersparnis von circa 50 bis 75 Prozent gegenüber dem aktuellen Stand der Technik. Formlabs berichtet von einer neuen Form des SLA3D-Drucks. Diese „reduziert dank eines flexiblen Tanks die Kräfte des Druckprozesses drastisch“, woraus eine hohe Druckqualität und Zuverlässigkeit des Druckers resultieren. Voxeljet, Friedberg, berichtet von der Weiterentwicklung des High Speed Sintering-Prozesses zur Herstellung von Prototypen und Endverbraucherteilen, wobei „es insbesondere um eine Erweiterung des Materialportfolio geht.“

Anspruchsvolle Materialien werden verarbeitbar

Bei aus Kunststoffen additiv gefertigten Teilen steigen die Kundenanforderungen. So verweist Xioneer Systems, Wien, Österreich, auf das jetzt mögliche Drucken von Teilen aus PEEK, dessen Vorteile im „geringeren Ausschuss im Vergleich zu zerspanenden Verfahren und dadurch geringeren Kosten“ liegen. Neue Materialien für die additive Fertigung nehmen auch im Bericht von Formlabs, Berlin, einen breiten Raum ein. So schreibt das Unternehmen, dass „die Bandbreite an 3D-Druckmaterialien mit divergenten Eigenschaften und Vorteilen stetig zunimmt.“ Angesprochen werden „Wärmeformbeständigkeiten bis zu 238 °C bei 0,45 MPa, äußerst biegsame Materialien auf der Basis von Elastomeren mit Shore-Härten von 50 A und hoher Zug- und Reißfestigkeit von 3,23 MPa und ca. 19 kN/m zur Herstellung von weichen flexiblen Produkten, die normalerweise aus Silikon gegossen werden.“ Letztere ermöglichen eine immense Zeit- und Kostenersparnis sowohl bei der Verarbeitung als auch bei der Anwendung daraus erstellter Produkte zum Beispiel im medizinischen Bereich. „Ein weiterer Trend geht zu transparenten Materialien. Echte Keramikteile lassen sich im SLA-Verfahren drucken“ mittels Photopolymer mit Siliziumoxid-Anteil, bei dem sich nach dem anschließenden Brennen das Photopolymernetz auflöst.