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Ausgabe 10/2017, 13.10.2017

AF: Was bringen die kommenden 10 Jahre?

Martin Geiger ist seit 1990 im Bereich additive Fertigung (AF)/3D-Drucken und Rapid Technologien tätig. Er berät Unternehmen hinsichtlich der optimierten Nutzung dieser Prozesse. Der externe Experte der «Technischen Rundschau» wirft hier einen Blick auf Trends und Anwendungen im 3D-Druck in den vergangenen 30 Jahren und wagt einen Ausblick auf die Entwicklung der Technologie in den kommenden 10 Jahren.

Autor: Martin Geiger Coachulting

Es ist schon 30 Jahre her, seit 1987 auf der «Autofact» in Detroit, USA, die erste kommerzielle Anlage zur additiven Fertigung (AF) vorgestellt wurde. In den frühen 1990-er Jahren waren dann schon die meisten der heute bekannten Technologien wie Stereolithographie, Fused Deposition Modeling, Lasersintern und 3D-Printing – damals der Begriff für Binderstrahldrucken – auf dem Markt.

Damals sprach man von Rapid Prototyping, weil man die Technologien zur Fertigung von Prototypteilen für die Produktentwicklung verwendete. Die Thematik Rapid Prototyping war damals in der Fachwelt schon ein Hype, wurde aber von der Öffentlichkeit nicht wahrgenommen. Aber bereits ein paar Jahre später waren diese Technologien in der Prototypenfertigung weit verbreitet. Die Anlagen wurden in den darauffolgenden Jahren stetig verbessert, neue Materialien kamen auf den Markt, was immer anspruchsvollere Anwendungen ermöglichte. Neben Rapid Prototyping rückte mit Rapid Tooling die additive Fertigung von Formeinsätze für Werkzeuge und mit Rapid Manufacturing die additive Fertigung von Produktteilen in den Fokus. Bis in die frühen Jahre dieses Jahrzehnts kann man von einer kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologien sprechen. Es gab wenig mehr als ein Dutzend Technologieanbieter in Europa.

Dann lösten preisgünstige Anlagen, die auch für Privatkunden erschwinglich waren, einen medialen Hype aus und die Thematik fand im deutschsprachigen Raum unter dem Begriff 3D-Drucken weite Beachtung. Die Thematik wandelte sich in wenigen Jahren von einem nur wenigen Spezialisten bekannten Nischenthema zu einem industriellen Topthema, das heute auch auf den betrieblichen Vorstands-ebenen grössere Beachtung erfährt und sogar privat an Stammtischen diskutiert wird.

Zum 30. Geburtstag der Technologien möchte ich hier einen persönlichen Ausblick auf die kommenden 10 Jahre wagen. Der Leser möge bitte beachten, dass dies – wie die meisten Prognosen – eine Abschätzung ist, bei der die bisherigen Erfahrungen auf die Zukunft projiziert werden, was auch das Risiko beinhaltet, dass nicht alles eintrifft.

Die Summen, die in den letzten Jahren in die Entwicklung neuer additiver Technologien, Software und Materialien investiert wurden, sowohl öffentlich gefördert als auch direkt von der Industrie, sind um ein Vielfaches höher als in den letzten Jahrzehnten. Aktuell sind mir ungefähr 110 Anbieter von Anlagen zur additiven Fertigung bekannt, ohne dass ich dabei den Hobbymarkt mit einrechne. Auf diesen möchte ich hier auch nicht eingehen. Bei anspruchsvollen Anlagen für industrielle Zwecke gehe ich neben stetigen Verbesserungen von folgenden Entwicklungen aus:

