Additive Fertigung – Der 3D-Druck erobert die Märkte

Der Traum ist Jahrzehnte alt: Man füttert eine Maschine mit den digitalen Daten eines Bauteils, drückt auf einen Knopf und hält nach wenigen Minuten das fertige Produkt in Händen. Die Wirklichkeit hat die Vision inzwischen eingeholt: Im Elektromarkt liegen preiswerte 3D-Drucker für jedermann, die kleine Plastikteile ausspucken. Das ist zwar nur eine Spielerei, mit der sich keine belastbaren Ersatzteile drucken lassen. Doch auch in der Industrie gewinnt das Drucken immer mehr an Bedeutung. Man spricht hier von additiver Bauweise, weil die Bauteile nicht durch Fräsen, Sägen oder Bohren aus einem Block herausgearbeitet werden, sondern Schicht für Schicht aus Pulvern, Flüssigkeiten und Kunststoffschnüren, sogenannten Filamenten entstehen.

Additive Fertigung am Fraunhofer IAPT

Vielfältige Anwendungen

Inzwischen gibt es viele unterschiedliche Verfahren, die vor kaum noch einem Material Halt machen. Man kann Bauteile aus Kunststoff, Metall oder Keramik drucken. Auch bei der Größe fallen die Grenzen. Die chinesische Architekturfirma Huanshang Tengda hat werbewirksam die Grundmauern einer zweistöckigen Villa Schicht für Schicht aus Beton »gedruckt«. Und ein Wissenschaftlerteam von der Universität Stuttgart um Harald Giessen geht  ins  andere Extrem und stellt mit dem 3D- Druck optische Linsen her, die nicht einmal ein Tausendstel Millimeter messen, kleiner als ein menschliches Haar. Die Liste der Bauteile, die aus dem Drucker kommen, wird mit jedem Tag länger. Sie reicht von passgenauen Brillengläsern aus Kunststoff über Einspritzdüsen für Flugzeugtriebwerke und Zylinderköpfe für Formel-1-Boliden bis zu Knochenprothesen aus Titan. Das IPA hat beispielsweise zusammen mit der Firma Festo einen bionischen Handling-Assistenten entwickelt, der einem Elefantenrüssel nachempfunden ist und mit dem Deutschen

Zukunftspreis ausgezeichnet wurde. Ohne 3D-Druck wäre diese Leistung nicht möglich gewesen. Denn der Handling- Assistent beruht auf einer von Fraunhofer patentierten Aktorik, die so nur additiv hergestellt werden kann.

Die gewaltigen Vorteile

Die additive Bauweise hat mehrere Vorteile: Vor allem muss man keine aufwendigen Formen oder Werkzeuge anfertigen, es genügt der digitale Datensatz des Werkstücks. Das kann viel Geld und Zeit sparen. Zudem lassen sich komplexe Geometrien erzeugen, die mit herkömmlichen abtragenden Verfahren undenkbar wären.

Als Start der additiven Bauweise gilt das Jahr 1986, als  der US- Amerikaner Chuck Hull ein erstes Patent anmeldete. Das Fraunhofer IPA beschäftigt sich seit zwei Jahrzenten mit dem Thema. Trotz dieser langen Forschungsphase sind noch immer einige Hürden zu meistern – nicht nur technische. Denn die additive Bauweise hat das Potenzial, Produktionen und Wertschöpfungsketten komplett umzukrempeln. »Man wird auf Basis der additiven Fertigung in vielen Branchen zu  grundlegend neuen Konzepten und Lösungsansätzen kommen. Es braucht dazu aber die Bereitschaft umzudenken – sowohl technisch als auch organisatorisch«, prophezeit Oliver Refle, der das Thema am IPA verantwortet. Die Technik könnte einen ähnlichen Umbruch verursachen wie Industrie 4.0 oder das Elektroauto, Siemens spricht von einer Revolution. Was Daimler-Vorstand Wolfgang Bernhard über den Elektroantrieb sagt, gilt letztlich auch für den 3D-Druck: »Wer zu früh kommt, verliert Hemd und Hose, und wer zu spät kommt, verliert den Markt.«

Ein weiterer Vorteil: Künftig können viele

Unternehmen ihre Ersatzteillager abspecken. Tausende Teile über Jahrzehnte vorrätig zu halten, wird nicht mehr notwendig sein. Dann genügt der digitale Datensatz auf einer Festplatte. Ein Park von Druckern könnte die nötigen Teile je nach Bedarf fertigen. Die Frage ist nicht, ob diese elegante und platzsparende Methode kommt, sondern wann und in welcher Form.

