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Additive Fertigungsverfahren auf Erfolgskurs

3D-Druck eröffnet neue Dimensionen

| Redakteur: Konrad Mücke

Zu den aktuellen Trends beim 3D-Druck sprachen wir mit Martin Folie, Vertriebsleiter Additive Fertigung und 3D-Drucker bei alphacam swiss GmbH in Winterthur. 3D-Druck kann Kosten senken, Durchlaufzeiten verkürzen und bisher undenkbare Bauteilgeometrien ermöglichen.

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Impulse für den Leichtbau: Mit 3D-Druck lassen sich Bauteile mit individuell auf die Beanspruchung optimierter Struktur und minimaler Masse herstellen
Impulse für den Leichtbau: Mit 3D-Druck lassen sich Bauteile mit individuell auf die Beanspruchung optimierter Struktur und minimaler Masse herstellen
( Bild: Ecoparts AG )

SMM: Welche Trends sehen Sie derzeit beim Additive Manufacturing?

Martin Folie: Sehr im Vordergrund steht nach wie vor das Thema Rapid Prototyping. Unternehmen, die bis anhin sich wenig mit 3D-Druck beschäftigen konnten, haben jetzt bemerkt, dass es sich beim 3D-Druck um eine ernsthafte Technologie handelt und nicht nur um einen kurzen Hype. Deswegen sind 3D-Drucker immer noch interessant, wenn es darum geht, Bauteile schnell zu fertigen, die als Anschauungsobjekte, Funktionskontrollen, Variantenvergleiche dienen. Oder wenn einfach nur verlangt wird, eben mal ein Bauteil in der Hand halten zu können.

Der zweite Trend ist die Produktion mit dem Verfahren 3D-Druck, also tatsächlich Additive Manufacturing - AM. Hier ist der Markt soweit, dass sich Unternehmen, die sich bereits mit 3D-Druck beschäftigen, Anwendungen entdecken, in denen sie durch 3D-gedruckte Bauteile einen größeren Vorteil erzielen. Sei es, dass sie Kosten senken, Produktionszeiten verkürzen oder komplette Baugruppen in einem Ablauf mit 3D-Druck fertigen. Aber Anwender sehen zunehmend auch den Vorteil, Bauteile ohne geometrische Grenzen zu produzieren. Sie können also Bauteile konstruieren, die mit konventionellen Herstellverfahren nicht herstellbar sind. Das ermöglicht allein das Arbeiten mit der 3D-Drucktechnologie.

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Wichtig ist aus meiner Sicht dabei, den Fokus auf neue entwickelte Bauteile zu richten. Dabei ist schon bei der Ideenfindung in den Entwicklungsprozessen der 3D-Druck als mögliches Herstellungsverfahren zu berücksichtigen. Somit erschließt sich der große Vorteil des 3D-druckgerechten Konstruierens – die umfassende Konstruktionsfreiheit. Das setzt aber ein Umdenken der Entwickler und Konstrukteure voraus. Dieses Umdenken ist ein Lernprozess, mit dem sich Fertigungsbetriebe befassen müssen, Das betrifft alle Abteilungen, wie Entwicklung, Konstruktion, Produktion, Marketing, Montage und Design. Sie müssen die Eigenheiten des 3D-Drucks kennenlernen. Erst wenn die Mitarbeiter begreifen, was mit 3D-Druck alles möglich ist, kann der 3D-Druck und somit die Additive Fertigung ihr volles Potenzial entwickeln.

Wie werden die 3D-Druckmaschinen in naher Zukunft weiterentwickelt?

