Frau an 3D-Drucker mit additiv gefertigtem Zahnrad aus Kunststoff

Vom Prototypenbau mit dem 3D-Drucker wie hier im Bild zu sehen hin zur Ersatzteil-Produktion - die additive Fertigung ist in vielen Bereichen der Industrie nutzbar. PRODUKTION erklärt die häufigsten Anwendungen anhand von Praxisbeispielen. - Bild: Wladimir Bulgar - stock.adobe.com

Der 3D-Druck ist nicht für alle Anwendungen gleichermaßen geeignet. Besonders in Bereichen, in denen geringe Stückzahlen, ein hoher Grad an Individualisierung oder eine besonders komplizierte Geometrie gefragt ist, kommen additive Fertigungsverfahren infrage. Bei der standardisierten Massenproduktion hingegen eignen sich konventionelle Fertigungsverfahren sehr häufig besser.

Trotzdem gibt es enorm viele Branchen, in denen die additive Fertigung eine spannende Alternative zu den konventionellen Verfahren ist. "Wir sehen ein enormes Potenzial im Gesundheitswesen, in der Luft- und Raumfahrt, in der Verteidigung, im Transportwesen und im Motorsport sowie für Nischenanwendungen für die Fertigung und für Prototypen, wie zum Beispiel in der Schmuckbranche", erzählt Rajeev Kulkarni, Vice President, Strategy beim 3D-Drucker-Hersteller 3D Systems. "In diesen Bereichen liegt unser Schwerpunkt jeweils auf der Bereitstellung kompletter Arbeitsabläufe, die aus Software, Materialien, Hardware und Dienstleistungen bestehen, die auf spezifische Anwendungen innerhalb dieser Segmente ausgerichtet sind."

Bei einem anderen Hersteller von 3D-Druckern, Stratasys, werden die möglichen Anwendungsfelder in die Bereiche Design, Engineering und Manufacturing unterteilt. "Im Bereich Design geht es um die Frage: Wie kann ich Prototypen bauen, die funktional sind und mir die Funktionalität aufzeigen können? Dies dient dazu, das Endprodukt zu optimieren", erläutert Andreas Langfeld, President EMEA Stratasys. "Im Engineering geht es darum, Werkzeuge oder Halterungen zu bauen. Und im Bereich Manufacturing geht es um die Produktion von Teilen, die dann wirklich benutzt werden. Beispielsweise enthält der Airbus A320 3D-gedruckte Teile."

Welche Trends die Experten von 3D Systems und Stratasys sowie ein Forscher des Fraunhofer IFAM im industriellen 3D-Druck erkennen und welchen großen Herausforderungen sich die additive Fertigung noch stellen muss, lesen Sie in diesem Artikel:

Aber in welchen Bereichen wird additive Fertigung denn nun am häufigsten eingesetzt? Claus Aumund-Kopp, Gruppenleiter Additive Fertigung, Abteilung Pulvertechnologie beim Fraunhofer IFAM, berichtet: "Nach wie vor steht in der Industrie – wie auch bei vielen KMU – der Prototypen- und Hilfsmittelbau an erster Stelle bei der Anzahl eingesetzter 3D-Drucker. Im Bereich der Bauteil- oder Halbzeug-Herstellung dominiert insbesondere der Einsatz von Additive Manufacturing bei der Bauteilindividualisierung oder bei der Herstellung Topologie optimierter Bauteile in kleinen Serien."

Die momentan häufigsten Anwendungsfelder für 3D-Druck Technologie, die wir Ihnen in diesem Artikel vorstellen, sind:

(Wenn Sie es eilig haben und sich besonders für ein spezielles Anwendungsgebiet interessieren, nutzen Sie einfach die Links in der Aufzählung, um an die entsprechende Stelle zu springen.)

 

Prototypenbau mit dem 3D-Drucker

Der Prototypenbau ist das ursprüngliche Einsatzgebiet des 3D-Drucks, aus diesem Umfeld heraus hat es sich zu dem etablierten Fertigungsverfahren entwickelt, das es heute ist.

