Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Umfrage: Ausgabe 03/2019, 26.03.2019

3D-Printing: Was war und was 2019 kommt

Additive Manufacturing (AM), auch 3D-Printing genannt, hat im vergangenen Jahr teils markante Entwicklungen durchlaufen. Welche das sind, erklären Experten aus den Bereichen Metall, Kunststoff, Medtech, Standardisierung und Markt in der Kurzumfrage der «Technischen Rundschau». Sie verraten, welche Neuentwicklungen entscheidend sind und welche Schritte folgen müssen, um die Technologie erfolgreich zu industrialisieren.

Autor: Markus Schmid, Redaktor Technische Rundschau




(Bilder: EOS)

«Thema Qualität wird ins Zentrum der Entwicklungstätigkeiten rücken»


Dr. Adriaan B. Spierings forscht zu AM-Prozessen im SLM-Verfahren (Bild: Inspire)

Adriaan B. Spierings, forscht in der Inspire AG an der AM-Prozesskette für das SLM-Verfahren, ausgehend von Materialien (Pulverqualifizierung, Legierungen), über deren Prozessierung bis hin zu Anwendungsentwicklung. Das übergeordnete Ziel ist es, einen Beitrag zu Qualitätsmanagementsystemen für die AM-Prozesskette zu leisten. Die Inspire AG ist strategischer Partner der ETH Zürich und das führende Schweizer Kompetenzzentrum für den Technologietransfer zur MEM-Industrie.

Herr Spierings, welche Neuerungen im Bereich AM haben Sie im vergangenen Jahr am meisten beeindruckt?
AM entwickelt sich rasch, jedoch eher evolutionär als revolutionär. Wesentlich scheint mir, dass Qualitätsfragen zunehmend ins Zentrum der Entwicklung rücken, sowohl in der Forschung und immer mehr auch bei den Anlagenherstellern. Entscheidend ist zudem, dass diese Thematik auch von Normierungsseite aufgegriffen wird.

Weshalb ist dies so wichtig?
Diese generelle Entwicklung ist von entscheidender Bedeutung, öffnen sich doch nur so neue Anwendungsfelder. Die breit abgestützte Diskussion über Einflussgrössen, Abhängigkeiten und geeignete Methoden entlang der Prozesskette wird mithelfen, dass der Begriff Qualität kein Hauptkos­tentreiber in der additiven Fertigung bleibt. Diese Tendenz fördert somit die AM-Technologie in der gesamten Anwendungsbreite.

Hat diese Entwicklung das Potential, AM massgeblich zu beeinflussen?
Auf jeden Fall. Denn erst wenn die Vorteile der additiven Fertigung wie gesteigerte Bauteil-Performance durch hoch komplexe Strukturen in hochqualitativen Anwendungen zur Umsetzung kommen, erreicht die additive Fertigung ihr volles Potential. Dies fördert die Innovation – ein Schlüsselelement für die Schweizer Wirtschaft.

Wie sehen Sie die Entwicklung von AM im Jahr 2019?
AM wird sich weiterhin auf der gesamten Bandbreite weiterentwickeln und einen wachsenden Markt-Impact aufweisen. Dies wird sicherlich getrieben durch immer weitere Anwendungsfälle und -Bereiche, sowie eine stetige Weiterentwicklung der vielen AM-Technologien. Das Thema Qualität wird jedoch sicherlich ins Zentrum der Entwicklungstätigkeiten treten, neben Neuheiten im Bereich der Materialien, und Prozess- und Anlagentechnik.

Welche Veränderungen würden Sie sich für das Fortkommen von AM am dringendsten wünschen?
Sehr grosser Bedarf besteht bei technisch umgesetzten und implementierten Qualitäts-Management-Systemen für die AM-Prozessketten. Zudem sollte die Entwicklung konkreter technischer Eckwerte und konkreter Empfehlungen auf der Normierungsseite vorangetrieben werden – ein Umstand für welchen ich mich auch persönlich engagiere.

inspire.ethz.ch

«Die Branche wird auch 2019 weiter wachsen»


Dr. Christian Leinenbach, leitet an der Empa die Materialentwicklung für AM. (Bild: Empa)

Christian Leinenbach ist an der Empa an den Standorten Dübendorf und Thun Leiter Materialentwicklung für AM (Metalle) in der Abteilung Advanced Materials Processing.

Herr Leinenbach, welche Neuerungen im Bereich AM haben Sie 2018 am meisten beeindruckt?
Diverse Forschungsinstitute haben neue Maschinenkonzepte vorgestellt, mit denen die Bauraten in Zukunft deutlich erhöht werden könnten. Das kann die additive Fertigung von komplexen Bauteilen in kürzerer Zeit oder die Herstellung grösserer Bauteile als bisher mit gleichzeitig höherer Genauigkeit ermöglichen.

