Wohin geht die Reise?

3D-Druck ist heute in aller Munde, das Potenzial der ‚industriellen Revolution aus dem Drucker‘ ist enorm. Experten gehen jedoch davon aus, dass hauptsächlich zwei Faktoren über den weiteren Erfolg und das Wachstum am additiven Sektor entscheiden werden: Kostengünstige Möglichkeiten der Fertigung von Endprodukten sowie eine entsprechende Vielfalt verwendbarer Materialien. Dieser Beitrag gibt Auskunft über den derzeitigen Stand der Entwicklung im 3D-Bereich und zeigt mögliche Zukunftsszenarien auf.

Bild: Belekekin/Fotolia

Der Begriff Additive Fertigung oder Additive Manufacturing (AM) umfasst Verfahren zur kostengünstigen Herstellung von Mustern, Prototypen und Endprodukten. Diese bisher unter dem Namen Rapid Prototyping bekannten Fertigungsmethoden basieren auf rechnerischen Datenmodellen, als Werkstoffe werden formlose (Flüssigkeiten) oder formneutrale (band- beziehungsweise drahtförmige) Materialien verwendet und mittels physikalischer oder chemischer Produktionsverfahren ohne spezielles Werkzeug zum Endprodukt geformt. Daher können viele Anwendungen schnell und kostengünstig gefertigt werden. Additive Fertigungsmethoden beinhalten den modernen 3D-Druck sowie laser- und elektronenstrahlunterstützte Fertigungsverfahren, bei denen dreidimensionale Werkstücke schichtweise auf ein geeignetes Trägermaterial aufgebracht werden. Dies erfolgt durch physikalische oder chemische Prozesse, bei denen das Material, meist Kunststoff, Keramik oder Metall, computergesteuert bis zum Schmelzen erhitzt und anschließend ausgehärtet wird. Diese Drucktechnik wird im Goldschmiedehandwerk, im Forschungs- und Industriebereich sowie im Kunst- und Unterhaltungs-Sektor eingesetzt. Zur dreidimensionalen Visualisierung eines Objekts wird dieses in waagerecht gelagerte, zweidimensionale Scheiben geschnitten, die als Layer bezeichnet werden. Aus diesen Scheiben ist jeder handelsübliche 3D-Drucker in der Lage, ein dreidimensionales Objekt, bestehend aus einzelnen 2D-Schichten, darzustellen beziehungsweise auszudrucken.

Auswirkungen auf die Produktivität

Die ressourcen-, zeit und kosteneffiziente Fertigung von Bauteilen mittels additiv-generativer Methoden zählt zu den innovationsträchtigsten Entwicklungen in der industriellen Fertigung. Individualisierte Produkte hoher Komplexität und Güte können mit Hilfe von werkzeuglosen Druckverfahren schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden. Generativ-additive Herstellungsverfahren zeigen ihre Stärken dort, wo konventionelle Fertigungstechnologien an ihre Grenzen stoßen. Schnelle Produktentwicklung und Procurement von Fertigungsteilen, verbesserte Produkteigenschaften sowie deutliche Einsparungen im Kostenbereich – Vorteile, die nicht von der Hand zu weisen sind. Der Schlüssel dazu ist einerseits in der zielgerichteten Verwendung von Ressourcen, Know-how und Forschungsgeldern zu sehen, andererseits ist zweifellos ein Umdenken bei der Produktentwicklung erforderlich gewesen.

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Um das Potenzial dieser Technologien allerdings vollends erschließen zu können, ist jedoch weitreichende Erfahrung in der 3D-Produktentwicklung vonnöten. Unternehmen steht dabei die Möglichkeit offen, auf industrielle Fertigungsverfahren spezialisierte Dienstleister wie Vioproto zu Rate zu ziehen. Durch die Technologie der additiven Fertigung fällt die Nachbearbeitung der Werkstücke meistens gering aus, dabei kann jede gewünschte Formgebung und Größe realisiert werden – vom winzigen Element für feinmechanische Zwecke bis zu einem kompletten Haus. Lagerbestände sind überflüssig, denn das Produkt kann immer frisch gedruckt werden – eine weitere Kostenersparnis. Um allerdings den Wandel von der Schrittmacher- zur Schlüsseltechnologie zu vollenden, sind durchaus noch einige Hausaufgaben hinsichtlich Anpassungsentwicklung, Qualitätssicherung sowie der Implementierung rechtlicher Rahmenbedingungen zu erledigen.

