3D-Druck Anlauf, Bild: EOM/Achim Bunz

An der Grenze des Machbaren: Das acht Meter hohe, 3D-gedruckte und goldschimmernde Altarkunstwerk in der Pfarrkirche Altmühldorf. - Bild: EOM/Achim Bunz

Die additive Fertigung entwickelt sich immer mehr zu einem Standardverfahren für die Industrie, darin sind sich viele Experten einig. Insbesondere durch die schnelle Verfügbarkeit benötigter Teile und die schnelle Umsetzung komplexer Projekte hätten Unternehmen erkannt, dass der 3D-Druck selbst bei schwierigsten Herausforderungen eine adäquate Lösung darstelle, sagt exemplarisch Daniel Cohn, Geschäftsführer Deutschland bei Protolabs. Er betont, dass auch in der Corona-Pandemie mittels 3D-Druck gefertigte Teile ihren großen Mehrwert bewiesen und zu einer Verbesserung der Versorgung geführt hätten.

Raffi Beglarian, Bild: HP
Bild: HP

„Der industrielle 3D-Druck ist mittlerweile so ausgereift, dass die gesamte Palette von Prototyping bis zur Serienproduktion möglich ist.“

Raffi Beglarian, EMEA 3D Printing Market Manager

Die additive Fertigung entwickelt sich immer mehr zu einem Standardverfahren für die Industrie, darin sind sich viele Experten einig. Insbesondere durch die schnelle Verfügbarkeit benötigter Teile und die schnelle Umsetzung komplexer Projekte hätten Unternehmen erkannt, dass der 3D-Druck selbst bei schwierigsten Herausforderungen eine adäquate Lösung darstelle, sagt exemplarisch Daniel Cohn, Geschäftsführer Deutschland bei Protolabs. Er betont, dass auch in der Corona-Pandemie mittels 3D-Druck gefertigte Teile ihren großen Mehrwert bewiesen und zu einer Verbesserung der Versorgung geführt hätten.

Jet Fusion 5200 ­Series, Bild: HP
HP bietet ­ergänzend zu dem 3D-Drucker 3D HP Jet Fusion 5200 ­Series verschiedene Softwarelösungen an, beispielswiese, um Aufträge für den Druck vorzubereiten. - Bild: HP

Auch bei HP beobachtet man eine stetig steigende Nachfrage nach industriellem 3D-Druck. „Viele Unternehmen hatten während der Pandemie mit Lieferengpässen und unterbrochenen Lieferketten zu kämpfen. Für eine Reihe von Produkten war der 3D-Druck eine Lösung“, sagt Raffi Beglarian. Der EMEA-3D-Printing-Market-Manager bei HP ist sich sicher, dass die Unternehmen diese Vorteile nicht mehr missen möchten und deshalb in die additive Fertigung investierten. Er registriert branchenübergreifend eine hohe Nachfrage. Besonders stark komme diese aus der industriellen Produktion, der Automobilbranche, aber auch aus dem Gesundheitswesen, wo sich etwa speziell angepasste Prothesen und Orthesen produzieren ließen. In der industriellen Fertigung sind laut Beglarian Greifarme und End-of-Arm-Tooling für Roboter ebenso nachgefragt wie Elektronikgehäuse oder Beschichtungstechnologien.

Schichten verschmelzen vollständig

Metall-Lasersintern, Bild: Protolabs
Für das ­Rapid Manufacturing ist das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS) ein geeignetes Verfahren. - Bild: Protolabs

HP bietet 3D-Druck-Verfahren sowohl mit Metall als auch mit Polymer an. Laut Beglarian nutzen derzeit die meisten Unternehmen Kunststoff für ihren industriellen 3D-Druck. Die Firma hat hier mit ihrer Multi-Jet-Fusion-Serie drei unterschiedliche Modelle im Sortiment. Die verwendete Drucktechnologie unterscheide sich vom Lasersintern, die andere 3D-Anbieter nutzen, erläutert der Manager. Denn im Gegensatz zu anderen 3D-Drucktechnologien ist bei Multi Jet Fusion die vorherige Schicht noch flüssig, wenn eine neue Lage an Material und Agents aufgetragen wird. So verschmelzen beide Schichten vollständig miteinander.

