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Additive Fertigung

3D-Druck: Stand der Technik

| Autor: Peter Reinhardt

3D-Druck rückt immer stärker ins Bewusstsein der Öffentlichkeit – und hat schon längst Experten in vielen Bereichen der Industrie begeistert. Daher lohnt es sich, auch Entwicklungen abseits der eigenen Branche zu verfolgen.

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Im Stereolithografie-Verfahren gefertigte transparente Bauteile.
Im Stereolithografie-Verfahren gefertigte transparente Bauteile.
(Bild: Protolabs)
  • Keramik drucken: die nächste Generation intelligenter Fertigung
  • Schicht für Schicht war gestern – und achtmal schneller drucken
  • Auswahl des richtigen Verfahrens ist noch immer eine Herausforderung

Nähern wir uns dem Thema von ganz weit weg. An Bord der Internationalen Raumstation ISS geht ein wichtiges Element einer Forschungsstation kaputt – und Ersatzteile befinden sich nicht an Bord. Mal eben schnell zur Erde fliegen oder Ersatz bei den Kollegen am Boden bestellen, ist leider nicht möglich.

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3D-Scanner nach den Vorgaben der NASA

Früher wäre dies das Ende der Forschung gewesen, doch mittlerweile gibt es einen Ausweg: additive Fertigung. Die Astronauten packen entsprechende Geräte aus, scannen das defekte Teil, entwickeln es eventuell zurück und drucken es anschließend aus – voilà. Der 3D-Spezialist Artec 3D modifizierte dafür eigens einen seiner mobilen 3D-Scanner nach den Vorgaben der NASA für die Verwendung im Weltall. Im Hybrid Reality Lab der NASA werden 3D-Scans von Werkzeugen und anderer Ausrüstung, die die Astronauten ins Weltall mitnehmen, angefertigt.

Das Szenario lässt sich beliebig auf andere Bereiche anwenden: Kreuzfahrtschiffe, entlegene Forschungsstationen in der Arktis und vieles mehr. Kurz: Wo früher keine Hilfe möglich war, freuen sich die Menschen vor Ort heute über komplett neue Möglichkeiten und Auswege. Doch die Vorteile der additiven Fertigung beschränken sich nicht auf abgelegene Orte, sondern sind längst im mitten in der Gesellschaft angekommen.

3D-Drucker für Hochleistungskeramiken

Noch vergleichsweise neu ist, dass Medizinern neben Kunststoffen und Metallen heute auch 3D-Drucker für Hochleistungskeramiken zur Verfügung stehen. Die Lithoz GmbH, 2011 von Absolventen TU Wien als Start-Up in Wien gegründet, bringt dafür im zweiten Halbjahr 2019 ein neues Konzept intelligenter 3D-Drucktechnik für Keramikteile auf den Markt. Produziert wird das System vom Auftragsentwickler- und fertiger Wild. Entsprechend bioinerte oder bioresorbierbare Keramiken verfügen über Eigenschaften, die eine Vielzahl neuer Anwendungen in der Medizin ermöglichen. Von Implantaten mit makroporöser Struktur, die ein Einwachsen von körpereigenem Knochengewebe erlauben bis hin zu Scaffolds, die der Körper eigenständig nach einer gewissen Zeit wieder abbaut und durch eigenes Gewebe ersetzt.

Ein Beispiel: Bei massiven Trümmerfrakturen des Kiefers oder einer Knochenresektion aufgrund von Knochentumoren ist der Knochen nicht mehr in der Lage, eigenständig zu verheilen. Mit dem System von Lithoz kann ein Käfig aus hochfestem Zirkonoxid hergestellt werden, der die Einheilphase unterstützt und aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität an Ort und Stelle verbleiben kann. Das Innenvolumen eines derartigen Implantats besteht aus bioresorbierbarem Beta-Tricalciumphosphat (β-TCP). Dieses weist sehr gute osseointegrative Eigenschaften auf. Im Laufe der Zeit wird es von Zellen resorbiert und durch neu gebildeten Knochen ersetzt. Die Kombination von resorbierbaren Scaffolds und hochfester Keramik schafft ein Hybridsystem, das mechanisch belastbar ist und gleichzeitig optimierte Bedingungen für eine Knochenregeneration schafft.