3D-gedruckter Prototyp eines Parfum Flacons
Mit 3D-Druckern lassen sich Prototypen aller Art drucken, wie beispielsweise dieser Parfüm-Flakon, gedruckt mit einem Stratasys J850. - Bild: Statasys

Und noch immer ist der Bau von Prototypen auch das häufigste Einsatzfeld: In einer Studie von Sculpteo gaben 68 Prozent der Befragten an, dass sie Additive Fertigung nutzen, um Prototypen zu erstellen; für die generelle Produktion nutzen dagegen nur 49 Prozent den 3D-Druck und für die Massenproduktion sogar nur 13 Prozent.

Grund hierfür sind die Vorteile, die der 3D-Druck in der Fertigung von Prototypen mit sich bringt. Dass die meisten Verfahren des Rapid Prototyping (deutsch: schneller Modellbau) der additiven Fertigung zuzuordnen sind, zeigt den wichtigsten Vorteil auf: Die Erstellung geht wesentlich schneller, als mit konventionellen Verfahren. Das beschleunigt gleichzeitig die Entwicklung neuer Produkte.

Wie viel schneller wird der Prototypenbau mit dem Einsatz von 3D-Druckern? 3D Systems spricht beispielsweise von einer 15-mal schnelleren Erstellung als mit anderen Verfahren und Stratasys spricht davon, dass sich so Ideen innerhalb von wenigen Stunden anstatt mehrerer Tage umsetzen lassen. Das liegt daran, dass sich die Prototypen selbst schneller herstellen lassen und so in derselben Zeit wesentlich mehr Iterationen des Produkts betrachten lassen. Damit ist das Endprodukt schneller fertig und gegebenenfalls sogar besser.

Ein gutes Beispiel dafür liefert der italienische Elektropumpenhersteller Pedrollo: Zur Beschleunigung seines Designzyklus investierte das Unternehmen in einen ProJet 6000 SLA Drucker von 3D Systems. "Bevor wir mit dem 3D-Druck begannen, erforderte die Herstellung eines Prototyps sehr viel Zeit, und es vergingen vier bis fünf Monate zwischen der Designphase und der Verfügbarkeit des endgültigen Modells", erzählt Pedrollo in einem Anwenderbericht von 3D Systems. Die Einführung der additiven Fertigung reduzierte die Zeit für die Erstellung von Prototypen sofort um ein Fünftel und konnte danach sogar auf weniger als 24 Stunden verkürzt werden. // Zurück zur Übersicht

Ein weiteres Beispiel sehen Sie in diesem Video von Desktop Metal:

Additive Herstellung von Hilfsmitteln und Werkzeugen

Neben dem Rapid Prototyping ist ein weiterer Bereich das Rapid Tooling, also der Bau von Werkzeugen und Produktionshilfen. Zirka 26 Prozent der Unternehmen, die additive Fertigung nutzen, nutzen diese laut Sculpteo-Studie, um Werkzeuge zu drucken. Auch hier ist die schnellere Fertigung einer der Vorteile.

Zum Beispiel hat Mawe Presstec, ein Produzent von Vorrichtungen und Werkzeugen aus Metall, mithilfe eines F170 3D-Druckers von Stratasys die Fertigungszeit pro Bauteil um bis zu 50 Prozent verringert. "Die additive Fertigung unserer Werkzeuge und Vorrichtungen mit der F170 reduzierte die Dauer der Bauteilfertigung und optimierte die gesamten Entwicklungsprozesse unserer Fertigung", berichtet Geschäftsführer Marco Werling. "Zugleich erhöht es die Flexibilität und individuelle Anpassungen können besser vorgenommen werden."