Besonderheiten additiver Fertigung

Natürlich gibt es auch technische Hindernisse. So haben gedruckte Werkstoffe eine andere Struktur und eine andere Oberfläche als gegossene oder gewalzte. Beim Lasersintern mit Metall oder Kunststoff verursacht der Entstehungsprozess eine gewisse Porosität, die weitere Parameter wie Belastbarkeit und Verformbarkeit verändert. Auch ist die erreichbare Maßhaltigkeit nicht bei allen Verfahren den etablierten Fertigungsmethoden ebenbürtig und die Bauteilqualität hängt noch sehr stark am Fertiger und dessen Know-how. Doch diese Kinderkrankheiten bekommen Maschinenhersteller und Forscher immer besser in den Griff. »Die Zeiten sind vorbei, als gesagt wurde, additive Bauteile seien schlechter als herkömmlich entstandene«, sagt Alexander Oster von der Autodesk GmbH. Die Luft- und Raumfahrtindustrie würde nicht zum Drucker greifen, wenn das Resultat  nicht  akzeptabel wäre. Beim Knochenersatz aus Titan wird die Schwachstelle des Druckers sogar zum Vorteil, denn das Gewebe kann in die winzigen Poren hineinwachsen und sich so mit dem Implantat besser verbinden. 

Neue Anwendungsbereiche für Keramik 

Bisher ist die Produktion von keramischen Bauteilen teuer und aufwendig. »Niemand arbeitet mit Keramik, wenn er nicht unbedingt muss, da die Fertigung aufwendig und teuer ist«, sagt Refle. Doch der Drucker eröffnet ganz neue Möglichkeiten. So lassen sich in naher Zukunft auch mit Keramik Prototypen und Kleinserien wirtschaftlich realisieren. Das wird dem keramischen Werkstoff neue Anwendungsfelder eröffnen und in Zukunft wären sogar fließende Übergänge der Materialeigenschaften denkbar, die dem Hochleistungswerkstoff einen zusätzlichen Nutzen verleihen würden.

Auf der Suche nach der Materialrezeptur für faserverstärkte Kunststoffe

Beim Kunststoff sind vor allem Materialentwickler gefragt. Es gibt Hunderttausende unterschiedliche Rezepturen, die meisten davon sind für Prozesse wie das Spritzgießen optimiert und für die additive Fertigung ungeeignet. Gesucht sind Materialien, die mit der additiven Bauweise harmonieren und vergleichbare Eigenschaften wie herkömmliche haben, sei es was Alterungsbeständigkeit, Belastbarkeit oder Temperaturverhalten betrifft. Eine besondere Herausforderung sind faserverstärkte Kunststoffe, die für hochbelastete Bauteile großflächig eingesetzt werden. Die bisher dazu entwickelten 3D-Druckerfahren stecken noch in den Kinderschuhen. Aber es wird nur eine Frage der Zeit sein, bis ein Prozess und eine geeignete Materialrezeptur zur Verfügung steht.

Notwendige Integration in die automatisierte Produktion

Eine große Hürde für die additive Fertigung ist ihre Integration in einen automatisierten industriellen Fertigungsprozess. Hier gibt es bisher nur wenige erfolgversprechende Ansätze. Bei den heutigen Druckern, die in den Werkhallen stehen, handelt es sich weitgehend um Stand-alone-Maschinen, die vielfach noch von Hand bedient werden. Doch solange ein Arbeiter jedes fertige Bauteil aus dem Pulverbett puhlen und mühsam reinigen muss, kommt die Technik nicht aus ihren Nischen heraus. Ein Schwerpunkt des Fraunhofer IPA ist deshalb, für die fehlenden Schnittstellen zu sorgen und automatisierte Gesamtprozessketten zu entwickeln. Das fängt schon mit einem automatisierten Befüllsystem des Druckers an. 

Automatisierte Lösungen sind hier noch lange kein Standard und bei kleineren Firmen wird das Pulver für eine Lasersinteranlage mitunter im Betonmischer angerührt und von Hand in die Maschine gekippt – wie auf der Heimwerker-Baustelle. Mit einer automatischen Misch- und Befüll-Anlage geht es wesentlich eleganter.

Auch braucht es automatische Systeme, die das fertige Bauteil aus dem Bauraum greifen. Herkömmliche Lösungen scheitern, weil die Teile ganz unterschiedlich geformt sind.

Hier kann ein Trick helfen, den sich die Entwickler vom Fraunhofer IPA haben patentieren lassen: Man druckt um das Bauteil herum eine Hilfsstruktur mit einer Art Henkel. Die unterschiedlichsten Bauteile können so gehandelt werden und sind vor Beschädigung in Nachfolgeprozessen geschützt. Später wird die Struktur einfach weggebrochen oder sie kann sogar noch als Transportschutz weiter verwendet werden. Unverzichtbar ist auch eine Nachbehandlung, etwa eine Reinigung mit Druckluft, ohne Hand anlegen zu müssen. Auch eine automatische Qualitätskontrolle wie bei herkömmlichen Fabrikationsprozessen darf nicht fehlen. Die verringert nicht nur den Ausschuss, sondern verbessert auch den Druckprozess. Denn mit den gewonnenen Daten der Sensoren lassen sich die Parameter der Maschine optimal einstellen. »Die notwendige Technologie liegt größtenteils schon in der Schublade, um additive Verfahren in industriellen Fertigungsumgebungen zu etablieren und mit anderen Prozessen zu verknüpfen«, sagt Refle.