3D-Druck mit Kupfer

Noch vergleichsweise neu ist auch der 3D-Druck von Kupfer. Als eine der ersten Auftragsfertiger in Europa, hat Protolabs in diese Technologie investiert. Verfahren der Wahl ist hier das direkte Metall-Lasersintern (DMLS). „Jede Schicht ist nur 20 µm dick und damit dünner als bei Verfahren anderer Hersteller. Das bedeutet, dass Sie von uns Kupferteile mit einer glatteren Oberfläche erhalten als von anderen 3D-Druck Anbietern“, begründet Protolabs die Entscheidung fürs DMLS. Das verwendete niedriglegierte Kupfermaterial erlaubt Geometrien zu entwickeln, die mit CNC-Bearbeitung nicht realisierbar wären, zum Beispiel gewichtsparende Wabenstrukturen und andere komplexe Innenmerkmale wie Kanäle, bei denen die Vorteile des Ausgangsmaterials eine entscheidenden Rolle spielen. Das wird vor allem in der Elektrotechnik geschätzt, wo es auf hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit sowie gute mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit ankommt.

Neues Fertigungsverfahren von Forschern aus Kalifornien

Ein völlig neu entwickeltes additives Fertigungsverfahren kommt von Forschern aus Kalifornien. Mit der Computed Axial Lithography (CAL) ist es möglich, ganze Objekte auf einmal zu erstellen, statt sie Schicht für Schicht aufzubauen. Der sogenannte Replikator projiziert Licht in ein Harz, welches sich unter bestimmten Bedingungen verfestigt. So lassen sich schnell Prototypen von relativ kleinen, transparenten Teilen herstellen.

Das Gerät funktioniert „wie ein CT-Scan im Rückwärtsgang“, erklärt Hayden Taylor von der University of California in Berkeley. Anhand des Computermodells eines 3D-Objekts berechneten die Forscher, wie es aus vielen verschiedenen Blickwinkeln aussieht. Anschließend speisen sie die resultierenden 2D-Bilder in einen Projektor ein. CAL erhärtet dann selektiv eine lichtempfindliche Flüssigkeit (Acrylat, einer Art Kunstharz) innerhalb eines enthaltenen Volumens. Die verbleibende Flüssigkeit wird anschließend entfernt und es bleibt das feste 3D-Objekt zurück.

Der Prozess besitzt gegenüber herkömmlichen 3D-Druck verschiedene Vorteile. Die resultierenden Strukturen weisen glattere Oberflächen auf, was zum Beispiel für optische Komponenten interessant ist. Darüber hinaus kommt der schnelle Fertigungsprozess ohne Stützstrukturen aus.

Ultra-schneller 3D-Drucker für großvolumige Kunststoffbauteile

Aber auch hier in Deutschland wird die additive Fertigung weiterentwickelt. Forscher des Fraunhofer IWU haben einen ultra-schnellen 3D-Drucker für großvolumige, belastbare Kunststoffbauteile entwickelt, der eine um den Faktor acht gesteigerte Prozessgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Systemen erreicht. Er basiert auf dem Screw Extrusion Additive Manufacturing (SEAM), das Werkzeugmaschinentechnologie und 3D-Druck kombiniert. Für die Fertigung eines 30 cm hohen Bauteils aus Kunststoff benötigt die Highspeed-Technologie lediglich 18 min.

Neues Designpotenzial in der Medizintechnik

Derweil beweist ein junges Schweizer Unternehmen, wie der Spagat zwischen der Herstellung von Prototypen und Kleinserien gelingt. Die EEM AG produziert verschiedene gesundheitsfördernde Produkte. Flaggschiff ist ein patentierter Spezialstuhl, der binnen zehn bis 20 Minuten mit einem innovativen Verfahren den Rücken entspannt. Um möglichst ohne Umwege Komponenten mit beliebiger Geometrie herstellen zu können, setzt EEM seit Beginn der Entwicklung seiner Grow Chairs aufs selektive Lasersinterns (SLS). Insgesamt über 20 funktionale Objekte pro Entlastungsstuhl werden mittlerweile im 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Zwar befinden sich die Stühle noch in einem fortgeschrittenen Prototypenstadium. Doch in den bisher produzierten Exemplaren walten die 3D-gedruckten Objekte nicht als Platzhalter für Spritzgussteile der Großserie, sondern sind voll funktionstauglich.

Doch der Weg dahin ging über die durchaus typische Fragestellung: Welches Verfahren ist das geeignete? Damit hat sich bei EEM Entwicklungsleiter Cyrill Aemisegger beschäftigt. Schnell bemerkte er, dass seine Anforderungen hoch waren. So kamen für ihn die FFF-Technologie (Fused Filament Fabrication) und das FDM (Fused Deposition Modeling). wegen der hier erforderlichen Stützstrukturen nicht in Frage. Der Entwicklungsleiter erklärt: „Das damit verbundene Post-Processing wäre zu aufwendig gewesen.“ Ein Problem, das viele kennen. Prozesse der additiven Fertigung werden nicht immer bis zum Ende, dem Finish, durchdacht. Anwender riskieren damit sogar Funktionsbeeinträchtigungen, denn nicht selten mangelt es nicht nur am notwendigen Wissen, sondern auch an den entsprechenden Werkzeugen.

