Additive Manufacturing

3-D-Druck als sinnvolle Ergänzung
Additive Manufacturing war das Schlagwort der Hannover Messe 2016. Doch obwohl 3-D-Drucker deutliche Fortschritte gemacht haben, ist die traditionelle Fertigung noch längst nicht am Ende. In der Nische druckt sich’s umso erfolgreicher.
TEXT: Ingo Steinhaus

3-D-Druck Ergänzung, nicht Ersatz.

Der 3-D-Druck wird seit einiger Zeit mit einer Euphorie behandelt, als handele es sich um die Neuerfindung des Rades in verbesserter Version. Alle Verfahren, bei denen Werkstücke schichtweise aus flüssigen oder festen Stoffen aufgebaut werden, werden als Grundlage neuer Geschäftsmodelle in der Produktion betrachtet. Additive Fertigung ist ein Hype-Thema: Sie revolutioniere die Fertigung und bringe ein neues Industriezeitalter hervor

Doch so besonders neu ist das Thema nicht, denn bereits 1986 erschienen die ersten Geräte für die Stereolithographie (kurz SDL oder SLA). Dabei wird ein flüssiges, lichtempfindliches Acrylharz in dünnen Schichten mit Laserlicht ausgehärtet. Es konnte sich praktisch sofort im Rapid Protoyping durchsetzen, für Anschauungs-, aber auch Funktionsmodelle sowie im professionellen Modellbau, etwa für Architekten. Weitere Technologien wurden in den Folgejahren entwickelt: das Lasersintern (Einschmelzen eines Kunststoffpulvers mit Laser), die Polygraphie (Aushärten von Polymer-Schichten mit UV-Licht), das Laserschmelzen für Metallpulver, das 3-D-Printing genannte Verkleben von dünnen Pulverschichten und das Fused Deposition Modeling (FDM), bei dem ein erhitzter Plastikfaden durch eine Düse gepresst und zu einem Werkstück zusammengefügt wird.

Vor allem das letztgenannte Verfahren popularisierte den 3-D-Druck. Es ist seit 2009 gemeinfrei, erfordert keine aufwendige Laser-Technologie und wird deshalb von den Herstellern kostengünstiger Kleingeräte wie Makerbot oder Ultimaker benutzt. Diese Drucker sind allerdings eher für die Fertigung einfacher Plastikteile geeignet und mehr Gadget als ernsthafte Industrieanwendung.

Andere Materialien und größere Objekte sind auch weiterhin die Domäne des Profimarkts. Inzwischen können Zement, Glas oder Keramik eingesetzt werden. Au- ßerdem beheben neuere Techniken viele Qualitätsprobleme der Vorgänger.

Ein Beispiel: Durch den Einsatz von Keramikpulver als Rohmaterial sind die gedruckten Objekte porös und wenig bruchfest. Der US-Hersteller HRL Laboratories vermarktet seit kurzem ein verbessertes Druckverfahren für Keramik. Es arbeitet nicht mit Pulver, sondern mit einem flüssigen Siliziumkarbid-Polymer. Nach dem Aushärten mit einem Laser und dem Brennen entsteht eine sehr stabile und temperaturbeständige Keramik.

Für die Industrie ist vor allem der Metalldruck interessant. Bislang ist dieser Markt fest in der Hand der deutschen Unternehmen EOS, Concept Laser und SMS Solutions mit ihren hochpreisigen Profisystemen. Doch langsam kommt auch hier Bewegung hinein. Vor zwei Jahren ist ein Patent für den 3-D-Druck von Metallen ausgelaufen, ein weiteres wird in den nächsten Monaten frei – eine Chance für Jungunternehmen.

Und so bietet das australische Start-up Aurora Labs seit 2014 einen Metalldrucker für gut 40.000 US-Dollar an. Die Ergebnisse reichen zwar (noch) nicht an die etablierten Geräte heran, aber immerhin: Die junge Konkurrenz hat die Althersteller zu Reaktionen gezwungen. So brachte EOS Ende 2015 ein Einsteigermodell heraus, das mit Preisen ab 100.000 US-Dollar vor allem auf Zahnärzte zielt. Nach Angaben des Herstellers lassen sich damit 70 Dentalkronen und -brücken innerhalb von drei Stunden fertigen.


PIONIER IST DIE LUFT- UND RAUM- FAHRTTECHNIK, DIE GANZE TRIEBWERKE DRUCKT

Ähnlich sieht es in der Luft- und Raumfahrttechnik aus. Die verschiedenen Verfahren für den Metalldruck haben sich rasch verbreitet. Boeing und Airbus nutzen sie für die Ersatzteilherstellung an ihren Stützpunkten auf den Flughäfen, aber auch für Bauteile in den Fabriken. Das Raumfahrtunternehmen Space X druckt sogar ganze Triebwerke.

Additive Fertigung ersetzt nicht die traditionellen Verfahren, sondern ergänzt sie dort, wo sie ihre Stärken ausspielen kann.

Durch 3-D-Druck können die Unternehmen nicht nur Produktions- und Lagerkosten senken. Der eigentliche Vorteil ist die Möglichkeit, neuartige Leichtbaukonstruktionen mit innenliegenden Hohlräumen zu schaffen. Gedruckte Bauteile sind weniger massiv, aber trotzdem extrem belastbar und helfen, das Gewicht und damit die Betriebskosten eines Flugzeugs zu senken.

