Nachhaltigkeit durch 3D-Druck

Die additive Fertigung ist ein hochpräzises 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Produkten und industriellen Bauteilen. Dabei werden digitale 3D-Daten direkt an den „Drucker“ übermittelt, dieser schmilzt mit einem Laser punktgenau die pulverförmigen Werkstoffe auf. So entstehen Schicht für Schicht komplexe Bauteile. Die geometrischen Möglichkeiten sind schier grenzenlos und damit auch die industriellen Anwendungen. Konstruktionen müssen nicht mehr eingeschränkt auf die Möglichkeiten konventioneller Fertigungsmethoden gedacht sein, sondern genießen Designfreiheit. Auch Einzelstücke und kleine Losgrößen sind rentabel in der Produktion.

In der komplexen Technologie steckt das Potenzial, welches die industrielle Wertschöpfungskette maßgeblich verändern und die Fertigungswelten der Zukunft prägen wird. Denn Designfreiheit und Individualisierung, Nachhaltigkeit, schnelle Produktentwicklungen sowie die damit verbundenen Kostenvorteile sind die Taktangeber für die flexible Fertigung von heute.

Bauteilanpassungen sind schon in der Produktentwicklungsphase digital und physisch einfach umsetzbar – schlicht durch die Anpassung der 3D-Daten. Damit reduzieren sich Entwicklungszyklen auf ein Minimum und nachhaltige Produktinnovationen können schnell und zu geringeren Kosten umgesetzt werden. Umfangreiche Funktionsintegrationen, etwa von Federn oder Scharniergelenken, lassen sich direkt in das Bauteil hineinkonstruieren.

Durch die unendlichen Realisierungsmöglichkeiten des 3D-Drucks gewinnt die Maker-Bewegung Auftrieb. Die Markteintrittsbarrieren in die neue Fertigungstechnologie sind niedrig. Schon bei geringen Stückzahlen erweist sich die Additive Fertigung als rentabel und ermöglicht neue Geschäftsmodelle. Für Unternehmer bieten sich neue Möglichkeiten, denn benötigt wird nur noch eine gute Idee und Zugang zum Internet – alles andere ist durch das World Wide Web jederzeit frei zugänglich: Software gibt es als Freeware, internetbasierte Marktplätze und Onlineshops dienen als Absatzkanal. Fertigungskapazitäten sind jederzeit abrufbar über Plattformen, die AM-Fertigungsdienstleistungen anbieten (z.B. Shapeways oder Sculpteo).

3D-Druck ist ein elementarer Bestandteil von Industrie 4.0, dem Schlagwort, das die Technologie und Produktion im Zeitalter der digitalen Revolution beschreibt. Wie bei jeder industriellen Revolution steht auch die vierte Stufe unter dem Stern sich verändernder Job-Profile. 3D-Druck, Robotik, künstliche Intelligenz und Technologie-Konvergenz – die zunehmend vernetzte, digitale Welt eröffnet neue Möglichkeiten, verändert Bestehendes und erschafft Neues. Das Einsparen diverser Zwischenschritte, die Verlagerung von der physischen Arbeitskraft hin zum digitalen Prozess hat einen nachhaltigen Einfluss auf die Strukturen und Arbeitsbedingungen der Zukunft.

Für manche Arbeitsgebiete in der konventionellen Produktion wird es durch die weitreichenden Veränderungen weniger Anwendungsfelder geben. Dafür entstehen neue Arbeitsplätze in den digitalen Sparten, der IT, in der Konstruktion oder ganz neuartige Betätigungsfelder. Da Unternehmensgründungen mit der Technologie ohne großes Investment möglich sind, wirkt 3D-Druck dem Trend „Jobabbau durch Digitalisierung“ entgegen. Mit den neuen Möglichkeiten können sich Menschen mit einer guten Idee unabhängig vom Standort sowie mit einem relativ geringen Startkapital eine Existenz aufbauen.

Mit industriellem 3D-Druck wird lokale „on-Demand“-Fertigung von Komponenten und Ersatzteilen wirtschaftlich. Man fertigt die Teile dort, wo sie gebraucht werden. Die Technologie vereinfacht die Dezentralisierung der Produktion, da eine Fertigung direkt vor Ort möglich ist. So entstehen weniger Logistikkosten und der CO_²-Ausstoß sinkt.

Auch der Produktionsprozess an sich spart massiv Ressourcen. In konventionellen Fertigungsprozessen wie dem Fräsen werden beispielsweise 85% des Rohlings einfach weggefräst und damit zu teurem Abfall (Quelle: Frankfurter Allgemeine). Im industriellen 3D-Druck ist es umgekehrt, verbleibende Pulverwerkstoffe können zu einem großen Teil wiederverwendet werden. Sowohl die Systeme als auch die damit gefertigten Komponenten haben einen positiven Einfluss auf die Ressourcenschonung. Energieeffiziente Maschinen fertigen Bauteile, die durch Designfreiheit, Funktionsintegration und Leichtbauweise erheblich Ressourcen einsparen und so für einen nachhaltigen Rohstoffeinsatz sorgen. Durch die Vereinfachung von Designs und verbesserte Werkstoffeigenschaften können mittels der additiven Technologie zum Beispiel Wandstärken von Bauteilen deutlich verringert werden. Und das bei gleich bleibender Robustheit. Die so erzielte Gewichtsreduktion bedeutet damit auch Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch.

Ein Feld, in dem 3D-Druck den wahrhaft „spürbarsten“ Einfluss hat, ist die Medizin. Zahnimplantate, Gelenke, Prothesen, Schädeldeckenteile – bis dato ließ sich das alles fertigen, jedoch als Standardprodukt. Menschen unterscheiden sich allerdings in Ihrer Physis und jeder Körper verändert sich mit dem Alter. Individualisierte Formen, die der 3D-Druck ermöglicht, haben hier einen immensen Einfluss auf die Lebensqualität eines Menschen. Denn durch die Technologie können maßgeschneiderte Prothesen und Implantate hergestellt werden, die präzise auf die jeweilige Patientenanatomie angepasst sind. Heilungsprozess und -prognose werden damit deutlich verbessert.

So kann das britische Startup Andiamo durch den Einsatz von EOS Systemen beispielsweise passgenaue Orthesen für Kinder fertigen. Konventionell werden diese mit Hilfe von Gipsabdrücken hergestellt. Dieser Prozess ist langwierig, aufwendig und bietet zudem wenig individuell Anpassungsmöglichkeiten. Insbesondere junge Patienten, die sich noch im Wachstum befinden, müssen diese Prozedur wiederholt durchlaufen. Bis zu sechs Monaten Wartezeit folgen dann – auf eine Orthese, die zum Lieferzeitpunkt oftmals nicht mehr passt. Additive Fertigung reduziert diesen Zeitraum auf ein Minimum. Auf Basis eines 3D-Körper-Scans wird eine präzise und passgenaue Orthese gefertigt und binnen einer Woche ausgeliefert.

Flexible, leichte und zugleich stabile Konstruktionen, hergestellt in einem Verfahren, das nur so viel Rohstoffe verwendet, wie für das Produkt notwendig sind – die Möglichkeiten des 3D-Drucks sind nahezu grenzenlos. Das Verfahren revolutioniert industrielle Herstellungsprozesse und schafft neue Geschäftsmodelle. Durch den Einsatz in der Medizin werden Heilungsprozesse beschleunigt, die Lebensqualität der Patienten verbessert.

Die Integration des industriellen 3D-Drucks in bestehende und zukünftige Produktionswelten ist ein Katalysator für innovative Produktgestaltung, Vermarktung und nachhaltigen Ressourcenumgang.