3D-Druck: Diese 5 Trends zeigen den wahren Mehrwert der additiven Fertigung

Häuser kommen aus dem 3D-Drucker, Nahrungsmittel entstehen per Druckverfahren und Automobilhersteller lassen Bauteile per 3D-Druck entstehen. Es scheint als kenne die additive Fertigung keine Grenzen. Die Corona-Pandemie hat der Digitalisierung weiteren Aufwind verliehen. Industrie- und Forschungsbereiche profitieren von innovativen Technologien.

Doch auch der 3D-Druck musste erkennen, dass nicht jede Hürde „weggedruckt“ werden kann. Das bisherige Potenzial ist beinahe ausgeschöpft und zwingt den ganzen Sektor dazu, umzudenken. Bereits überholte Paradigmen erfordern neue langfristige und nachhaltige Strategien, um die Segel in Richtung Industrialisierung zu setzen. Diese Entwicklung zeichnet sich demnach auch für das laufende Jahr ab. Parallel dazu hält der 3D-Druck neue technologische Trends in petto.

Möchten Sie auch in Zukunft auf dem Laufenden bleiben? Hier geht es zum ingenieur.de Podcast Druckwelle. In Kooperation mit den VDI nachrichten verfolgen wir die aktuellen Trends der additiven Fertigung.

3D-Druck: Industrie mit Entwicklungspotenzial

Im Normalfall entwickeln sich innovative Technologien schrittweise durch die Optimierung von Prozessen und Verfahren. Das bedeutet, dass Fachwissen über bestimmte Fertigungsabläufe kontinuierlich wächst. Letztlich profitieren gleich mehrere Branchen von den gleichen Grundlagen und optimieren ihre eigenen Fertigungsprozesse je nach Anforderung. Ein langsamer und traditioneller Fortschritt ist der aktuellen Situation jedoch nicht gewachsen. Die Industrie befindet sich in einem Engpass zwischen erhöhter Nachfrage und limitierten Möglichkeiten. In andere Richtungen zu denken, kann helfen, diese Hürde mit Bravour zu meistern. Additive Fertigungsverfahren helfen Forschungs- und Industriezweigen dabei, das benötigte Umdenken als Chance wahrzunehmen. Bereits etablierte Abläufe und konventionelle Verfahrenstechniken blockieren oft den Fortschritt der Technologie, da sie mit Sicherheit und direktem Erfolg verbunden sind.

Zurück auf Anfang

Zu den Wurzeln zurückzukehren bedeutet also nicht, dass der gesamte technologische Fortschritt verworfen wird. Stattdessen erlaubt es der Industrie, sich neuen Gegebenheiten einfacher und effizienter anzupassen. Verfahren wie der 3D-Druck müssen Anreize für direkte Investitionen sowie eine allgemeine Akzeptanz schaffen. Kurzgesagt: Der 3D-Druck braucht das Vertrauen der Hersteller und Käufer, um sich gut etablieren und eine vernünftige Grundlagenforschung aufbauen zu können.

Hewlett Packard und General Electric gingen bereits in den letzten Jahren mit gutem Beispiel voran und erhöhten ihre Investitionen im Bereich der additiven Fertigung um ein Vielfaches. Dieser Umstand führte zu einer engen Kooperation beider Konzerne. Es ist davon auszugehen, dass auch andere Unternehmen in naher Zukunft auf diesen Zug aufspringen werden.

Additive Fertigung gegen Engpässe und Versorgungslücken

Der andauernde Ausnahmezustand in sämtlichen Teilen der Welt macht sich in der Verfügbarkeit diverser (oft alltäglicher) Produkte bemerkbar. Besonders im Gesundheitswesen mangelt es an medizinischen Produkten, deren Verfügbarkeit vor Kurzem noch als selbstverständlich betrachtet wurde. Aufgrund der Abhängigkeit von einer meist zentralisierten Massenproduktion entstehen Engpässe, die sich fallweise per additiver Fertigung in den Griff bekommen ließen. Um dieser neuen Normalität jedoch Herr zu werden, ist es notwendig, die Akzeptanz von Endprodukten aus dem 3D-Drucker zu steigern und das Vertrauen in diese Technologie zu fördern.