  • Aktuell dominieren noch die frühen Anbieter den Markt, da deren Anlagen meist bereits ausgereifter sind und weil zum Teil wichtige Details noch patentrechtlichen Schutz geniessen. In den nächsten Jahren wird es eine deutlich höhere Zahl an Anbietern geben, die zu ähnlichen Prozessen qualitativ ebenbürtige Anlagen anbieten werden. Der Verdrängungswettbewerb wird grösser, und der Kunde hat eine deutlich grössere Auswahl an Anbietern.
  • Für eine Serienproduktion ist eine möglichst gleichbleibende Bauteilqualität über mehrere Jobs notwendig. Bei zukünftige Produktionsanlagen werden alle für die Bauteilqualität wesentliche Parameter – zum Beispiel die Laserleistung beim Lasersintern oder in der Stereolithographie – nicht nur zu Baubeginn eingestellt, sondern im Prozess regelmässig gemessen und nachjustiert. Produktionsprobleme werden im Prozess erkannt, eine Auswertung entscheidet, ob der Fehler behoben werden kann, beispielsweise durch erneutes Belichten von Fehlbereichen, ob der Prozess abgebrochen werden muss oder ob nur ein Teil oder wenige Teile betroffen sind, die nach dem Prozess aussortiert werden.
  • Der Metallbereich wird aktuell vom Lasersintern beziehungsweise vom Laserschmelzen dominiert, wobei Metallpulver direkt aufgeschmolzen wird. Hier wird ein steigender Wettbewerb durch indirekte Prozesse entstehen, bei denen im Prozess ein Gemisch aus Metallpulver und einem Binder verarbeitet wird. Das fertige Grünteil aus dem Pulver-Binder-Gemisch wird anschliessend entbindert und gesintert oder mit einem zweiten Material infiltriert. Wer mehr über diese Prozesse erfahren möchte, kann zum Thema «Metal Injection Moulding – MIM» recherchieren. Qualitativ hochwertige Grünteile lassen sich schon heute additiv herstellen. Diese indirekten Prozesse waren in den 1990-er Jahren die ersten Technologien zur Fertigung von metallischen und keramischen Teilen.Da hier nur der Binder aufgeschmolzen wird, sind diese Prozesse schneller als direkte Prozesse. Allerdings ist der nachfolgende Sinterprozess mit einem hohen Schrumpf verbunden, der vorher am CAD kompensiert werden muss. Die Technologien haben sich aus meiner Sicht nicht durchgesetzt, weil es nicht gelungen ist, die MIM-Industrie, die das notwendige Know-how hat, einzubinden. Hier ist aber gerade im Moment ein Wandel zu beobachten.
  • Im Kunststoffbereich werden neue Prozesse oder Abwandlungen bestehender Prozesse die Verarbeitung von Fotopolymeren und Thermoplasten ermöglichen, die hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und mechanischer Eigenschaften deutlich besser sind als die bestehenden. Zudem werden lokal unterschiedlichste Zusatzstoffe eingebracht, mit denen lokale Eigenschaften wie Farbe, Elastizität, Leitfähigkeit und Transparenz im Bauteil modifiziert werden können. Allerdings müssen hierzu auch die konstruktiven Möglichkeiten geschaffen und die Datenaufbereitung ermöglicht werden.
  • Die heutige Prozessführung bei der additiven Fertigung entspricht im Kern einer simplen 2,5D-Fertigung beim Fräsen. Man kann AF auch als inverses Fräsen betrachten, bei dem in einen Block Luft eines oder mehrerer verschiedener Materialien «eingefräst» werden. Ob – um bei diesem Beispiel zu bleiben – bereits in zehn Jahren additive Anlagen existieren, die heutigen modernen frästechnischen Produktionsanlagen mit 5-Achs-Simultan- und Feature-Bearbeitung sowie Werkzeugwechsel (etwa verschiedene Düsen und Materialien) entsprechen und dem im Fräsbereich geltenden Standard bezüglich Anlagenbau genügen, möchte ich bezweifeln. Die Steuerungen hierzu sind hochkomplex. Aber es wird in diese Richtung gehen.

Nun kann man sich überlegen, was hierdurch alles möglich wird. Als Beispiele anzuführen sind eine drastische Reduktion von Supportmaterial, Multimaterialbearbeitung, Gradientenwerkstoffe, Einlegeteile, die umbaut werden, Weiterbearbeitung von vorgefertigten Körpern, Metall-Kunststoffhybride, MIDs und vieles mehr. Die Zukunft wird also sehr spannend und keiner weiss, ob nicht schon bald eine neue Technologie alles in den Schatten stellt.

