Ein Plus für die Industrie: 5 Trends, die 2017 die additive Fertigung prägen werden

Von Duann Scott
- 19. Jan 2017 - 7 min-LEKTÜRE
Ein Blick in das Innere der XJet-Maschine. Mit freundlicher Genehmigung von XJet.

Hach, der 3D-Druck: Noch vor nicht allzu langer Zeit herrschte ein regelrechter Hype um die Konsumerisierung der vielversprechenden neuen Produktionsmethode. Doch dann folgte 2016 auf den vermeintlichen Höhen- ein unerwarteter Sturzflug, der einige führende 3D-Druck-Pioniere mit in den Abgrund riss. Aber war das wirklich so überraschend? Schließlich ist additive Fertigung ein professionelles Produktionsverfahren: Wer kein 3D-Modell erstellen kann, kann auch kein 3D-Produkt drucken. Umso bedeutender ist es, dass dieses Jahr ganz im Zeichen additiver Fertigung zu stehen scheint.

Die Technologie fand anfangs in vielen Bereichen der industriellen Fertigung eher wenig Anklang. Dies änderte sich jedoch 2016 mit dem Aufkommen der additiven Metallfertigung und einer beträchtlichen Investition seitens GE in diese Branche. Langsam, aber sicher mausert sich die additive Fertigung in die Ränge anderer gängiger Produktionstechnologien und wird immer mehr zu einem festen Bestandteil integrierter Produktionslinien. Und auch Anbieter anderer Produktionstechnologien beginnen allmählich, additive Fertigungslösungen herzustellen. Für Fertigungsbetriebe bedeutet das eine zunehmende Auswahl an Software, Werkstoffen und Gerätschaften.

Dieses Jahr wird allen Anzeichen nach auf den Fortschritten aufbauen, die 2016 in der Branche erzielt wurden. Nachfolgend sehen wir uns fünf Trends im Bereich der industriellen additiven Fertigung an, die 2017 mit großer Wahrscheinlichkeit eine Rolle spielen werden.

industrial additive manufacturing trends concept laser
Die neuen Metalldrucker von Concept Laser ermöglichen gemäß der Vision der „AM Factory of Tomorrow“ des Unternehmens eine automatisierte und vernetzte industrielle Serienfertigung. Mit freundlicher Genehmigung von Concept Laser.

1. Verstärkte Industrialisierung.Innerhalb der industriellen additiven Fertigungsbranche lässt sich ein Wandel von einer Kultur der Prototypen hin zu einer Kultur der Produktion beobachten – ein deutliches Zeichen für eine verstärkte Industrialisierung. In den letzten Jahren lag der Fokus klar auf Tools zur Prototypenmodellierung. Wenn es um die Produktion geht, benötigen Hersteller jedoch weitaus effizientere und zuverlässigere Prozesse. Wenn ein Prototyp seine Anforderungen nicht erfüllt, reicht es, einfach einen neuen zu drucken – ein ganzer Satz von fehlerhaften Produktionsteilen ist hingegen ein Riesenproblem. Gerade aus diesem Grund investieren derzeit viele Unternehmen verstärkt in die additive Fertigung, um die Anzahl an entsprechenden Maschinen in ihren Fabriken von einer bis drei auf 10 bis 100 zu steigern.

Zahlreiche führende Unternehmen – darunter etwa Additive Industries, EOS, und Concept Laser (kürzlich von GE übernommen) – arbeiten an Automatisierungssystemen (sprich: Robotern), die diverse Maschinen bedienen und zu diesem Zweck innerhalb der verschiedenen Produktionsbereiche unterschiedliche Rollen übernehmen können. Durch die Automatisierung bestimmter Aufgaben sinkt der Bedarf an menschlichen Arbeitskräften in besonders gefährlichen Arbeitsbereichen, was wiederum zur verstärkten Industrialisierung von Produktionsprozessen mit wiederholbaren Abläufen beiträgt.