M. Folie: Der 3D-Druck mit Kunststoff wird in Zukunft vor allem schneller und es werden mehr Materialien druckbar sein. Die Geräte werden besser werden, aber dadurch auch teurer. Speziell Industriegeräte werden deutlich schneller arbeiten. Das hat Stratasys mit den 3D-Druckern Stratasys Infinite-Build 3D Demonstrator und dem Robotic Composite 3D Demonstrator vor zwei Jahren auf der Messe IMTS in Chicago gezeigt. Der Robotic Composite 3D Demonstrator wurde zusammen mit Siemens in nur zwei Monaten entwickelt. Er arbeitet mit acht Achsen. Ein Robotergreifarm führt eine FDM-Düse und druckt auf einen drehbaren Schwenktisch Bauteile aus Polyamid PA12, das 35% Karbonfasern enthält. Da der Drucker kein Stützmaterial benötigt und da der Kunststoff in der Düse sehr schnell fließt, dauert der 3D-Druck eines 250 mm hohen Bauteils mit 135 mm Durchmesser nur etwa 43 Minuten. Dies ist in der heutigen FDM-Technologie sonst nicht möglich.

Der 3D-Drucker Stratasys Infinite-Build 3D Demonstrator druckt horizontal und somit endlos. Der Drucker ist im Rückenbereich offen. So kann er mehrere Meter lange Bauteile erzeugen. Die Geschwindigkeit an der Düse beträgt derzeit 0,245 m/s. Grund dafür ist eine neue Kopftechnologie beim FDM-Druck. Sie arbeitet mit Granulat und einem Extruder, ähnlich wie der Spritzguss. Mit diesem 3D-Drucker sind Geschwindigkeiten bis 0,508 m/s möglich. Theoretisch kann diese neue Kopftechnologie Geschwindigkeiten von 2,54 m/s verwirklichen. Das ist in aktuellen Vergleichen schon sehr schnell. Speziell für die Produktion großer Bauteile ist das natürlich besonders vorteilhaft.

Auch andere Verfahren, wie Lasersintern, Stereolithograpie und Multijet-Fusion, werden durch höhere Geschwindigkeiten und größere Materialvielfalt in Zukunft punkten können.

Wie steht es um die Qualitätssicherung der 3D-gedruckten Bauteile, speziell bei Anwendungen für Medizin, Automobil und Luftfahrt?

M. Folie: Es gibt mittlerweile einige Materialien auf dem Markt, die für die speziellen Anwendungen zertifiziert wurden. Vor allem im Bereich Medizin gibt es biokompatible Materialien, die auch mit Schleimhäuten in Kontakt treten können. Implantierbare Materialien sind auch schon auf dem Markt. Allerdings gibt es dafür noch keine Langzeitstudien.

Für die Luft- und Weltraumfahrtindustrie stehen zertifizierte Kunststoffe und Metalle für den 3D-Druck zur Verfügung. Von Stratasys gibt es dazu inzwischen eine zertifizierte Maschine. Sie kann Bauteile für die Luft- und Raumfahrt, aber auch für Schienenfahrzeuge und Automotive-Anwendungen fertigen. Der Vorteil dieser speziellen Bauteile sind hier vor allem der Leichtbau und die weitreichende Formfreiheit. Eine neue, sehr spannende Anwendung ist die schnelle Ersatzteillieferung. Das ist speziell für Luftfahrzeuge gefragt.

Welche Peripherie und welche Software wird nach Ihrer Meinung in den kommenden ein bis zwei Jahren noch verwirklicht werden müssen, damit 3D-Druck den Forderungen der industriellen Anwender entspricht?

M. Folie:CAD-Hersteller sind schon mit Modulen auf dem Markt, die Bauteildaten direkt vom CAD-Programm auf den 3D-Drucker senden können. Aktuelle Softwaren können topologische Optimierungen der Geometrie an Bauteilen berechnen und diese auch noch bearbeiten, um Verbindungsstellen zu anderen Bauteilen zu modellieren. Darüber hinaus werden die Softwarehersteller in Zukunft den Ablauf des Druckprozesses berücksichtigen und beeinflussen. So kann man zum Beispiel verhindern, dass bei dünnen Wänden und Kanten der Werkstoff verbrennt.