Das heisst konkret...
Eines dieser Konzepte basiert auf der Konsolidierung einer gesamten Bauteilschicht «auf einmal» mittels einer Laser-Maskenprojektion anstatt des rasterartigen Aufschmelzens mit einem punktförmigen Laser. Das beschleunigt den Aufbau. Ein anderes Konzept ist es, ein ganzes Array von kostengünstigen, einzeln ansteuerbaren Diodenlasern ähnlich wie bei einem Flachbettscanner über ein Metallpulverbett zu führen und jeweils nur das unter dem Diodenarray befindliche Pulver zu konsolidieren.

Haben diese Entwicklungen das Potential, AM massgeblich zu beeinflussen?
Aus meiner Sicht ja, denn die zur Zeit verfügbaren AM-Maschinen zur Herstellung von Metallen haben eine Reihe von Einschränkungen im Hinblick auf die Bauraten, die realisierbaren Bauteilgrössen, die Bauteilqualitäten und die zu verarbeitenden Werkstoffe. Das führt zu mehr Flexibilität bei der Bauteilfertigung und zu geringeren Fertigungskosten, was AM im Vergleich mit heute ein Stück weit konkurrenzfähiger macht. Derzeit existieren meines Wissens aber nur erste Prototypen solcher Anlagen, und die Überführung in ein marktfähiges Produkt muss erst noch realisiert werden. Ob und wann dies geschieht ist derzeit noch offen.

Wie sehen Sie die Entwicklung von AM im Jahr 2019?
Die Branche wird auch in 2019 weiter wachsen. Viele Hersteller von Metallpulvern bauen ihre Produktionskapazitäten deutlich aus. Es ist auch damit zu rechnen, dass neue Hersteller oder Firmen, die bisher in erster Linie als Hersteller von Blechen, Draht et cetera bekannt waren, mit der Produktion von Pulver für AM-Prozesse beginnen. Gleichzeitig ist zu beobachten, dass viele Pulverhersteller bei der Entwicklung neuer oder verbesserter und an den AM-Prozess angepasster Werkstoffe aktiver geworden sind.
Neben den strahlbasierten Verfahren, also SLM, EBM, DED, scheint sich auch zunehmend das Binder Jetting, also das 3D-Drucken metallhaltiger Pasten und das anschlies­sende Sintern zu etablieren. Diese Anlagen sind deutlich günstiger als die Laser- oder Elektronenstrahlanlagen, was die Bereitschaft zur Anschaffung und zum Einstieg in die additive Fertigung von Metallen erhöht. Die Prozessgenauigkeit ist jedoch aufgrund der Materialkonsolidierung in mehreren Stufen – also dem  Drucken, Entbindern und Sintern in separatem Prozess – geringer als bei den oben genannten Verfahren, was Binder Jetting vor allem für die Herstellung von Massenbauteilen, an die keine allzu hohen Anforderungen im Hinblick auf die Toleranzen gestellt werden, interessant macht.

Welche Veränderungen würden Sie sich für das Fortkommen von AM am dringendsten wünschen?
Einmal ein verbessertes Verständnis der Vorgänge während der Materialkonsolidierung. Dann eine verbesserte in-situ und Echtzeit-Qualitätsüberwachung in Kombination mit verbesserten AM-Maschinen, mit denen sich die Materialeigenschaften gezielt einstellen lassen.

empa.ch

 

«Erwarte ein Konsolidierung in praktisch allen AM-Bereichen»


Dr. Manfred Schmid forscht im Bereich Polymer/Keramik. (Bild: Inspire)

Manfred Schmid ist Leiter der Abteilung F&E Polymer/Keramik bei der Inspire AG, strategischer Partner der ETH Zürich. Er beschäftigt sich dort vertieft mit der Material- und Prozessentwicklung für pulverbettbasierte AM-Verfahren mit diesen Werkstoffen.

Herr Schmid, welche Neuerungen im Bereich AM haben Sie im vergangenen Jahr am meisten beeindruckt?
Im Bereich Laser-Sintern fand ich mehrere kürzlich vorgestellte Maschinen sehr beeindruckend: den Raptor von LSS, von Laser Sinter Service; die «EOSint P 500» von EOS; die «SL 01» von SondaSys und die «S 2» des Schweizer Herstellers Sintratec.

Welche Eigenschaften dieser Anlagen sprechen Sie an?
Beim Raptor sticht die vierfach Laser/Scanner-Ausrüstung für grosse Teile und hohe Produktivität ins Auge, bei der P 500 das innovative Beschichtersystem für optimierte Pulverbett- und Bauteildichten, und sie ist auf die Verarbeitung der neu entwickelten Werkstoffe PP und PEEK ausgelegt. Die SL 01 bietet einen variablen Bauraum und dazu ein innovatives Konzept zur Fokuskorrektur und die S 2 ermöglicht mit ihrem «Exchange Frame» eine modulare Bauweise.