Vorrichtungen aus 3D-Drucker von Mawe Presstec
Mawe Presstec nutzt den 3D-Drucker F170 von Stratasys, um flexibel Vorrichtungen zu fertigen und diese anzupassen und zu adaptieren. - Bild: Stratasys

Im Übrigen wurde in diesem Fall zusätzlich das Material verändert. Anstelle von Metall wir nun ein thermoplastisches ABS-Material eingesetzt. Denn metallische Vorrichtungen, die mit polierten Metallprodukten in Berührung kommen, zerkratzen häufig die Oberflächen. Das ABS-Material hingegen bietet ein spezielles Verhältnis zwischen Weichheit und Festigkeit, sodass die Vorrichtungen dem Maschinendruck standhalten, aber glatte Oberflächen nicht zerkratzen.

Auch die Tatsache, dass generative Verfahren ganz andere konstruktive Möglichkeiten bieten als subtraktive Verfahren ist ein Pluspunkt für den 3D-Druck im Werkzeugbau. Aufgrund dessen können beispielsweise Werkzeuge oder Formen mit konturnaher Kühlung entstehen. So kann Wärme im Produktionsprozess genau dort abgeführt werden, wo sie entsteht.

Warum das mit additiver Fertigung besonders gut möglich ist, weiß Marc Dimter von Trumpf, der dort als Branchenmanager für den Bereich Werkzeug- und Formenbau verantwortlich ist: "Vor allem bei komplexen Formen erreichen wir mit dem Bohrer nicht alle relevanten Stellen, da wir nicht um die Ecke herum bohren können", erklärt er. "Der 3D-Drucker baut die Form hingegen schichtweise auf. Das ermöglicht Kühlkanäle, die nahezu parallel zur Werkzeugwand verlaufen." Der größte Vorteil davon sei, dass sich die Zykluszeit reduzieren lässt, da das Werkzeug schneller abkühlt. Außerdem steige in vielen Fällen die Qualität, weil sich die Bauteile weniger verziehen. Weiterhin führt die schnellere Abkühlung sowohl im Spritz- als auch im Druckguss zu homogeneren Materialeigenschaften, wodurch die Belastbarkeit der Bauteile steigt.

Weitere Beispiele aus dem Werkzeugbau lesen Sie im Artikel "Wie Additive Verfahren den Werkzeugbauer unterstützen können" bei WERKZEUG&FORMENBAU. // Zurück zur Übersicht

 

Bauteile mit komplexen Geometrien generativ fertigen

Wie die konturnahe Kühlung in den Werkzeugen zeigt, eignet sich der 3D-Druck ideal für Bauteile mit komplexen Geometrien. Das liegt an der Konstruktionsfreiheit der additiven Verfahren. (Mehr zu der Funktionsweise der verschiedenen additiven Fertigungsverfahren und deren Vorteile, lesen Sie im Beitrag "Das sind die wichtigsten additiven Fertigungsverfahren".) Der 3D-Druck erlaubt dreidimensionale Strukturen mit Hohlräumen und Hinterschnitten, die mit herkömmlichen Verfahren aus den Bereichen Zerspanung oder Guss nicht oder nur sehr kostenintensiv möglich wären. Kurz gesagt: Alles, was sich mit einem 3D-CAD-Programm konstruieren lässt, kann gedruckt werden.

Die Möglichkeit besonders komplexe Geometrien realisieren zu können, ist in der Sculpteo-Studie übrigens der am häufigsten genannte Vorteil: 66 Prozent der 3D-Druck-Nutzer nannten diesen Benefit. Darauf folgen die schnelleren Iterationsschritte und die Reduzierung der Vorlaufzeit aufgrund von Rapid Prototyping mit 45 und 43 Prozent.

Eines der vielen Beispiele: der SIS-Injektor der SMS Group. Der SIS-Injektor ist eine komplexe Komponente in einem Elektrolichtbogenofen und bestand im konventionell gefertigten Zustand aus 18 zusammengeschweißten Bauteilen. Additiv lässt er sich als ein monolithisches Teil fertigen, sogar ohne Stützstrukturen. Es entfallen also einige Arbeitsschritte. Zusätzlich konnte mittels des 3D-Drucks außerdem eine strömungsoptimierte Kanalführung sowie eine konturnahe Kühlung umgesetzt werden, die zuvor nicht vorhanden waren. // Zurück zur Übersicht

