3D-Druck mit Kunststoffen: aktuelle Anwendungen und Ausblick

Der Markt für den industriellen 3D-Druck hat in den letzten Jahren signifikant an Dynamik zugelegt. Lange Zeit fand die Technologie vor allem zum Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen Einsatz, wo sie die Produktentwicklung für Unternehmen erheblich beschleunigte. Heute hat die additive Fertigung (additive manufacturing / AM) einen Reifegrad erreicht, der es Kunden ermöglicht, Komponenten und Endteile in Serie herzustellen. Das liegt vor allem an dem robusten und stabilen AM-Bauprozess, der mittlerweile möglich ist. So können Bauteile mit einer sehr hohen Qualität additiv gefertigt werden – und das reproduzierbar und zuverlässig. Der immer schneller werdende Bauprozess und eine zunehmende Automatisierung von vor- und nachgelagerten Prozessschritten sorgen gleichzeitig dafür, dass die Systeme stetig produktiver und letztlich die Stückkosten geringer werden.

Doch gerade für die Serienfertigung muss man differenzieren, denn derzeit etablieren sich unterschiedliche AM-Technologien für unterschiedliche Anwendungen. So ist FDM (Fused Deposition Modeling, deutsch: Schmelzschichtung) beispielsweise ein – auf den Drucker selbst bezogen – kostengünstiges aber langsames Fertigungsverfahren für Anwendungen mit üblicherweise niedrigeren Anforderungen an die Bauteileigenschaften. Im Vergleich sind Pulverbettverfahren sowohl bezüglich Bauteilkosten, Geschwindigkeit als auch Reproduzierbarkeit am besten für Serienanwendungen geeignet. Das führende Pulverbettverfahren wiederum ist das Laser-Sintern. Diese Technologie wird unter anderem von EOS angeboten. Das Unternehmen hat als Pionier die Entwicklung der Technologie wesentlich mitgeprägt.

Der spannende Markt der Serienanwendungen findet also mit der pulverbettbasierten Technologie statt – und das nicht nur im Bereich der Metallmaterialen, sondern auch bei Polymerwerkstoffen. Fertigungsdienstleister wie das deutsche Unternehmen Hasenauer & Hesser haben bereits tausende Serienteile aus Kunststoffen additiv gefertigt. Der Grund ist letztlich simpel: Warum AM nur für Prototyping einsetzen, wenn die gefertigten Teile qualitativ so hochwertig sind?! Anwendungsbereiche gibt es dabei viele.

Generell kann die additive Fertigung in allen Industrien Vorteile erschließen. Es kommt allerdings immer darauf an, das passende Bauteil zu identifizieren. Ideal eignen sich Teile, die eine hohe Design-Komplexität sowie ein geringes Gewicht-zu-Volumen-Verhältnis haben – also die Kombination von Leichtbau und komplexen Geometrien. Stehen diese Anforderungen im Fokus, kann der 3D-Druck sein Potenzial voll ausspielen. Entsprechend gibt es Industrien, die diese Vorteile früh erkannt haben, darunter die Luft- und Raumfahrt oder der Medizinbereich. Plus medica OT beispielsweise bringt traditionelle Verfahren der Orthopädietechnik mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks zusammen und bietet patientenindividuelle Kunststofforthesen, additiv gefertigt. Ein Ansatz der so erfolgreich ist, dass das Unternehmen im Mai 2018 in der Mehrheit von global player Ottobock übernommen wurde. Aber auch für Produkte im Lifestyle-Bereich findet AM-Anwendung: Realität sind zum Beispiel bereits maßgeschneiderte additiv gefertigte Brillen, bei denen Gestell und Gläser auf Basis eines 3D-Scanns an die individuellen Gesichtszüge des Trägers anpasst werden, oder Turnschuhe mit einer 3D-gedruckten Sohle. Der US-amerikanische Sportartikelhersteller Under Armour ist beispielsweise eine strategische Partnerschaft mit EOS im Bereich Footwear eingegangen.

Diese Beispiele verdeutlichen zwei weitere Vorteile der Technologie. Das eine sind schnelle Durchlaufzeiten: Von der Idee über die Vorserie bis zum Serienprodukt muss es nicht mehr Monate oder Jahre dauern, sondern nur noch Wochen. Der andere Aspekt ist die Möglichkeit zur „Customization“. Die Individualisierung von massenproduzierten Gütern ist ein wachsender Markt – und dem 3D-Drucker ist es egal, ob er in einem Bauzyklus 50 identische oder 50 individuelle Teile produziert.

Auch die Automobilindustrie setzt in diesem Kontext immer stärker auf den 3D-Druck. MINI bietet unter anderem individuelle Dekorleisten für das Armaturenbrett und Blenden für die Blinker an, die der Kunde über einen Onlineshop konfigurieren kann. Das ist nicht nur attraktiv für den Konsumenten, sondern auch ein entscheidendes Signal zum Stand der AM-Technologie insgesamt: Das Projekt ist Beleg dafür, dass die EOS-AM-Systeme in Sachen reproduzierbarer Bauteilqualität, Funktionalität und Sicherheit auch die strikten Produktionsrichtlinien von Automobilisten erfüllen.

