Additive Fertigung: Wo 3D-Druck schon erfolgreich eingesetzt wird

1983 war es, als Chuck Hull die Stereolithografie erfand, 1987 kam der erste 3D-Drucker auf den Markt. Seit 1992 sind FDM-Drucker verfügbar – FDM (Fused Deposition Modeling, auch FFF, Fused Filament Fabrication) ist das Filament-Schmelzverfahren, mit dem die meisten preiswerten Anlagen arbeiten. Auch die Technologie des Lasersinterns, mit dem praktisch alle Metall-3D-Drucker arbeiten, stammt aus den späten 80er Jahren. 3D-Druck ist also alles andere als neu, trotzdem gewinnt es erst in den letzten Jahren an Bedeutung in der professionellen Produktion. Es dauerte doch viele Jahre, bis die Verfahren eine Reife erreichten, die eine zuverlässige Serienproduktion ermöglicht. Zudem brauchte es erst Materialien, die für mehr als Prototypennutzung geeignet sind. Heute ist der 3D-Druck eine ernstzunehmende Fertigungstechnologie mit interessanten Eigenschaften und einigen Einschränkungen. Kennt und nutzt man diese Randbedingungen, lassen sich völlig neue Funktionalitäten umsetzen. Andererseits ist das Verfahren eben auch „nur eine Fertigungstechnologie“, die in den meisten Fällen andere Technologien nicht verdrängt, sondern ergänzt. Gepaart mit der Digitalisierung, ergeben sich ganz neue Geschäftsmodelle, beispielsweise „Manufacturing as a Service" (MaaS).

Alle 3D-Druckverfahren bauen das Werkstück schichtweise auf, wodurch mehrere einzigartige Vorteile entstehen: - Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wie dem Fräsen oder Drehen, bei denen von einem Rohling Material entfernt wird, lässt sich jeder Punkt des Modells bearbeiten – auch das Innere. So können Gitterstrukturen zu Gewichtseinsparungen ebenso erzeugt werden wie funktionale Geometrien wie Kanäle oder Kühlrippen. - Da das Material beim Druckverfahren erzeugt oder umgewandelt wird, lassen sich auch die Materialeigenschaften an jedem Punkt des Modells gezielt beeinflussen. So gibt es Drucker, die härteres und weicheres Material oder unterschiedliche Farben in unterschiedlichen Anteilen zusammen positionieren können, was Übergänge, Mischungen oder auch ein Bauteil aus unterschiedlichen Materialien ermöglicht. Ein Beispiel wäre der Design-Prototyp einer Brille mit klaren (Kunststoff-) Gläsern, buntem Gestell und gummiartigen Auflagen am Bügel, die in einem Vorgang gedruckt wird. - Komplexität ist kostenlos – dem 3D-Drucker ist es einerlei, wie komplex und fragil die herzustellende Geometrie ist – im Gegensatz zum Fräsen, bei dem komplexe Formen bei der NC-Programmierung und auch beim Fräsen mehr Zeit kosten als beispielsweise ein Würfel. Diese drei Vorteile ermöglichen es, mehrere Funktionen in einem Teil zu vereinen und das Innere optimal zu gestalten. Ein Beispiel hierfür wären Ventilblöcke. Diese werden heute hergestellt, indem mühsam sehr viele Bohrungen in einen Metallblock gebohrt werden, um die internen Kanäle zu erzeugen, die wiederum die aufgeschraubten Ventile verbinden. 3D-gedruckt würden nur die Kanäle mit Anschraubflanschen für die Ventile entstehen, verbunden durch Streben, die die mechanischen Kräfte aufnehmen. Der Leerraum zwischen den freiliegenden Kanälen lässt sich mit Kühlrippen füllen, so dass der Kühler gleichzeitig die Funktion des Hydraulikölkühlers übernimmt. Oder man optimiert die Geometrie auf minimalen Materialeinsatz wie Liebherr, die bei einem solchen Bauteil für den Airbus A380 35 Prozent Gewicht sparten.

Und das gilt wörtlich. Wie jede Fertigungstechnologie hat das Verfahren auch Nachteile: - Die Oberflächen der Werkstücke sind direkt aus dem Drucker meist nicht sehr ansehnlich. Auf der Oberfläche haften bei Pulverdruckern noch Pulverreste, die durch Sandstrahlen und Polieren – also manuelle Nacharbeit – entfernt werden müssen. Je nach Schichtstärke werden auch die Schichten des Drucks selbst sichtbar und verringern die Detailtreue des Bauteils. - Nun könnte man die Schichten möglichst dünn drucken, um maximale Oberflächenqualität und Detailtreue zu erzielen. Doch da jede Schicht einige Zeit dauert, verlängert sich die Druckzeit stark, je feiner die Schichten werden. - Zudem müssen meist Stützstrukturen manuell oder mit Maschinen entfernt werden, was zusätzliche Fertigungsschritte erfordert und die Durchlaufzeit weiter verlängert. - Ebenso müssen alle Anschraubflächen, Gewinde, Passmaße sowie form- und lagetolerierte Elemente maschinell nachgearbeitet werden. - Die vorgenannten Eigenschaften – Nacharbeit und Druckdauer – tragen zudem dazu bei, dass 3D-Druck teurer ist als vergleichbar große Bauteile aus der CNC-Fräse oder Drehmaschine. - Und schließlich entsteht bei nahezu allen 3D-Drucken eine Anisotropie – das Material besitzt in unterschiedlichen Richtungen verschiedene Eigenschaften – parallel oder quer zu den Schichten, ähnlich wie Holz. Diese Problematik lässt sich durch entsprechendes Positionieren des Bauteils im Bauraum kompensieren, aber nicht verhindern.

Die Aufzählung der Vor- und Nachteile zeigt: Der 3D-Druck ist ein Verfahren mit interessanten Möglichkeiten, aber auch vielen Nachteilen gegenüber herkömmlicher CNC-Fertigung. Es gilt deshalb, genau abzuwägen, welches Verfahren zum Einsatz kommt, und die Vorteile des 3D-Drucks gezielt zu nutzen. Konstrukteure müssen Vor- und Nachteile erlernen und verinnerlichen, um das Optimum herauszuholen. Fräs- und Drehmaschinen sind deshalb noch lange nicht überflüssig.

Bringt man die additive Fertigung mit Technologien zusammen, die die Digitalisierung ermöglicht, entstehen neue Geschäftsmodelle. So lässt sich die Idee der Cloud, in der unendliche Rechenleistung nach Bedarf genutzt werden kann, auf die Fertigung übertragen: Bei Manufacturing as a Service (MaaS) nutzt man ein Netzwerk von Fertigern mit additiven Fertigungskapazitäten, um Produkte fertigen zu lassen. Die Fertigungsaufträge in diesem Netzwerk werden nach Kapazität vergeben, so dass die Teile möglichst schnell und kostengünstig geliefert werden können. Dieses Netzwerk kann ein Zusammenschluss von Lohnfertigern und Dienstleistern sein oder aber ein Marktplatz, in dem man ein digitales Modell hochlädt, die Fertiger dieses Modell ansehen und bei freier Kapazität ein Preis- und Lieferzeitangebot abgeben. Der Anfrager kann nun das beste Angebot aussuchen. Beispiel Ventilblock A380