Allerdings: In Hochpreismärkten ist leicht kostendeckend zu arbeiten. Doch für die bisher übliche Massenfertigung von Produkten in Millionenauflage eignen sich 3-D-Drucker nicht. Neben den Kosten ist vor allem die gegen- über dem Spritzguss äußerst geringe Arbeitsgeschwindigkeit ein Problem. Das Fehlen der typischen Skaleneffekte wird aber ausgeglichen durch die enorme Flexibilität und einige technische Vorteile, die den Anwendungsbereich des 3-D-Drucks kontinuierlich ausweiten.

Erstens können additive Verfahren Bauteile in einem Stück fertigen. Diese müssen nicht wie bisher aus Einzelteilen montiert werden. Ein Beispiel: Airbus nutzt Metalldrucker, um Halterungen en bloc zu fertigen. Sie werden nicht mehr montiert und wiegen dank der fehlenden Nieten nur noch die Hälfte.

Zweitens ermöglicht der 3-DDruck komplexe Bauformen, die mit Gießen oder Fräsen nicht möglich sind. So vertreibt Stratasys einen 3-D-Drucker für Spritzgussformen. Er kann dicht an der Form liegende Hohlräume für das Kühlmittel ausgeben, die das Objekt rasch abkühlen – der Spritzguss mit gedruckten Formen ist deutlich schneller.

Diese Konstellation findet sich zunehmend in den Unternehmen: Additive Fertigung ersetzt nicht die traditionellen Verfahren, sondern ergänzt sie dort, wo sie ihre Stärken ausspielen kann. So stellt beispielsweise Siemens die Brenner seiner Gasturbinen seit einiger Zeit in einem Mischverfahren her: Der Rumpf wird herkömmlich produziert, der Brennerkopf anschließend aufgedruckt. Dadurch sank die Produktionszeit um etwa 90 Prozent.


DIE 3-D-REVOLUTION BLEIBT VORERST AUS, ABER DIE PRODUKTENTWICKLUNG PROFITIERT

Solche Hybrid-Verfahren, bei denen 3-D-Drucker und konventionelle Anlagen zusammenarbeiten, gelten in der Werkzeugmaschinenbranche als Zukunftskonzept für den kurzfristig lohnenden Einsatz von Additive Manufacturing. Allerdings bleibt nach Ansicht des Vereins Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW) die vielbeschworene Revolution vorerst aus. Eine VDW-Studie geht davon aus, dass in den nächsten fünf bis sieben Jahren weniger als ein Prozent der bestehenden Technologien ersetzt wird. Trotz aller Fortschritte sei der 3-D-Druck in den meisten Bereichen aus Kosten- oder Qualitätsgründen noch nicht konkurrenzfähig. Wissenschaftler wie Bernhard Müller, Sprecher der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung, sind ebenfalls nur verhalten optimistisch: „Die produzierende Industrie ist am Beginn eines womöglich Jahrzehnte dauernden Prozesses, bei dem am Ende vielleicht nur jede zehnte Werkzeugmaschine durch einen 3-D-Drucker ersetzt ist.“

Auch Eric Hund, Projektleiter am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH), ist eher skeptisch und sieht für den 3-D-Druck im Mittelstand vor allem finanzielle Hindernisse: „Betreibermodelle wie Miete können den Anteil additiver Verfahren in der Produktion in kleinen Schritten erhöhen. Dadurch sind auch kleine und mittlere Unternehmen in der Lage, mit additiver Fertigung zu experimentieren und erste Erfahrungen zu sammeln.“

Trotz aller Fortschritte ist der 3-D-Druck in den meisten Bereichen aus Kosten- oder Qualitätsgründen noch nicht konkurrenzfähig.

Der 3-D-Druck ist zwar inzwischen mehr als Rapid Prototyping, aber Additive Manufacturing ist zurzeit nur für bestimmte Einsatzbereiche interessant. Die größten Vorteile bietet es beispielsweise der Medizintechnik, in der individuell angepasste Einzelstücke gefertigt werden – neben Zahnkronen auch Prothesen und Implantate. Da die traditionelle Fertigung teils noch manuell geschieht, bringen 3-D-Drucker tatsächlich einen deutlichen Effizienzfortschritt und beschleunigen die Herstellung. Unternehmen, die auf ähnliche Weise arbeiten, dürften in den nächsten Jahren am meisten von der neuen Technologie profitieren. Gleiches gilt für viele Hersteller im Sondermaschinenbau, die nun manche Bauteile in einem Stück herstellen oder innovative Konstruktionen erfinden können. Und überall dort, wo Ersatzteile durch Transport und Lagerhaltung sehr teuer werden, ist der 3-D-Druck ebenfalls konkurrenzfähig. Und es gibt im Vorfeld der Fertigung einen Bereich, in dem er immer wichtiger wird: in der Produktentwicklung.

Sie profitiert von verbesserten Druckern, die mehr als ein Dutzend unterschiedlich farbige und geartete Stoffe verarbeiten. Ihr Einsatz erlaubt es, in vergleichsweise kurzer Zeit mehrere Entwürfe zu testen, Kundenwünsche besser zu berücksichtigen und Konstruktionsfehler schneller zu erkennen. Das ist dann tatsächlich eine kleine Revolution, die die Entwicklungszyklen in der Industrie stark verkürzen kann. Hergestellt werden die Ergebnisse dann aber weiterhin meist traditionell, in Millionenauflage.