Der 3D-Printing-Experte ist sich sicher, dass der Trend hin zu Klein- und Großserienproduktion geht – vor allem auch deswegen, weil die Technologie ausgereifter und auf die Anforderungen höherer Stückzahlen besser ausgelegt ist. „Der industrielle 3D-Druck ist mittlerweile so ausgereift, dass die gesamte Palette von Prototyping bis zur Serienproduktion möglich ist“, so Beglarian.

Carl Fruth, Bild: FIT
Bild: FIT

„Im Bereich Rapid Prototyping sind wir einem hohen Preisdruck ausgesetzt. Im Rapid Manufacturing besteht dagegen nach wie vor erheblicher Beratungsbedarf.“

Carl Fruth, CEO FIT

Diffizile Kostenabwägung entscheidend

Weniger optimistisch ist hier Daniel Cohn von Protolabs. Der Geschäftsführer gibt zu bedenken: „Wird als Zielsetzung eine Großserienproduktion angestrebt, sollte womöglich auf herkömmliche Fertigungsmethoden wie die Spritzgussfertigung zurückgegriffen werden und nicht zwingend auf Rapid Manufacturing.“ Cohn rät dazu, die jeweiligen Herausforderungen von Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing voneinander abzugrenzen und hier stets die Zielsetzung im Blick zu behalten. Während diese beim Rapid Prototyping auf Mustern liegt, ist man beim Rapid Manufacturing vor allem auf funktionale Teile fokussiert. Wird etwa für die Instandhaltung einer Industrieanlage dringend ein Ersatzteil benötigt, handelt es sich um Rapid Manufacturing. Dies lasse sich insbesondere durch Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) ermöglichen.

Fuse 1, Bild: Formlabs
Fuse 1 nutzt die Methode des ­Selektiven Laser­sinterns (SLS). Das Bedienpersonal wird mit einer Checkliste durch den Druckprozess geführt, von der Vorbereitung bis zur Wartung. - Bild: Formlabs

„Die DNA von Protolabs basiert auf Rapid Prototyping“, betont Cohn. In den vergangenen Monaten stand hier vor allem die Bekämpfung der Auswirkungen der Corona-Pandemie im Fokus. Im Portfolio des Unternehmens finden sich neben diversen Kunststoffen auch Metalle für den Einsatz in rauen Umgebungen, beispielsweise die Inconel-718-Legierung, die in der Luft- und Raumfahrt sowie der Öl- und Gasindustrie eingesetzt werde.

Zudem setzt das Unternehmen auf Digitalisierung: Die E-Commerce-Plattform Protolabs 2.0 hilft Anwendern dabei, unter anderem anhand der gewünschten Stückzahl, die richtige Wahl hinsichtlich des für sie geeigneten Fertigungsverfahren zu treffen. Cohn beobachtet, dass die Kundenanfragen zunehmend stärker auf die Möglichkeiten der additiven Fertigung zugeschnitten sind. „Komplexe Geometrien und Bauteile, die sich mit herkömmlichen Methoden nicht umsetzen lassen, werden immer gefragter“, hat der Geschäftsführer ausgemacht. Mit dem Vapour Smoothing habe man hier eine Möglichkeit gefunden, additiv gefertigte Bauteile in der Qualität von Spritzgussbauteilen anbieten zu können.

