Advanced Manufacturing AM ist tot - lang lebe 'AM'

Autor / Redakteur: Matthias Kaiser - CEO, Exponential Technologies / Stefan Guggenberger

Um die Entwicklungen der industriellen Produktion in den kommenden Jahren zu verstehen, bedarf es eines Blicks über den Tellerrand der additiven Fertigung. ‚Advanced Manufacturing‘ ist hier das Stichwort.

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'Advanced Manufacturing' verknüpft 3D-Druck, Digitalisierung, Chemie und Biotechnologie. Konsequent umgesetzt hat dies Verbindung das Potenzial, die Welt der industriellen Fertigung zu revolutionieren.
'Advanced Manufacturing' verknüpft 3D-Druck, Digitalisierung, Chemie und Biotechnologie. Konsequent umgesetzt hat dies Verbindung das Potenzial, die Welt der industriellen Fertigung zu revolutionieren.
(Bild: gemeinfrei // unsplash // NASA)

Zu Beginn noch als Gadget oder für die reine Prototypenfertigung gesehen, hat die additive Fertigung in den letzten Jahren ein rasantes Wachstum erlebt, das vor allem von der industriellen Fertigung getragen wird. Dies wurde unter anderem durch neue Materialien, bessere Maschinen und Innovationen in den Bereichen Materialwissenschaften sowie KI erreicht. Der wichtigste Faktor für die Akzeptanz und Adaption der additiven Fertigung ist allerdings kein rein technischer Effekt, vielmehr ist es ein Umdenken in unserer Gesellschaft. Dieses Umdenken basiert vor allem auf dem Einzug und der Akzeptanz der Computerwissenschaften in allen Aspekten unseres Lebens und der damit veränderten Erwartungshaltung und Weltsicht.

Für den industriellen Sektor bedeutet dies, einen Shift von ‚Mass Production‘ zu ‚Mass customization‘. Dies wird zu weiteren, grundlegenden Veränderungen in der industriellen Fertigung in den nächsten Jahren führen. Im Kern stehen dabei Veränderungen, die weit über die Aspekte der additiven Fertigung hinausgehen und alle Bereiche der industriellen Herstellungen betreffen.

Materialien, Druckerparameter und neue Möglichkeiten

Neben neuen Design-Freiheiten durch additive Fertigungsmethoden erlaubt die starke Wechselwirkung zwischen Maschine und Material die Herstellung von Produkten mit Eigenschaften, die mit traditionellen Produktionsmethoden nicht möglich wären. So ist es beispielsweise möglich Aluminiumpulver in einem SLM-Prozess zu drucken , sodass das fertige Produkt ähnliche Eigenschaften hat wie herkömmlich gefertigte Titanteile. Da bei Flugzeugen aus wirtschaftlicher Sicht jedes Gramm zählt, kann 3D-Druck dazu beitragen, die Anschaffungs- und Betriebs-Kosten zu senken.

Digitale Materialien heben das Potenzial der additiven Fertigung

Prototyp eines Drohnenkörpers aus LW-PLA mit KI-optimierten Druckparametern und Form.
Prototyp eines Drohnenkörpers aus LW-PLA mit KI-optimierten Druckparametern und Form.
(Bild: Exponential Technologies)

Der logische nächste Schritt ist die Entwicklung von Materialien, die gezielt diese Eigenschaft von additiver Fertigung ausnutzen. Diese Materialien werden auch als digitale Materialien bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist LW-PLA. Bei diesem Material kann im FFF-Fertigungsverfahren die Dichte des gedruckten Materials durch die Spritztemperatur angepasst werden. Dies kann unter anderem im Drohnenbau verwendet werden, um ultraleichte aber dennoch robuste Fluggeräte herzustellen. In den kommenden Jahren ist mit einer Vielzahl solcher Materialien zu rechnen, die immer komplexere Eigenschaften aufweisen.