Zukunftsträchtige Investitionsgrundlage im 3D-Druck

Unternehmen investieren nicht nur in die Digitalisierung, sondern auch in diverse weitere Technologien, welche die Betriebsabläufe in der neuen Normalität vereinfachen sollen. Dabei steht unter anderem die bessere Skalierbarkeit der Produktion im Vordergrund, sodass auf Schwankungen bei der Nachfrage exakter reagiert werden kann. Der Umstieg auf additive Fertigung ist für viele Unternehmen jedoch nicht nur mit einer gravierenden Änderung des internen Produktionsablaufs, sondern ebenso mit einer häufig langen Lernkurve verbunden. Fehlt das Know-how bereits jetzt, bietet sich noch jungen Marktteilnehmern nicht mehr unbedingt der Luxus Zeit, sich in dieser Branche zurecht zu finden und erfolgreich zu positionieren.

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Wettbewerb für mehr Innovation

Der 3D-Druck bietet als Herstellungsverfahren das charakteristische Merkmal, Anpassungen am Werkstück kostengünstig durchführen zu können. Die Erstellung von Gussformen oder CNC-Programmen entfällt. Dabei wird jedoch oft übersehen, dass der Druckprozess noch effizienter ablaufen könnte und qualitativ wertigere Produkte möglich wären, wenn Ingenieure direkten Zugriff auf die Gestaltung des Prototyps hätten. Die Software zur Erstellung der 3D-Modelle gewinnt hier zunehmend an Bedeutung, insbesondere Funktionen zur KI-gestützten Automatisierung bei Design und Produktion.

Per Knopfdruck jedes Modell einfach drucken zu können, wäre zwar für den Endverbraucher die einfachste Variante der additiven Fertigung, würde aber letztendlich nicht für den notwendigen Wettbewerb sorgen. 3D-Druck-Dienstleister würden sich dadurch nicht von anderen Betrieben unterscheiden können, da Fachwissen und Erfahrung auf der Strecke bleiben würden. Wettbewerb ist aber erforderlich, um Entwicklungen auf diesem Gebiet weiter voranzutreiben und Innovationen zu schaffen.

Das ist der wahre Mehrwert des 3D-Drucks für Ingenieure

Der wahre Mehrwert des 3D-Drucks ergibt sich aber erst durch den Maschinenbediener, der sowohl seine Erfahrung als auch Fachwissen in den Druckprozess einbringen kann und das Werkstück dementsprechend anpasst. Ein personalisierter Druckprozess schafft deshalb die Möglichkeit, den Ingenieuren die Freiheit zu geben, das Druckergebnis an die jeweilige lokale Realität anzupassen. Primäre Parameter werden zwar immer noch zentral vorgegeben, sekundäre sind jedoch direkt vor Ort konfigurierbar, um den individuellen, lokalen Anforderungen gerecht zu werden. Dadurch lässt sich nicht nur Herstellungszeit und Material einsparen, sondern additive Fertigung ebenso für die industrielle Massenproduktion nutzen. Damit diese jedoch langfristig betrachtet schneller, kostengünstiger und zuverlässiger abläuft, ist es in manchen Bereichen notwendig, das Rad neu zu konstruieren.

5 Top-Trends und Perspektiven im 3D-Druck

Natürlich führen ein Umdenken und Umstrukturieren nicht zum Erliegen des gesamten technologischen Fortschritts. Die Branche der additiven Fertigung hält auch für 2021 so Einiges bereit. Hier ein kurzer Überblick über einige der wichtigsten technologischen Trends des 3D-Drucks.

1. Hartmetalle im 3D-Druck

Einer der wohl wichtigsten Trends in diesem Jahr ist die Verarbeitung von Hartmetallen in der additiven Fertigung. Neue Werkstoffe verarbeiten zu können, sichert die Zukunft bestehender Unternehmen und treibt neue Innovationen voran. Der luxemburgischen Ceratizit-Gruppe ist es gelungen, ein neues Verfahren zu entwickeln, mit welchem Wolframcarbid-Hartmetalle im 3D-Druck verarbeitet werden können. Einer der größten Vorteile dabei ist, dass, wie sonst bei der Metallverarbeitung üblich, auf teure Formen und Werkzeuge verzichtet werden kann. Stattdessen bietet diese Option eine schnelle Umsetzung, Planung und neue Möglichkeiten der Formgebung. Aktuell agiert die Ceratizit-Gruppe in insgesamt 30 auf 3D-Druck-Hartmetall-spezialisierten Produktionsstätten weltweit.