Von Machbarkeit zu Schnelligkeit und Kosten

Figure-4-Lösung, Bild: 3D Systems
Mit der Figure-4-Lösung werden Teile besonders schnell gefertigt – oft in nur wenigen Stunden. - Bild: 3D Systems

Nach der Einschätzung von Stefan Holländer haben sich die Anforderungen verlagert. „Während es noch vor einigen Jahren darum ging, ob ein Produkt 3D-gedruckt werden kann, geht es heute darum, wie schnell und kosteneffizient es produziert werden kann“, sagt der Managing Director EMEA beim Anbieter Formlabs. Der 3D-Druck trete damit in bestimmten Bereichen in direkte Konkurrenz mit klassischen Herstellungsverfahren.

Dabei habe die Materialentwicklung in den letzten Jahren „riesige Fortschritte“ gemacht. Das Unternehmen bietet über 30 verschiedene Kunstharze für den 3D-Druck per Stereolithografie (SLA) an. „Für den Prototypenbau haben wir spezielle Kunstharze entwickelt, mit denen schneller gedruckt werden kann, zum Beispiel unser Grey Resin“, so Holländer. Das Unternehmen liefert Komplettlösungen – von der Druckvorbereitungssoftware über den Drucker und die Materialien bis hin zum Post Processing.

Erst kürzlich habe man den Markt mit der Veröffentlichung des Fuse 1 und des Fuse Sift „auf den Kopf gestellt“, hebt der Managing Director hervor. Diese beiden Geräte und die Nylonpulver Nylon 12 und Nylon 11 seien die Komplettlösung für den Druck per Selektivem Lasersintern (SLS). Nach seiner Beobachtung steigen Anwender „aktuell häufig von teuren SLS-Lösungen auf den Fuse 1 um, da sie hier nutzungsfreundlich und kosteneffizient eine vergleichbare Qualität und Präzision erzielen können“.

Immer häufiger für hochwertige Produktionen

Bei 3D Systems beobachtet man, dass Unternehmen zunehmend die additive Fertigung einsetzen, um ihren Produktentwicklungszyklus zu beschleunigen. Die Technologie werde sogar immer häufiger für hochwertige Produktionsanwendungen mit kleinen bis mittleren Stückzahlen in Branchen wie dem Gesundheitswesen, der Luft- und Raumfahrt, in der Verteidigung und im Automobilbereich sowie im Motorsport und der Halbleiterfertigung eingesetzt, sagt Martijn Vanloffelt, Director Application Innovation Group.

Dabei würde er nicht unbedingt so weit gehen, für Produktionsläufe den Begriff „Rapid Manufacturing“ zu verwenden. Aber in den Fällen, in denen die additive Fertigung eingesetzt werde, bringt sie laut Vanloffelt typischerweise weitere Vorteile als nur die Vorlaufzeit. Hier nennt er Leichtbau, Kostensenkung oder verbesserte Funktionalität.

Martijn Vanloffelt, Bild: 3D Systems
Bild: 3D Systems

„Je ausgereifter die Technologien sind und je schneller die Systeme werden, desto attraktiver ist der Preis für den Einsatz additiver Technolo­gien zur Produktion größerer Serien gegenüber konventionelleren Techniken.“

Martijn Vanloffelt, Director Application Innovation Group bei 3D Systems

Besseres Verständnis der Technologie

Im Allgemeinen hätten Kunden inzwischen ein viel besseres Verständnis der Vorteile und Einschränkungen additiver Technologien. „Wir erkennen dies daran, dass die Anforderungen präziser und auch weniger konservativ werden“, so Vanloffelt. „Ganz allgemein gesprochen werden hauptsächlich unsere Kunststofftechnologien für Prototyping-Zwecke verkauft, mehr noch als Metall“, sagt der Director Application. „Für kleinere Unternehmen ist oft unsere Figure-4-Lösung interessant, da mit dieser Technologie Teile außergewöhnlich schnell gefertigt werden können – oft in nur wenigen Stunden.“ Die neueste Ergänzung des Portfolios sei Scalmalloy. Aufgrund der vakuumbasierten Maschinenarchitektur könne man damit eine „außergewöhnliche Qualität“ erreichen.