Ein ebenfalls nicht zu unterschätzendes Anwendungsgebiet ist der Bereich Supply-Chain. Gerade für die Mobilitätsbranche ist eine über viele Jahre gesicherte Lieferkette mit bedarfsgerechter Ersatzteilfertigung elementar. Gleichzeitig resultiert ein Großteil an Ersatzteilkosten aus Logistik- und Supply-Chain-Kosten. Vor diesem Hintergrund kann die additive Fertigung klare wirtschaftliche Vorteile bringen, indem die Technologie eine schnelle Ersatzteilfertigung kleiner Losgrößen nach Bedarf ermöglicht. Das sorgt im Ergebnis für wegfallende Werkzeugkosten, verringerte Lagerhaltungskosten und vermeidet im Umkehrschluss die Produktion nicht-benötigter Ersatzteile.

Im Bereich Mobility beispielsweise kommen 3D-gedruckte Ersatzteile in ICE-Zügen der Deutschen Bahn zum Einsatz. Konkret geht es dabei um die Kleinserienproduktion dünnwandiger Leuchtröhrenhalterungen für die Displaybeleuchtung der elektronischen Bordinformationssysteme. Gerade solche kleinen, eigens angefertigten Bauteile sind es, die zur Herausforderung werden können, da sie bei Ausfall oder Verschleiß nicht immer beim Hersteller nachgeordert werden können. Außerdem handelt es sich häufig um kleine Stückzahlen, die sich mit konventionellen Verfahren auf Grund von hohen Werkzeugkosten und Mindestabnahmemengen nicht wirtschaftlich abbilden lassen. Dank industriellem 3D-Druck ist das für die Deutsche Bahn jedoch kein Problem.

Es zeigt sich: Die additive Fertigung hat dort ihre Stärken, wo die konventionelle Fertigung an Grenzen stößt. Das Fertigungsverfahren limitiert eben nicht die Kreativität in Design und Konstruktion, sondern ermöglicht stattdessen maximale Designfreiheit. Der industrielle 3D-Druck ist ein Herstellungsprozess, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt. Und mit der gegebenen Technologie ist die zuverlässige Produktion in Serie möglich. Das klingt für viele eindrucksvoll und für manchen sogar einschüchternd. Doch es gilt: keine Scheu vor der Technologie. Natürlich setzt der 3D-Druck ein Umdenken voraus, das beginnt bereits bei der Bauteilkonstruktion. Aber genau daraus ergibt sich das Disruptionspotenzial. Oft ist es sinnvoll, mit kleineren, weniger funktionsentscheidenden Bauteilen anzufangen. So kann auch innerhalb des eigenen Unternehmens das Potenzial des industriellen 3D-Drucks aufgezeigt, Vertrauen in die Technologie aufgebaut und ein Umdenken initiiert werden.

Bauteile in sehr guter und zuverlässiger Qualität lassen sich dabei auch bei einem kostengünstigen Einstieg in die Technologie fertigen. So bietet beispielsweise EOS die FORMIGA P 110 Velocis, die sich als kompaktes System ideal für den Einstieg in den industriellen 3D-Druck eignet – von Rapid-Prototyping-Anwendungen bis hin zur wirtschaftlichen Kleinserienproduktion. Gerade in Kombination mit dem Consulting-Angebot von EOS können Unternehmen schnell Wissen und Erfahrung aufbauen und mit der Fertigung beginnen.

Gilt es, die Produktionskapazitäten auszubauen, bieten automatisierbare Fertigungsplattformen wie die EOS P 500 die Möglichkeit zur Herstellung von Kunststoffteilen im industriellen Maßstab. Mit dieser entstehen Bauteile, die selbst höchste Anforderungen hinsichtlich Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit erfüllen. So sind Unternehmen in vollem Umfang bereit für die Serienfertigung, jetzt und in Zukunft.

Das Ende der Entwicklung ist noch nicht erreicht: Die industrielle Produktion insgesamt durchläuft derzeit einen grundlegenden Wandel. Durch die Digitalisierung ist das Zielbild die ganzheitlich verknüpfte digitale und smarte Fabrik der Zukunft. Neben weiteren Technologien, wie z.B. Sensorik, Robotik oder Maschine-zu-Maschine-zu-Mensch-Kommunikation, spielt der industrielle 3D Druck dabei eine Schlüsselrolle. Wo heute etablierte Produktionsketten auf Auslastung und Effizienz hin optimiert sind und gleichzeitig hohe Warenwerte über Lieferketten weltweit versendet werden, wird die additive Fertigung im Rahmen von Industrie 4.0 mehr Flexibilität und Agilität für smarte Produktions- und Lieferketten ermöglichen. Damit entsteht eine hochgradig agile Fabrik mit erhöhter Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Marktanforderungen und -Schwankungen.

Das mag nach Science Fiction klingen, doch es ist wichtig, dass Unternehmen sich rechtzeitig mit Technologien beschäftigen, die Disruptionspotenzial haben – sei es um das eigene Geschäftsmodel effektiv zu verteidigen, oder um in neue Geschäftsfelder einzusteigen.