Wie eine komplette automatisierte Fertigungskette, bestehend aus additiven und konventionellen Verfahren, aussehen könnte, hat das IPA im Kleinen schon gezeigt. Beim EU-Projekt »CassaMobile« steckt das ganze Equipment in einem mobilen Container. Krankenhäuser könnten mit dieser autarken Fabrik, wenn es schnell gehen muss, innerhalb von Stunden passgenaue Prothesen oder chirurgische Hilfsmittel herstellen – direkt vor Ort und nach aktuellem Bedarf.

Ideal für kleine Losgrößen

Noch ist die additive Fertigung vor allem eine Lösung für Einzelstücke und teure Nischenprodukte – etwa Prototypen. Mit dem »Rapid Prototyping« hatte letztlich alles angefangen. Diese Anwendung hat sich inzwischen zu einem großen Markt entwickelt, denn für solche Vorserienstücke ist das Drucken konkurrenzlos günstig. In dieser Sparte haben sich große Dienstleister etabliert, die bis zu hundert Maschinen in ihren Parks stehen haben. Ein weiterer Markt ist der Sonderanlagenbau, wo letztlich jedes Bauteil ein Einzelstück ist. Viele Kunststoffteile, die man für solche Anlagen braucht, lassen sich inzwischen mit dem Drucker günstiger herstellen als mit herkömmlichen Verfahren. Die Sparte boomt seit mehr als zehn Jahren. Auch die Medizintechnik ist längst auf den Drucker gekommen, denn bei ihren Produkten handelt es sich meist um Einzelstücke, die im Optimalfall auf den Patienten maßgeschneidert sind. Prothesen, Orthesen und Implantate können inzwischen additiv gefertigt werden, wenngleich der Kostendruck im Gesundheitswesen einer breiten Verwendung dieser Technologie noch im Wege steht.

Unternehmen investieren

Bei der Massenproduktion kann die additive Fertigung freilich nicht mit den herkömmlichen Prozessen mithalten, dafür dauert der Druck zu lange und die Kosten sind zu hoch. Das wird sich auch in Zukunft nicht ändern, obwohl die Kosten und die Bauzeit noch erheblich sinken werden. Kleinserien lohnen sich teilweise schon heute. Dass die additive Fertigung auf dem Vormarsch ist, zeigt auch der Blick auf die Unternehmen, die sich damit befassen. Haben sich in diesem Metier bisher nur kleinere Unternehmen getummelt, sind im letzten Jahr auch große Konzerne eingestiegen. Vor allem im Flugzeugbau, wo der Preis nicht höchste Priorität hat, wird immer mehr additiv gefertigt. So hat die Flugzeugsparte von General Electric das fränkische Familienunternehmen Concept Laser, einen 3D-Druck-Anlagenbauer, aufgekauft, und Airbus will künftig Teile aus Titan, Edelstahl und Aluminium drucken. Auch Chemiegiganten wie BASF und Covestro investieren massiv in die neue Fertigungstechnik.

Hybriden Lösungen gehört die Zukunft

In Zukunft wird es aber nicht nur ein Entweder-Oder geben. Es ist zu erwarten, dass sich die additive und die konventionelle Technik gegenseitig ergänzen. Schon jetzt arbeitet das IPA an hybriden Lösungen, die alte und neue Verfahren zu einer pfiffigen Einheit kombinieren.

So lassen sich etwa Elektroniksysteme in einem Zug herstellen: Während das Kunststoffgehäuse im Drucker entsteht, setzt ein Greifer zwischen die einzelnen Lagen zusätzliche Bauteile wie Chips, Widerstände oder LEDs ein. Ganz ähnlich lassen sich auch Kombilösungen für Keramik-Metall-Verbünde verwirklichen. Die Stärken der jeweiligen Technik ergänzen sich dabei und eröffnen so ganz neue Möglichkeiten.

Denkbar ist natürlich auch eine hybride Fabrik, in der zwei Produktionslinien parallel laufen, eine mit herkömmlichen Maschinen und eine mit Druckern – ähnlich wie ein Hybrid-Auto, das zwei Motoren besitzt. Je nachdem, wie schnell ein Produkt gebraucht wird und in welcher Auflage, kommt entweder die eine oder die andere Produktionslinie zum Zug. 

Autor: Klaus Jacob/jdw

Kontakt

Oliver Refle
Telefon +49 711 970-1867
E-Mail: oliver.refle@ipa.fraunhofer.de