Anwendungsentwicklung kommt langsam voran

Laut Carl Fruth, CEO beim Anbieter FIT sind die Herausforderungen so verschieden wie die Anwendungsszenarien: „Im Bereich Rapid Prototyping sind wir einem hohen Preisdruck ausgesetzt. Im Rapid Manufacturing besteht dagegen nach wie vor erheblicher Beratungsbedarf.“ Außerdem drehe sich hier bei den professionellen Anwendungen alles um Qualitätssicherung und Qualitätsmanagement.

Fruth zufolge kennzeichnet eine Schere die aktuelle Branchensituation: „Es wurden unter anderem durch die mediale Überzeichnung von additiver Fertigung schnell sehr hohe Anlagenkapazitäten aufgebaut, während sich im Vergleich zum Hype der Bereich der Anwendungsentwicklung nur langsam entwickelt.“ Doch auch der Firmenchef sieht Lerneffekte. Schließlich würden mit zunehmendem Gespür darüber, was 3D-Druck wirklich bedeutet und leisten kann, immer mehr echte, realisierbare Produkte entstehen.

„Unsere Stärke ist die kompetente Projektentwicklung“, sagt Fruth. So sei man beispielsweise die einzige Firma gewesen, die das acht Meter hohe, 3D-gedruckte und goldschimmernde Altarkunstwerk in der Pfarrkirche Altmühldorf realisieren konnte.

Der Maschinenpark des Unternehmens ist breit aufgestellt. Dazu zählen die klassischen Verfahren ebenso wie seltenere Technologien wie das Laserauftragsschweißverfahren Wire Arc Additive Manufacturing für Metalldrähte.

Als Beispiel für die Synergie aus effizienter Produktentwicklung und einem additiven Spezialverfahren nennt Fruth die massiven, testfähigen Schwenklagerprototypen für Gleisbau-Stopfmaschinen, die FIT kürzlich in einem Bruchteil der konventionell benötigten Zeit im Aufschweißverfahren hergestellt habe. Interessant ist auch das neu entwickelte rohstoffschonende Verfahren Selective Cement Activation für individuelle Freiformteile im Bereich Architektur/Innenarchitektur. Der damit verarbeitete neue Werkstoff Econit ist nachhaltig, recycelbar und kann durch verschiedenste Zuschlagstoffe gezielt mit Eigenschaften versehen werden.

Produktivität als wichtiger Faktor

Auch beim Anbieter Stratasys beobachtet man eine Sensibilisierung in Richtung Return on Investment (ROI). „Dies hat dazu geführt, dass die Kosten pro Bauteil sowie die Materialkosten bei der Entscheidungsfindung viel zentraler geworden sind“, sagt Vice President Zehavit Reisin. Zudem sei der Bedarf an erhöhtem Durchsatz und Produktivität ein wichtiger Faktor.

Nach Reisins Beobachtung haben sich Polyjet und die Schmelzschichtung, das Fused Deposition Modeling (FDM), zu den wichtigsten Wachstumsmotoren in den Zielbranchen des Unternehmens entwickelt. Die Hauptgründe dafür sieht sie in Kosteneinsparungen, schnellerer Markteinführung, Qualität der Bauteile, einfacher Bedienung, Zugänglichkeit und gesicherter IP, wenn man im eigenen Haus druckt und nicht auslagert. „Die Technologie fördert die Kreativität und gibt Designern und Entwicklern mehr Möglichkeiten“, so Reisin.

Als Beispiel nennt der CEO den „J35-Pro-3D-Drucker“, der auf der allerneuesten Polyjet-Technologie basiere. Diese sei für die Herstellung von Prototypen, Modellen und Endbauteilen für eine Vielzahl von Branchen entwickelt worden – und „das alles bequem vom Büro aus und zu wesentlich geringeren Kosten als andere Multi-Material-Polyjet-Lösungen“.

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