Ein gutes Beispiel für ein Unternehmen, in dessen Produktionslinie wiederholbare Prozesse eine Rolle spielen, ist Michelin. Der Reifengigant druckt jährlich fast eine Million komplexe Formen für die Reifenproduktion. Mit anderen Worten: Es wird kein fertiger Reifen gedruckt, sondern ein Bauteil, das die Umsetzung des Endprodukts erleichtert. Die Karten stehen gut, dass dieser Ansatz – das Drucken von Bauteilen, die für das Endprodukt benötigt werden – sich mehr und mehr als gängige Praxis durchsetzt. Ein weiterer Hinweis auf eine verstärkte Industrialisierung ist die Konsolidierung von Unternehmen in der Branche. Die jüngsten Übernahmen von GE sind in diesem Zusammenhang ein deutliches Signal dafür, dass die Branche wichtige Schritte in Richtung einer allgemeinen Akzeptanz von additiver Fertigung macht.

industrial additive manufacturing Additive Industries
MetalFAB1, das industrielle 3D-Metalldrucksystem von Additive Industries, gehört zu den größten Metalldruckern auf dem Markt. Mit freundlicher Genehmigung von Additive Industries.

2. Multimaterialien, anwendungsspezifische Werkstoffe und Keramik. Als Reaktion auf den Trend hin zu Metalldruckmaschinen, der 2016 zu beobachten war, arbeiten Unternehmen weiter an innovativen Technologien, die eine größere Flexibilität hinsichtlich der verwendeten Werkstoffe ermöglichen. So hat zum Beispiel XJet eine neue Inkjet-Technologie entwickelt, bei der nicht wie sonst üblich Metallpulver mithilfe von Lasern geschmolzen, sondern Metall-Nanopartikel in hauchdünne flüssige Tröpfchen eingebettet werden, die vom Drucker wie Tinte versprüht werden und anschließend verdampfen, um die Metallpartikel miteinander zu verschmelzen. Durch diese Methode ändern sich die Werkstoffeigenschaften, sodass eine weitaus feinere metallurgische Struktur entsteht. Das eröffnet wiederum ein enormes Potenzial, Multimaterial-Strukturen auf Metallbasis zu entwickeln. Dieser völlig neuartige Ansatz zum 3D-Drucken von Metallstrukturen könnte sich als wahrer Segen für die additive Fertigung entpuppen, da sich durch gezieltes Aufsprühen von Nanopartikeln wesentlich komplexere interne Strukturen und Supportteile erstellen lassen.

Was XJet im Bereich des Metalldrucks tut, tut ein Unternehmen namens Inkbit im Bereich des Polymerdrucks. Sein Inkjet-Drucksystem überzeugt durch leitfähige, hochauflösende Tinten sowie hervorragende Werkstoffeigenschaften und ermöglicht einen vollwertigen Vollfarbdruck auf Polymerbasis. So ebnet die Technologie nicht nur den Weg für funktionelle Bauteile aus Polymer, sondern könnte auch das Interesse an hochwertigen technischen Kunststoffen und Hochleistungspolymeren wieder aufleben lassen. Insbesondere für die Automobilindustrie, in der ausgeklügelte Kunststoffkonstruktionen im Rahmen kosteneffizienter und leistungsstarker Anwendungen zum Einsatz kommen, könnte diese Technologie sich als äußerst nützlich bewähren.

Analog hierzu lässt sich feststellen, dass sich auch anwendungsspezifische Werkstoffe zunehmender Beliebtheit erfreuen. Wenn ein Hersteller bisher auf ein Konstruktionsproblem stieß, bestand eine mögliche Lösung darin, eine eigene Werkstoffformel für ein bestimmtes Bauteil zu entwickeln. So hat Nike beispielsweise mittlerweile Tausende eigene Kunststoffformeln auf die Beine gestellt. Bei der additiven Fertigung standen Herstellern bislang in der Regel allerdings nur serienmäßig produzierte Standardwerkstoffe zur Verfügung. Mittlerweile fordern Großunternehmen wie GM und BMW jedoch zunehmend spezifische Formeln für den additiven Gebrauch an, und Werkstoffanbieter stellen sich der Herausforderung.

Überdies gewinnt auch die Keramik zunehmend an Bedeutung für die additive Fertigung und das Material wird in Zukunft voraussichtlich insbesondere bei der Herstellung von Formeinsätzen und Maschinenteilen zum Einsatz kommen.

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XJet gehört zu den Unternehmen, die sich mit Keramikdruck befassen. Mit freundlicher Genehmigung von XJet.