Haben diese Entwicklungen das Potential, AM massgeblich zu beeinflussen?
Wenn sich mit dem Raptor das auf einem Patent von Airbus beruhende «ThermoMelt»-Verfahren realisieren lässt, wird dies einen erheblichen Einfluss darauf haben, wie in Zukunft HT-Materialien in LS-Prozessen bearbeitet werden. Die P 500 skizziert den nächsten Schritt in die Zukunft der industriellen Anwendung des Lasersinterns; LS rückt mit diesem System dem Spritzguss für Kleinserien immer näher.

Wie sehen Sie die Entwicklung von AM im Jahr 2019?
Wenn ich das wüsste, würde ich mein Geld gewinnbringend in die entsprechenden Unternehmen investieren. Im Ernst: Ich erwarte ein Konsolidierung in praktisch allen AM-Bereichen im Gleichklang mit dem sonstigen Markt; Revolutionen werden, wie fast immer, nicht stattfinden. Realistisch gesehen können wir graduelle Verbesserungen und Optimierungen in allen Bereichen erwarten.

Welche Veränderungen würden Sie sich für das Fortkommen von AM am dringendsten wünschen?
Für die pulverbettbasierten Verfahren: Materialien, Materialien, Materialien,…. Dann sind aber auch Entwicklungen hin zur weiteren Automatisierung von allen AM-Prozessen und zur prozessbegleitenden Qualitätssicherung wünschenswert und dringend.

inspire.ethz.ch

 

«Anlagenhersteller sollten als Integratoren tätig werden»


Ralf Schumacher kennt sich mit AM in der Medizintechnik aus. (Bild: Med­artis)

Ralf Schumacher, ist Leiter MDSS (Mimedis Digital Surgical Solutions) im Medtech-Unternehmen Medartis AG. Zudem sitzt er im Beirat der AM-Fachmessen AMX Luzern und der RapidTech Erfurt. Sein Aufgabenbereich erstreckt sich auf Anwendungen in der Medizintechnik, sowohl im Bereich Metalle wie auch Kunststoffe.

Herr Schumacher, welche Neuerungen im Bereich AM haben Sie im vergangenen Jahr am meisten beeindruckt?
Technologisch gesehen habe ich, zumindest im Bereich der medizinischen Anwendungen, keine relevanten Neuerungen identifizieren können. Natürlich konnte man immer wieder über Erfolge in Bereichen der Zellforschung lesen, aber meist nur bei der Wirkstofftestung. Erfolge in der rekonstruktiven Medizin, bei welcher man Körper- oder Or­ganteile ersetzen möchte, sind nach wie vor Wunschdenken. Bei der additiven Fertigung von etablierten Materialien, wie etwa bei Metallen und Kunststoffen, ist momentan eine Konsolidierung im Gange. Das bedeutet, dass sich nach der Hype-Phase der vergangenen Jahre die additive Fertigung nun im industriellen Alltag behaupten muss. Im Bereich der Industrialisierung und Einbindung in CAD-Workflows konnten klare Neuerungen entdeckt werden.

Welche Neuerungen sprechen Sie an?
Grosse CAD-Systemanbieter können mittlerweile mit dem STL-Datenformat umgehen und durch eine hybride Modellierung die etablierten 3D-CAD-Daten mit den facettierten STL-Daten kombinieren. Dies bringt enorme Vorteile, indem etwa patientenindividuelle Abformungen mit mechanisch hochpräzisen Konstruktionen verbunden werden können. Typische Anwendungen sind etwa Hörgeräte, die an den Gehörgang des Patienten angepasst werden und gleichzeitig technische Komponenten der Serienfertigung beinhalten. Oder Beinorthesen, die individuell an den Patienten angepasst sind und dennoch präzise Gelenk- oder Scharnierkomponenten beinhalten. Einen Schritt weiter geht es bei der Kette CAD-AM-CAM, wenn zum Beispiel über das selektive Laserschmelzen SLM gefertigte Metallimplantate in einem Fräscenter nachbearbeitet werden müssen. Heute kann man in STL modellieren und die CAM-Nachbearbeitung im selben Schritt planen.

Haben diese Entwicklungen das Potential, AM massgeblich zu beeinflussen?
Ja, im Sinne der Konsolidierung und Einbindung in bestehende Fertigungsabläufe. AM kann vieles, aber nicht alles leisten. Indem man die bestehende CAD-CAM-Kette mit der AM-Kette verbinden kann, entstehen sinnvolle Synergieeffekte, auch im Hinblick auf die Skalierung in Richtung Serienfertigung und Automatisierung.