Ein wenig die Gedanken schweifen lassen

Als kleines Science-Fiction-Beispiel das folgende Gedankenspiel: Man nimmt einen Topf mit einem Fotopolymer, das bei einer bestimmten UV-Wellenlänge aushärtet. Zusätzlich sind Aktivatoren beigemischt, die in dieser Wellenlänge emittieren und eine lokale Polymerisation auslösen, wenn sie über einen Zweiphotonenprozess angeregt werden. Hat man nun zwei Laser unterschiedlicher Wellenlänge für die einerseits das Fotopolymer durchsichtig ist, die aber gemeinsam den Zweiphotonenprozess anregen, dann bekommt man völlig neue Möglichkeiten. Das Bauteil könnte analog zu einem Hologramm am Stück erzeugt werden. Das Teil entsteht also nicht mehr schichweise, sondern als Ganzes aus der Flüssigkeit, ähnlich wie beim Beamen. Ein netter Gedanke, nicht wahr, aber bleiben wir mal auf dem Boden.

Auswirkungen auf Prozesse

In der Produktentwicklung sind die Prozesse etabliert. Durch neue Materialien, die mehr dem Serienmaterial entsprechen, werden immer aussagekräftigere Erprobungen möglich. Die wesentliche Herausforderung hier wird sein, immer auf dem neusten Stand der Technik zu bleiben, da dies aufgrund der vielen Entwicklungen immer schwieriger wird. In den von mir koordinierten Netzwerken zum Erfahrungsaustausch zeigt sich, dass einzelne Unternehmen sich immer schwerer tun, alle interessanten Neuentwicklungen zeitnahe auszutesten und im Unternehmen zu etablieren.

Ein hohes Potenzial steckt im Betriebsmittelbau. Die additive Fertigung ist für dessen Losgrössen optimal, wenn die Bauteilqualität ausreichend ist. Überall, wo Hilfsmittel benötigt werden, die geometrisch an die Umgebung angepasst sein sollen und den Arbeitsschritt erleichtern oder beschleunigen, sollte über 3D-Drucken nachgedacht werden.

Die grosse Hoffnung und auch Zukunft von AF liegt in der Produktion von Bauteilen für Produkte. Aber AF wird auch in weit über 10 Jahren keine Revolution der Produktion bewirken, sondern eine sinnvolle Ergänzung darstellen. Ich gehe von einem Wachstum des Marktes aus, das weit über 10 Prozent pro Jahr liegen wird. Allerdings gibt es noch viele Herausforderungen für die Industrie zu bewältigen, die hier nur grob angerissen werden können.

Herausforderungen für die Industrie

Wichtig ist:

  • Ausbildung von Konstrukteuren, die mit den Technologien und ihren Freiheitsgraden vertraut sind und AF-gerecht konstruieren und innovative Produkte entwickeln können.
  • Effizientes Wissensmanagement und Mitarbeiter, die Produkte und Prozesse hinsichtlich Optimierungspotenziale durch AF analysieren und neue Wege aufzeigen können.
  • Effiziente Prozesse zur Qualifizierung und Freigabe der additiven Fertigung für die Produktion.
  • Wirtschaftlichkeitsrechnungen unter Betrachtung des Gesamtprozesses von der Entwicklung bis zur Produktion mit allen Auswirkungen von AF wie Reduktion von Montage, Funktionsintegration und Leichtbau.
  • Neue Organisations-, Geschäfts- und Vertriebsmodelle.

Leider wird bei der additiven Fertigung meist nur an bisherige Einzelteile gedacht und gefragt, ob diese additiv besser oder günstiger gefertigt werden können. Die eigentliche Cashcow jedoch sind innovative Produkte, die durch die additive Fertigung erst möglich werden.

Coachulting
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info@coachulting.de, coachulting.de



Dieses von Citim gebaute und auf der Formnext 2016 ausgestellte Läuferrad zeigt sehr anschaulich den hohen Grad an Funktionsintegration und die geometrischen Möglichkeiten, welche die additive Fertigung bietet. (Bild: Geiger)


Martin Geiger berät mit seiner Firma Coachulting Unternehmen hinsichtlich der Auswahl und Implementierung geeigneter additiver Prozesse.