Stratasys hat mit dem GrabCAD Print eine innovative Software speziell für den industriellen 3D-Druck verwirklicht. Sie ist derzeit allein für Produkte dieses Herstellers verwendbar. Da sie kontinuierlich erweitert wird, wird sie in Zukunft auch in Verbindung mit 3D-Druckern anderer Hersteller nutzbar sein.

Wie beurteilen Sie die Chancen auf eine 'echte' Serienfertigung mit Additive Manufacturing, also Mengen von einigen tausend oder zehntausend Bauteilen pro Jahr? Wird man das in absehbarer Zukunft durch Automation bewältigen können?

M. Folie: Das ist eine gute, schwierig zu beantwortende Frage. Ich meine, dass mit den jetzigen 3D-Drucktechnologien zwar noch viel Verbesserungspotential hinsichtlich der Geschwindigkeit möglich ist. Aber wir werden bei einigen zehntausend Bauteilen pro Jahr schnell an Grenzen kommen.

Als Beispiel möchte ich den Hersteller Desktop Metal erwähnen. Er beabsichtigt, Ende des Jahres 2019 eine Metall-3D-Produktionsmaschine auf den Markt zu bringen. Sie soll fähig sein, innert 24 Stunden 500 Wasserpumpenräder für die Wasserpumpe des Motor-Kühlkreislaufs an Pkw zu produzieren. Dies sind die reinen Druckzeiten ohne den nachfolgenden Sinterprozess. Bei 500 Bauteilen täglich auf einer Maschine können im Jahr dann schon mal 180000 Stück produziert werden. Das kann man bereits als Serienproduktion bezeichnen. Arbeiten mehrere dieser 3D-Drucker in einer Produktionshalle, sind wir bei einer 'echten' Produktion in Großserien angelangt. Aber wir sollten offen sein für Überraschungen. Vieles wird noch möglich werden in den kommenden Jahren.

Was sollten Interessenten und Anwender selbst leisten und vorab bedenken, damit sie 3D-Druck effizient und wirtschaftlich einsetzen können?

M. Folie:M. Folie: Wie schon erwähnt ist das Arbeiten mit dem 3D-Druck das Wichtigste, um das Potenzial der 3D-Drucks voll auszuschöpfen. Auch sich laufend über Neuigkeiten zu informieren gehört dazu. Meiner Meinung nach sollte ein Unternehmen heute mindestens einen Mitarbeiter beauftragen, der sich fortlaufend um Neuigkeiten, Weiterentwicklungen und Tendenzen in der Welt der Technik beschäftigt. Je nach Größe des Unternehmens kann er dafür jeweils einige Tage monatlich oder bei größeren Unternehmen sogar in Vollzeit beschäftigt sein. Für viele Unternehmen ist es besonders fordernd, mit der heutigen Entwicklungsgeschwindigkeit auf dem weltweiten Markt Schritt zu halten. Der Informationsfluss wächst jährlich exponentiell. In einigen Jahren werden wir nur noch Spezialisten antreffen, da ein Einzelner die Informationen gar nicht mehr aufnehmen und verarbeiten kann.

Welche Aus- und Weiterbildungsangebote können Sie nennen?

M. Folie: Für den 3D-Druck gibt es bereits lohnende Trainings und Weiterbildungen von Institutionen und von einigen Herstellern der 3D-Drucker. Beispielsweise die Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Winterthur bietet seit einigen Jahren schon Lehrgänge und akademische Studieninhalte zum 3D-Druck. Ebenso gibt es vom Hersteller Stratasys workshops. Experten der Stratasys Academy vermitteln umfassendes Fachwissen, vom sachgerechten Konstruieren für den 3D-Druck bis zum Betreiben und Bedienen spezifischer 3D-Drucker. Ausschließlich Spezialisten von Alphacam sind als Trainer für den gesamten deutschsprachigen Raum zertifiziert.

Das Interview führte Konrad Mücke SMM

Dieser Artikel ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Schweizer MaschinenMarkt erschienen.

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