Diese neuen Möglichkeiten bringen allerdings auch neue Herausforderungen mit sich, da Druckerparameter für bestimmte Materialeigenschaften sehr genau bestimmt und kontrolliert werden müssen. Diese kann zunächst dazu führen, dass die Kosten für die Entwicklung von neuen Materialien ansteigen. Im Weiteren ist eine Verlängerung der Entwicklungszeiträumen von Materialien und neuen Produkten möglich. Smarte Lösungen sind hier gefragt.

Exponentielle Fertigung, Interdisziplinarität und die Space-Economy

Nicht erst seit der COVID-19-Pandemie ist die Biotechnologie in aller Munde. Die Möglichkeiten sind enorm und Biotechnologien wecken die Hoffnung, Krankheiten und sogar das Altern selbst zu heilen. Allerdings gibt es jetzt schon praktische Anwendungen, wie den 3D-Druck von Organen. Dazu werden bioverträgliche Kunststoffe verwendet, um eine Matrix, zum Beispiel die eines Herzens, zu drucken. Auf der gedruckten Matrix wachsen dann menschliche Stammzellen. Eine andere Anwendungen von biotechnologischen Prozessen ist beispielsweise die Umwandlung von Treibhausgasen in verschiedene chemische Rohstoffe. Diese können dann für die Produktion von 3D-druckbaren Plastik verwendet werden. Dies ist nur ein Beispiel für die enorme Vernetzung zwischen Chemie, Biotechnologie und additiver Fertigung.

Eine treibende Kraft für die Vereinigung dieser drei Industrien wird in den kommenden Jahrzehnten die Space-Economy sein. Das Gewinnen und Verwerten von Rohmaterialien im Weltraum bedarf vieler neuer Innovationen. So muss die Nahrungsmittel-, Medikamenten-, Ersatzteilversorgung auch an extrem abgelegenen Orten gewährleistet werden können. Und wenn lebenswichtige Vorräte aus Gewichtsgründen nicht transportieren werden können, müssen diese vor Ort 3D-gedruckt werden. Diese Überlegungen werden von privaten Unternehmen in Zusammenarbeit mit der NASA bereits umgesetzt: Ein Projekt der texanischen Firma Icon arbeitet daran eine Mondbasis per 3D-Druck zu erstellen.

Künstliche Intelligenz, Datenströme und Quantencomputer

Die Vereinigung von Chemie, Biotechnologie und additiver Fertigung wird aber auch zu neuen Herausforderungen führen. Die Entwicklung von Materialien und Prozessen, die Optimierung und Überwachung der Produktion und die Vereinigung von Datenströmen wird neue, intelligente Softwareprodukte erfordern. So werden in naher Zukunft KI-Anwendungen in der Entwicklung, Überwachung und Optimierung von Produktionsprozessen und Materialien unerlässlich werden. Quantencomputer in Verbindung mit KI-Algorithmen werden beispielsweise die schnelle und effektive Simulation und Optimierung von Materialien auf molekularer Ebene ermöglichen.

Für die effektive Optimierung von R&D-Prozessen wird die Verwendung von sogenannten Small-Data-Algorithmen, welche die Optimierungen auf Basis von nur wenigen Datenpunkten ermöglichen, zum Standard werden. Diese Algorithmen unterstützen schon heute bei der Druckerparameter- und Materialentwicklung.

Allerdings, egal ob Small- oder Big-Data, um das volle Potenzial von KI-basierten Lösungen zu nutzen, bedarf es einer industrieübergreifenden Standardisierung von Datenströmen und Datenerzeugung. Hier gibt es Nachholbedarf in der Industrie, allerdings auch vielversprechende Lösungsansätze.

Advanced Manufacturing als Lösungsansatz

Die Verbindung von Chemie, Biotechnologie, additiver Fertigung mit digitalen Werkzeugen wird dann eine neue Industrie aus der Taufe heben, nämlich ‚Advanced Manufacturing‘. Advanced Manufacturing hat das Potential eine neue industrielle Revolution zu starten, die zu nie zuvor existierendem Wohlstand und Lebensstandard aller Menschen führen wird. Bis dahin gibt es aber noch viel zu tun, also Ärmel hochkrempeln und los!

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