Aber zurück zur Verfahrensauswahl bei EEM. Auch das Stereolithografie (SLA) entsprach nicht den Anforderungen von Aemisegger. Vor allem, weil die damit gedruckten Teile mechanisch zu wenig belastbar wären und aufwendig nachbearbeitet werden müssten. Letztlich fiel seine Wahl auf das selektive Lasersintern (SLS). Mit dieser Technik wird nun zum Beispiel das Schnellverschluss-System für die Nackenstütze des Grow Chair mit zwei ineinander gedruckten, beweglichen Teilen hergestellt.

Gedruckte Elektronik: Weg in die 3. Dimension ist vorgezeichnet

Den Weg von gedruckter Elektronik in die dritte Dimension hat Keynote-Speaker Wolfgang Mildner, Inhaber von MSW Tech, beim 2. Praxisforum 3D-gedruckter Elektronik schon im vergangenen September vorgezeichnet. Denn mithilfe dieser Technologie ist es auch möglich, kompakte und höchstintegrierte Elektronik herzustellen, um neue Märkte zu erschließen. Gedruckte Elektronik – egal, ob in zwei oder drei Dimensionen – könne zwar (noch) nicht mit der Leistung konventioneller Elektronik mithalten, da der Fokus gedruckter Elektronik jedoch die Herstellung großflächiger, günstiger Strukturen sei, sei dies nicht zwingend ein Nachteil.

Potenziale sieht Mildner viele, beispielsweise bei OLED Displays. Noch werden diese nicht gedruckt, aber schon alleine die verwendeten Materialien würden dies ermöglichen. Die Displays, und natürlich auch andere Bauteile, Bauelemente usw., wären dann nicht mehr auf eine feste Ebene beschränkt. Mit gedruckter Elektronik lassen sich gebogene, dehnbare, flexible und natürlich auch 3D-Elektronik herstellen. Herausforderungen gibt es dabei noch viele. Dazu zählt auch hier die Auswahl des richtigen Verfahrens. Um neue Märkte zu erschließen, sei zudem die Kombination verschiedener Verfahren nötig – was jedoch die Komplexität der Prozesse maßgeblich erhöht. Vielversprechend seien auch hybride Ansätze, bei denen beispielsweise Standard-Silizium-Elektronik in gedruckte Strukturen integriert wird. In kleinem Maßstab (hier ist die Abmessung gemeint) hat gedruckte Elektronik in der dritten Dimension schon Einzug in die Serienfertigung gefunden: In jedem modernen Smartphone befindet sich heute 3D-gedruckte Antennen die direkt auf dem Gehäuse aufgebraucht sind.

Auch Batterien kommen künftig aus dem Drucker. Evonik hat hierzu auf der Fachmesse Lopec Ende März in München eine neue Materialtechnologie präsentiert. Taettooz auf Basis von sogenannten Redox-Polymeren kann mit gängigen Druckverfahren zu sehr dünnen, biegsamen Batteriezellen verarbeitet werden. Das gibt Entwicklern ein hohes Maß an Design-Freiheit. Biegsame Batteriezellen ermöglichen es, elektrische Energie zu speichern, ohne dafür Metall oder Metallverbindungen einsetzen zu müssen. Die mit der Taettooz-Technologie gefertigten Batteriezellen kommen zudem ohne flüssigen Elektrolyten aus und können daher nicht auslaufen. Als strategische Innovationseinheit von Evonik sucht Creavis nun Entwicklungspartner, um die Technologie in bestehende und neue Anwendungen zu integrieren. Dazu Dr. Michael Korell, bei Evonik für die Entwicklung dieser Technologie zuständig: „Wir bieten eine Lösung, mit der kleine elektronische Schaltungen nun auch über gedruckte Batterien effizient, verlässlich und umweltfreundlich mit Strom versorgt werden können.“ Mit der Serienreife könne sie zum Beispiel medizinische Sensoren zur Überwachung von Vitalfunktionen sehr viel komfortabler tragbar machen.