Wie sehen Sie die Entwicklung von AM im Jahr 2019?
Diese Durchdringung der bestehenden CAD-CAM-Welt mit der AM-Welt wird weiter fortschreiten. Das ermöglicht es der additiven Fertigung, weiter an Bedeutung und Akzeptanz im Industriesektor zu gewinnen. Nebst diesen technologischen Entwicklungen schreitet aber gleichzeigt auch die Akzeptanz in den Köpfen von Entscheidungsträgern weiter voran. Indem verstanden wird, was AM für bestehende Produkte und Services leisten kann, werden gleichzeitig auch neue Ideen für weitere Produkte und Dienstleistungen entstehen. Das ist der beste Nährboden für Innovation – wir dürfen deshalb weiterhin gespannt sein.

Welche Veränderungen wünschen Sie sich für das Fortkommen von AM am dringendsten?
Nebst der besagten Verschmelzung auf der Modellierungs- und Datenebene, wünscht man sich aus Sicht der Industrie, dass sich auch die AM-Systemanbieter den geforderten Bedürfnissen anpassen. Lange Zeit waren diese als «Innovatoren» tätig, indem sie immer wieder zeigten, welche tollen Bauteile in den verschiedenen Industriebereichen gefertigt werden können. Das war auch gut so, aber nur solange es darum ging, die Aufmerksamkeit am Markt zu erhalten. Für die Konsolidierung wünschte ich mir Anlagenhersteller, die als «Integratoren» tätig sind, und ihre Prozesse und Dokumentation soweit beherrschen, dass diese ohne grossen Aufwand in die Prozesse der Firmen integriert werden können. Gerade im regulierten Umfeld der Medizintechnik erstaunt es immer wieder, wie wenig Verständnis die Anlagenhersteller für regulatorische Anforderungen aufbringen.

medartis.com

 

«Wünsche mir mehr Offenheit, neue Ideen müssen geteilt werden»


Matthias Baldinger ist ein Kenner des AM-Marktes. (Bild: Baldinger)

Matthias Baldinger ist Projektleiter beim ETH-Spin-off Additively und Geschäftsführer von Industry+. Additively ist ein digitaler Branchentreffpunkt für AM, der von Industry+ und der Messe Luzern, Veranstalterin der AM Expo, betrieben wird. Matthias Baldinger ist sicher, dass Branchenveranstaltungen immer noch der beste Ort sind, um Anregungen zu entdecken und neue Kontakte zu Experten und Anbietern zu schaffen.

Herr Baldinger, welche Neuerungen im Bereich AM haben Sie im vergangenen Jahr am meisten beeindruckt?
Mich beeindruckt, wie viele Neuerungen und Angebote rund um die Themen Qualitätssicherung und Nachbearbeitung hinzugekommen sind. Man sieht diese Entwicklung eindrücklich an der AM Expo. Diese Themen waren 2018 kaum präsent, 2019 wird eine Vielzahl von Lösungen gezeigt.  

Weshalb?
Qualitätssicherung und Nachbearbeitung sind zwei Themen, die elementar sind, wenn AM in der Serie erfolgreich eingesetzt werden soll, denn Bauteile kommen fast nie «fertig» aus dem 3D-Drucker. Die Herausforderungen in diesem Themenfeld bestehen seit Jahren – nun gibt es aber immer mehr professionelle Angebote und Lösungen hierzu. Als eines unter vielen Beispielen kann man die neuen Zertifizierungen für AM-Auftragsfertiger vom TÜV Süd nennen.

Hat diese das Potential, AM massgeblich zu beeinflussen?
Ich denke, kein Themenbereich allein wird AM komplett verändern, sondern viele Entwicklungen zusammengenommen. Neben den ewähnten Bereichen Nachbearbeitung und Qualitätssicherung werden sicher auch die Themen Software und natürlich grundsätzlich die Weiterentwicklung der AM-Technologien entscheidend sein, ein Gebiet, auf dem schon bisher viel passiert ist.

Wie sehen Sie die Entwicklung von AM im Jahr 2019?
Das scheint mir schwierig zu beurteilen. Eine ganz interessante Entwicklung finde ich beispielsweise, dass neben Additive Manufacturing weitere neue Produktionstechnologien ins Gespräch kommen. Vielleicht sollte AM in Zukunft nicht nur als Additive Manufacturing, sondern zunehmend als Advanced Manufacturing interpretiert werden.

Was wünschen Sie sich für das Fortkommen von AM?
Persönlich wünsche ich mir mehr Offenheit. Additive Fertigung kann Antworten auf viele Herausforderungen in der produzierenden Industrie liefern. Hierzu müssen aber viele Dinge neu gedacht werden. Damit dies geschieht, müssen Ideen, erfolgreiche Anwendungen und Fachwissen geteilt werden und die richtigen Leute sich treffen. Hierzu möchten wir mit Additively als digitalem Treffpunkt für die additive Fertigung einen Beitrag leisten.

additively.com