Wie imposant die additive Fertigung die Grenzen des Machbaren verschiebt, zeigt außerdem dieses Video von EOS:

Noch leichterer Leichtbau dank 3D-Druck

Die Möglichkeit Gewicht einzusparen und damit die additive Fertigung für Leichtbauteile zu nutzen, hängt genau wie die beiden vorherigen Punkte mit der Konstruktionsfreiheit der Verfahren zusammen. Der wesentliche Vorteil der additiven Technologie im Leichtbau ist die Möglichkeit zur topologischen Strukturoptimierung, das heißt es wird nur dort Material eingesetzt, wo es auch wirklich benötigt wird.

Besonders in der Luft- und Raumfahrt sind die Leichtbaukomponenten aus dem 3D-Drucker gefragt. Wie deutlich sich Bauteile in dieser Branche mithilfe generativer Fertigungsverfahren verbessern lassen, zeigt ein Beispiel von Liebherr-Aerospace.

Additiv gefertigter Zylinderblock von Liebherr Aerospace
Diesen besonders leichten Zylinderblock für Flugsteuerungen druckt Liebherr-Aerospace auf EOS-Maschinen. - Bild: EOS

Dort wurde ein Projekt gestartet (gemeinsam mit Airbus und einem Forschungsteam der TU Chemnitz), dessen Ziel es war, ein konventionelles Bauteil der primären Flugsteuerung - einen Hochdruck-Hydraulikblock - durch eine additiv gefertigte Komponente zu ersetzen. Außerdem sollte das Bauteil nicht einfach nur gedruckt werden, sondern auch leichter, ressourceneffizienter und umweltfreundlicher werden.

Also wurde ein neues Design und eine neue Prozesskette entwickelt. Nun werden die Ventilblöcke auf EOS-Maschinen in einer speziellen Titan-Legierung gedruckt. Der neue additiv gefertigte Ventilblock bietet die gleiche Leistung wie das konventionelle Bauteil, ist aber 35 Prozent leichter und besteht aus weniger Einzelteilen.

"Es mag ja der generelle Vorteil der additiven Fertigung sein, dass das gleiche Bauteil mit weniger Gewicht und Einzelteilen hergestellt werden kann", sagt Alexander Altmann, Lead Engineer Additive Manufacturing in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH. "Doch genau darauf kommt es uns bei Liebherr-Aerospace an." Das im 3D-Druckverfahren hergestellte Bauteil konnte inzwischen einen ersten erfolgreichen Testflug im Airbus A380 absolvieren. // Zurück zur Übersicht

 

Individualisierung wird mit additiver Fertigung wirtschaftlicher

Die Individualisierung ist laut Zukunftsinstitut einer der fünf wichtigsten Megatrends für Unternehmen in den 2020er Jahren und ein guter Grund, um auf 3D-Druck zu setzen. Denn im Vergleich zu den meisten konventionellen Verfahren macht es beim 3D-Druck keinen Unterschied, ob in einem Bauzyklus 100 identische oder 100 individuelle Teile hergestellt werden.

Die Möglichkeit, Produkte zu individualisieren, ist in den meisten Branchen interessant. In der Medizintechnik ist das Thema besonders spannend. Hier kann Patienten mittels individuell abgestimmter Produkte im Dental- oder Implantat-Sektor besser geholfen werden. Oder es können patientenspezifische Modelle gebaut werden, um Operationen üben zu können und so zu verkürzen. Erst durch die additive Fertigung kann dies in einer wirtschaftlichen Weise geschehen.

Sie wollen die Welt der Industrie verstehen?

Erfahren Sie alles zu Industrie 4.0, Smart Manufacturing und der weiten Welt der Technik.

  • exklusive Inhalte
  • professionelle Berichterstattung
  • kostenlose Freemium Mitgliedschaft

Newsletter gratis bestellen!