Messen für additive Fertigung in Deutschland

Es lohnt sich also, auf den einschlägigen Fachmessen nach Neuheiten zu suchen. Alleine hier in Deutschland fokussieren drei Messen auf die additive Fertigung. Die längste Historie bringt hierbei jährlich im Juni die Rapid.Tech + FabCon 3.D in Erfurt mit.

Shooting-Star ist eindeutig die Formnext in Frankfurt, die es binnen weniger Jahre zur Weltleitmesse für additive Fertigung und die nächste Generation intelligenter industrieller Fertigung gebracht hat. Diese rekordverdächtige Entwicklung setzt sie auch 2019 fort. Bereits im März hatten sich 518 Aussteller für die Formnext 2019 angemeldet. Das ist ein erneuter deutlicher Zuwachs gegenüber dem Vorjahreszeitraum. Die belegte Fläche für die Formnext 2019 hat somit bereits rund ein halbes Jahr vor Beginn der Messe den des Jahres 2018 übertroffen. Eine starke Entwicklung zeigt dabei der bereits mehrfach erwähnte Bereich Postprocessing.

Das dynamische Wachstum der Formnext geschieht in einer Branche, die seit Jahren zweistellig aufwärts strebt und inzwischen ein Volumen von über 10 Mrd. Euro erreicht hat. Auch für die nächsten Jahre prognostizieren verschiedene Marktforscher und Branchenexperten ein weiterhin hohes Wachstum von rund 20 Prozent jährlich.

Fachmesse im Multi-Location-Format

Um in diesem Wettbewerbsumfeld als Newcomer eine Chance zu haben, muss sich ein Messemacher schon etwas einfallen lassen. Genau das haben die Verantwortlichen der Messe Augsburg getan. Die Experience Additive Manufacturing ist zwar (noch) deutlich kleiner als die beiden anderen Messen, verdient aber als Fachmesse im Multi-Location-Format durchaus Beachtung. Auch die EAM orientiert sich an der kompletten Wertschöpfungskette für additive Fertigung und überzeugte bei ihrer Premiere im vergangenen Jahr mit zahlreichen Veranstaltungen rund um die Messe. AM-Neuigkeiten, Prozesse, Dienstleistungen und Produkte, vor allem in den Bereichen Mobility und Automotive, Luft- und Raumfahrt, Werkzeug- und Formenbau, Maschinen- und Anlagenbau sowie Medizin- und Dentaltechnik waren zu sehen.

„Ich freue mich, dass es uns gelungen ist, das Thema additive Fertigung bzw. 3D-Druck, zu besetzen. Die Premiere stimmt mich äußerst zuversichtlich. Meine Erwartungen wurden übertroffen. Es war eine feine und kreative Messe in sehr wertigem Ambiente und mit einer klaren Struktur. Das ist eine erstklassige Basis für die Fortsetzung in 2019“, so Gerhard Reiter, Chef der Messe Augsburg.

Mittel aus Digitalpakt für 3D-Drucktechnologie nutzen

Was es dazu neben innovativen Technologien letztlich braucht, sind gut ausgebildete Fachkräfte. Ganz früh anzusetzen fordert in diesem Zusammenhang der Verband 3D Druck. 3D Drucker und die begleitende Ausbildung seien als Standard in Schulen zu etablieren. Dafür solle ein angemessener Anteil der bereitgestellten Mittel des Digitalpaktes eingesetzt werden. „Der 3D-Druck liefert enorme Möglichkeiten, den Unterricht in den verschiedensten Fächern zu verändern, Lerninhalte im wahrsten Wortsinne begreifbar zu machen und digitale Medien praxisnah in den Unterricht zu integrieren“, so der Verband. Gerade in den sogenannten MINT-Fächern könne 3D-Druck helfen, komplexe Theorien verständlich darzustellen, Schüler besser einbeziehen und so zur Problemlösung anregen. „Wenn unser Kultur-Föderalismus tatsächlich funktioniert, dann werden sich diejenigen Schulen, die ihren Schülern die Technik von morgen nahebringen wollen, Geld investieren, um ihre Schüler mit der additiven Fertigung vertraut zu machen“, so der Vorsitzender des Verbands Dr. Justus Bobke

Dafür hat die Initiative Digital Genial3D als Kooperation verschiedener Partner aus Industrie, Handel und Verlagswesen ein 3D-Lernset, bestehend aus Hardware, Unterrichtsmaterial und Lernvideos, entwickelt, das Schüler unterstützt, die Grundlagen des 3D-Drucks zu entdecken. Flächendeckend eingesetzt, muss man sich um die Zukunft der additiven Fertigung keine Sorgen mehr machen.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Devicemed erschienen.

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