3. Weitverbreitete Anwendung additiver Fertigung für Rapid Tooling. Innerhalb der Fertigungsbranche hängt die Akzeptanz einer jeden Technologie maßgeblich von der Länge eines Produktlebenszyklus ab. Und in den Branchen, in denen additive Fertigung sich bereits durchgesetzt hat – darunter etwa die Automobil-, Luftfahrt und Schwermaschinenindustrie –, kann dieser Produktlebenszyklus durchaus drei, zehn oder sogar zwanzig Jahre betragen. Selbstverständlich wird die Automobilindustrie nicht von heute auf morgen mithilfe additiver Fertigungsverfahren ganze Autos drucken, allerdings wäre der Einsatz von Rapid Tooling für Hersteller durchaus von Vorteil. Für ein Auto, das in drei Jahren auf den Markt kommen soll (erster Produktlebenszyklus), könnten beispielsweise zwei oder drei Bauteile mithilfe additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden. Wenn dann in zehn Jahren die zweite Generation folgt, könnte bereits ein Zehntel des Autos aus additiven Bauteilen bestehen, da der Hersteller über bewährte additive Technologie verfügt und sie effektiv zu nutzen weiß.

Im Rahmen der Autodesk University 2016 gab GE bekannt, dass die additive Fertigung bis 2020 für ganze 25 Prozent seiner Produkte eine Rolle spielen werde – wobei dies nicht unbedingt bedeutet, dass die Herstellung dieser Produkte ausschließlich auf Verfahren dieser Art beruhen wird. Wahrscheinlicher ist ein verstärkter Einsatz von Rapid Tooling und die Verwendung einzelner 3D-gedruckter Bauteile für die Herstellung größerer Produkte. Es bleibt abzuwarten, was die Zukunft für die Werkzeugbranche bereithält.

4. Additive Fertigung für kleine, komplexe und teure Produkte. Die vermehrte branchenweite Akzeptanz additiver Fertigungstools hat darüber hinaus zur Entstehung additiver Technologien geführt, die in der Lage sind, kleine, komplexe und teure Produkte herzustellen. Solche Tools werden zurzeit in erster Linie im Bereich der Medizin und Zahnmedizin eingesetzt: So wurden bisher zum Beispiel über 15 Millionen Hörgeräte und Dentalanwendungen – von Zahnschienen bis hin zu Kronen – mithilfe von 3D-Druckverfahren produziert, und der Trend zeigt weiter nach oben. Und auch die Luft- und Automobilindustrie wird vermutlich demnächst nachziehen.

Komplexe Produkte wie diese verdeutlichen den Marktnutzen von additiver Fertigung und erleichtern Herstellern den Einstieg in die aufkommende Technologie. Zumindest für die voraussehbare Zukunft werden solche Kleinserienteile jedoch weiterhin mit hohen Kosten verbunden sein – um dies zu ändern, bedarf es einer größeren Anzahl an Maschinen und der Entwicklung zusätzlicher Werkstoffe.

5. Mit Software zum Erfolg.Um einen nachhaltigen Erfolg additiver Fertigungsverfahren zu gewährleisten, müssen einschlägige Hardware, Werkstoffe und Software optimal aufeinander abgestimmt werden. Bestehende Software-Angebote für subtraktive Fertigungsverfahren lassen sich nicht für additive Prozesse optimieren. Eine Reihe neuer Software-Umgebungen, wie etwa Autodesk Netfabb, sind hingegen auf additive Prozesse ausgerichtet und umfassen Optimierungs-, Simulations- und Bauvorbereitungs-Lösungen für spezifische Maschinen- und Werkstoffkombinationen.

Die Software erfordert zudem ein neues Dateiformat zur effektiven Verarbeitung und Nachverfolgung der umfangreichen Informationen, die für additive Technologien benötigt werden. Das neue Dateiformat 3MF gilt als vielversprechender Kandidat, um das Potenzial aktueller wie zukünftiger additiver Gerätschaften vollständig zu entfalten. 3MF kann im Prinzip als Weiterentwicklung des STL-Formats verstanden werden, da es Modelle mithilfe von Punkten und Dreiecken darstellt. Darüber hinaus bietet es jedoch auch Erweiterungen für Multimaterialgradienten, Gitterstrukturen und Maschineneigenschaften sowie die Möglichkeit, Eigenschaften hinzuzufügen, die die Möglichkeiten bisheriger Technologien übersteigen. Autodesk zählt zu den Gründungsmitgliedern eines Konsortiums, das sich unter Mitwirkung von 3D Systems, GE, Materialize, Microsoft und zahlreichen weiteren Unternehmen um die Entwicklung und Verbreitung des Formats bemüht.

Zusätzliche Inhalte wurden bereitgestellt von Raphael Stargrove, Leiter Produktmanagement für additive Fertigung und Verbundwerkstoffe bei Autodesk

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