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2. Additive Fertigungsverfahren in der Zahnmedizin

Bereits jetzt werden viele Produkte aus der Dentaltechnik per additiver Fertigung hergestellt. Deshalb wird auch in diesem Jahr dem 3D-Druck im Bereich Dentaltechnologie weiter auf den Zahn gefühlt. Kronen, chirurgische Führungen und kieferorthopädische Apparaturen werden per 3D-Druck passgenau realisiert. Dabei kommen vorwiegend harzbasierte Drucktechnologien, wie die Stereolithografie (SLA), die digitale Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP) oder Material-Jetting zum Einsatz. Kleinste Details und eine hohe Oberflächenqualität zeichnen diese Druckerzeugnisse aus.

3. Roboter wächst mit seinen Aufgaben

Eine Anlehnung an das lebenslange Wachstum von Pflanzen entsteht unter dem Motto „moving by growing“ als Form eines stetig wachsenden Roboters. Dieser druckt seinen eigenen Körper schichtweise und bahnt seinen Weg auch durch unwegsames Terrain. Dafür wird thermoplastisches Material (PLA) genutzt, das extern erhitzt und dem Druckkopf von außen zugeführt wird. Der erste Pionier kommt aus dem italienischen Bioinspired Soft Robotics lab und kann sich bereits an seine Umgebung anpassen sowie seine Position selbstständig ändern. Durch diese Eigenschaften eignet sich der Roboter zum Beispiel für den Einsatz in Archäologie oder Umweltüberwachung.

4. Namhafte Schuhhersteller setzen auf 3D-Druck

Die Idee, Schuhe per 3D-Druck zu realisieren ist nicht unbedingt neu, aber der Trend fasst weitläufig so langsam Fuß. Einer Prognose des Marktforschungsunternehmens SmarTech zufolge, wächst der Markt dafür um rund 19 % jährlich. Einst eine Idee, die von Startup-Unternehmen aufgegriffen wurde. Jetzt im großen Stil durch etablierte Vertreter wie Nike oder Adidas vertrieben. Sportschuhe aus dem 3D-Drucker. Der Grund dafür ist relativ simpel. Durch einen vorherigen Scan des Fußes, können die Schuhe absolut passgenau für den Verbraucher in Windeseile gedruckt werden. Natürlich ist die Schuhindustrie noch nicht flächendeckend so weit fortgeschritten. Einzelne Bestandteile jedoch, wie zum Beispiel passgenaue Einlegesohlen oder Einlagen aus besonderen Materialien, lassen sich mittels additiven Fertigungsverfahren herstellen.

5. Smartglasses – Die Brille der Zukunft

Selbst die exklusivste Brille kann aufgrund unpassender Abmessungen am Gestell unangenehm zu tragen sein. Mittlerweile findet der 3D-Druck deshalb auch beim Optiker und Brillenhersteller Einzug. Dadurch ist es möglich, per Laserscan die individuelle Kopfform des Brillenträgers zu scannen und das per additiver Fertigung erstellte Brillengestell dahingehend anzupassen. Die Struktur ist dabei nicht nur passgenau zur Kopfform ausgelegt, sondern zudem belastbarer und leichter als konventionelle Rahmen. Hergestellt werden die Smartglasses im sogenannten Pulverbettfusionsverfahren, bei welchem verschiedene Metallpulver unter Einsatz eines Lasers verhärtet werden.

3D-Druck erreicht die Schwelle zur Industrialisierung

Die Entwicklung des 3D-Drucks nimmt gerade erst so richtig Fahrt auf. Während der letzten drei Jahrzehnte fristete das additive Fertigungsverfahren eher ein Schattendasein und stieß bei Herstellern und Händlern nur auf wenig Akzeptanz. Mittlerweile findet ein Umdenken statt und neue Innovationen sprießen vielerorts aus dem Boden. Zukünftig werden Produktionsprozesse durch diese Technologie nicht nur umweltfreundlicher und sparsamer ablaufen, sondern die Herstellung wird genau dort passieren, wo das Endprodukt benötigt wird.

Der Markt ist bereit für den 3D-Druck und wird zukünftig mit gesteigerter Nachfrage in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie in der Medizin zu rechnen haben. Dabei soll vor allem die Standardisierung als Voraussetzung für Serienfertigungen ein großes Thema sein.

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Jetzt reinhören in die Podcast-Folge „Haus aus dem Drucker“. Redakteur Stefan Asche war auf der Baustelle und hat sich Details des Projekts erläutern lassen. Dr. Fabian Meyer-Broetz von der ausführenden Peri GmbH verriet ihm beispielsweise, dass der aufgebaute Drucker für einen Quadratmeter Hohlwand nur fünf Minuten benötigt.