Die Geschichte der Additiven Fertigung

Additive Herstellungsverfahren stellen keine wirklich neue Technologie dar, sie existieren in Form des Rapid Prototyping bereits seit den 80er Jahren und umfassen unterschiedliche Fertigungstechnologien. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie unterschiedliche Teile, gleich welcher Zusammensetzung und Bauart, durch schichtweises Auftragen von Material – meist Kunststoff oder Metall – auf ein Trägerkonstrukt herstellen und so einen Prototypen erschaffen. Das Potenzial, das in der additiven Fertigung hinsichtlich Gestaltungsspielraum und ‚product individuality‘ steckt, sprengt diese Einordnung natürlich sofort. Allerdings: Das perfekte Produkt allein macht es auch nicht. Ergänzend dazu braucht es perfektes Online- und Offlinemarketing (eine benutzerfreundliche und suchmaschinenoptimierte Webpage sollte im heutigen Wettbewerbsgeschehen selbstverständlich sein), schlanke Vertriebskosten sowie die Umsetzung des durch 3D-Technologien gegebenen Potenzials in konkrete Wettbewerbsvorteile.

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Bisher waren – wohl aus Kostengründen – vor allem die Big Player am 3D-Geschehen beteiligt, kleine und mittlere Unternehmen nutzten die Möglichkeiten bisher kaum. Das ist schade, denn diese könnten mindestens ebenso profitieren. Welche Seriengröße bei der additiven Fertigung als wirtschaftlich anzusehen ist, hängt hauptsächlich vom Umfang der Fertigung sowie der Beschaffenheit der Bauelemente ab. Je geringer Losgröße und Bauteilvolumen, desto größer die Kostenersparnis. Die größten Einsparungen gelingen meist dann, wenn komplexe Bauteilmodule in einem einzigen Bauelement untergebracht werden und dieses noch um zusätzliche Funktionen erweitert wird, wie das etwa im Sondermaschinenbau häufig der Fall ist. Hier fallen Einsparungen im Bereich Entwicklung, Produktion und Montage synergetisch zusammen, was erhebliche Kostenvorteile mit sich bringen kann. Angenehmer Nebeneffekt hierbei ist mitunter die eine oder andere Idee zur nächsten Produktinnovation.

Ein paar Zahlen zur Additiven Fertigung

Im Jahr 2013 erreichte der Umsatz mit 3D-Druckern weltweit etwa 700 Millionen US-Dollar, im Jahr 2014 waren es bereits um die 1,3 Milliarden – Tendenz steigend. Diese Entwicklung wird durch den Umstand begünstigt, dass der Anschaffungspreis von 3D-Druckern kontinuierlich günstiger und die Geräte fortlaufend leistungsstärker werden. So sind heute 3D-Drucker für den Hausgebrauch bereits für wenige hundert Euro erhältlich, Profigeräte kosten derzeit noch ab 8.000 Euro aufwärts. Additiv-generative Herstellungsmethoden verfügen zweifellos über großes Potenzial. In absehbarer Zeit werden wahrscheinlich zahlreiche Bauelemente, die heute noch nach konventioneller Methodik hergestellt werden, auf diese Weise produziert. Denn der Vorteil generativer Verfahren besteht hauptsächlich darin, dass selbst komplexe Bauteile jeder Bauart und Größe schnell und wirtschaftlich produziert werden können.

Da additive Technologien laufend weiterentwickelt und verbessert werden, wird es überdies in absehbarer Zeit zahlreiche Innovationen und Entwicklungsschübe geben. Die Verwendung geeigneter Materialien vorausgesetzt, werden fast alle Industriebereiche von der neuen Technologie profitieren. Denn durch die Individualisierbarkeit additiver Fertigungsmethoden können auch jene Produkte mit marktrelevanten Zusatzfunktionen ausgestattet werden, die jetzt noch starr am Förderband produziert werden. Im industriellen Bereich wird es sicherlich weitere Verbesserungen der Absatz- und Produktionsketten geben.