Beispielsweise können Dentalprothesen gedruckt werden, was den Laboren einiges an Arbeit erspart. Außerdem passen die Prothesen besser, wie ein Anwender von Renishaw-Produkten zur additiven Fertigung für medizintechnische Anwendungen berichtet. Das Egan Denal Laboratory in Yorkshire, England hatte Kronen und Brücken bisher von Hand gefertigt, allein das Erstellen eines Gussrahmens hatte einen Zahntechniker zwei Stunden beschäftigt. "Der neue Prozess benötigt nur 40 Minuten manuelle Arbeit, also weniger als die Hälfte dessen, was das konventionelle Gießverfahren benötigte", sagte ein Sprecher von Egan gegenüber Renishaw. Neben der immensen Zeitersparnis sei das Labor nun in der Lage, Prothesen herzustellen, die leichter, stärker und flexibler sind als handgegossene Prothesen. // Zurück zur Übersicht

 

Kleinserien effizient drucken

Während der Einsatz von 3D-Druck in Großserien nur selten sinnvoll ist (wie Claus Aumund-Kopp vom Fraunhofer IFAM in diesem Artikel bestätigt), hat additive Fertigung bei Kleinserien durchaus Potenzial. Die Vorteile, die sich dank des Einsatzes von 3D-Druckern ergeben sind dabei - wie in den meisten anderen Anwendungsfeldern - Zeiteinsparungen und Kostenreduzierungen.

Bei Premium Aerotec ging vor einiger Zeit eine erste Pilotanlage für die additive Fertigung in Serie in Betrieb, die diese Vorteile aufzeigt. Mehr zu der Anlage und dem Projekt NextGenAM zu dem sie gehört, erfahren Sie in diesem Artikel:

3D-Druck für Reparatur und Ersatzteile nutzen

Wenn Dinge repariert werden müssen, werden häufig Ersatzteile benötigt und das Ersatzteil-Management ist häufig sehr komplex. Oft gibt es lange Wartezeiten, Logistikkosten können hoch sein und aufgrund von Mindestabnahmemengen müssen mehr Ersatzteile beschafft werden als nötig. Additive Fertigung kann hier in vielen Fällen Abhilfe schaffen. Damit können Ersatzteile nämlich erst bei Bedarf per 3D-Drucker gefertigt werden. Das spart auch Lagerhaltungskosten, denn anstelle von Lagerhaltung wird produziert, wann und wo der Bedarf besteht.

3D-Drucker im Einsatz bei der Deutschen Bahn
Bei der Deutschen Bahn werden 3D-Drucker genutzt, um Ersatzteile für Züge zu produzieren.- Bild: Deutsche Bahn

Ein Beispiel ist die Reparatur von Zügen bei der Deutschen Bahn. Das Mobilitätsunternehmen druckt Ersatzteile aus Metall und Kunststoff - von sicherheitsrelevanten Metallteilen wie Radsatzlagerdeckeln über Staubschutzkappen für Bremssysteme hin zu Mantelhaken für die Reisezugwagen. Mit besagtem Mantelhaken hat es 2015 angefangen, seitdem hat die Deutsche Bahn bereits mehr als 10.000 Ersatzteile mittels 3D-Druck produziert.

Die additive Fertigung spart in diesem gegenüber der konventionellen Fertigung vor allem Zeit. "So können wir eine bessere Versorgung mit Ersatzteilen sicherstellen und die Fahrzeuge schneller wieder für unsere Fahrgäste bereitstellen", erläutert Stefanie Brickwede, Projektleiterin für 3D-Druck bei der Deutschen Bahn. "Insbesondere geht es um Teile, die mit langen Lieferzeiten verbunden sind oder gar nicht mehr erhältlich wären."

Außerdem können Material und Kosten eingespart werden. Und es gibt noch einen weiteren Vorteil: Die Ersatzteile lassen sich nicht nur nachbauen, sondern können auch verbessert werden. // Zurück zur Übersicht

Auch Siemens nutzt additive Fertigung zur Reparatur, und zwar für Turbinenschaufeln. Wie die Reparatur abläuft, sehen Sie in diesem Video:

Kostenlose Registrierung

Newsletter
Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?