Übersicht: 3D-Druck

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3D-Druck oder additive Fertigung ist eine Methode, mit der sich ein dreidimensionales physisches Objekt aus einer digitalen Vorlage erstellen lässt. Anders als bei der traditionellen subtraktiven Fertigung, bei der Material von größeren Blöcken abgetragen wird, wird hier flüssiges oder pulverförmiges Material, beispielsweise Kunststoff, Metall oder Zement, in dünnen Schichten auf eine Fläche aufgetragen und anschließend verschmolzen. Dies ermöglicht die Kombination unterschiedlicher Materialien in einem Produktionsprozess sowie komplexere Formen und eine höhere Flexibilität. Die additive Fertigung wird unserer Einschätzung nach langfristig eine Vielzahl von Industrien umwälzen und eine Reihe neuartiger, optimierter Produkte entstehen lassen.

Die Geschichte der Additiven Fertigung

Additive Fertigung wurde erstmals in den 1980er-Jahren verwendet, um Prototypen zu entwickeln – sie waren allerdings im Normalfall nur bedingt funktionsfähig. Dieser Prozess der schnellen und kostengünstigen Erstellung eines maßstabsgetreuen Modells wird Rapid Prototyping genannt. Mit verbesserter 3D-Druck-Technologie wurde Rapid Tooling möglich, es wird zur Herstellung von Werkzeugen für die Produktion verwendet. Seit den frühen 2000er-Jahren werden mit 3D-Druck auch Endprodukte in größeren Stückzahlen hergestellt. Im Lauf der Jahre haben sich die Einsatzgebiete ausgeweitet und damit die Anforderungen an Qualität, Geschwindigkeit und Material diversifiziert. Dementsprechend wurden unterschiedliche 3D-Druck-Techniken entwickelt.

Techniken des 3D-Drucks

Das Schmelzschichtungsverfahren ist das bekannteste Verfahren. Hier wird das zu druckende Material im Druckkopf geschmolzen und dann schichtweise aufgetragen. So funktionieren die meisten 3D-Drucker für Privatanwender.

Beim Pulverbettverfahren (Powder Bed Fusion) liegt das Rohmaterial als sehr feines Pulver vor. Es wird dünn auf einer Plattform verteilt und anschließend von einem Laser- oder Elektronenstrahl an den gewünschten Punkten zum Schmelzen gebracht.

Lithografische Verfahren nutzen Fotopolymerisation. Dabei werden flüssige Materialien durch Bestrahlung ausgehärtet, beispielsweise mit UV-Licht. Ein mit Fotopolymeren gefüllter Behälter wird von einem Laser dort beschossen, wo die Kunststoffe aushärten sollen.

Ähnlich wie bei der Lithografie werden bei Multijet-Methoden flüssige Kunstharze verwendet, die aushärten, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Ein Multijet-3D-Drucker funktioniert ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker. Allerdings druckt er mit kleinen Tropfen von Kunstharzen, die während des Drucks durch UV-Bestrahlung gehärtet werden.

Binder Jetting ist ein additiver Herstellungsprozess, bei dem ein industrieller Druckkopf selektiv ein flüssiges Bindemittel auf eine dünne Schicht aus Pulverpartikeln – etwa Metall, Sand, Keramik oder Verbundwerkstoffe – aufträgt. Die verklebten Partikel werden im zweiten Schritt im Ofen gesintert, also bei hohen Temperaturen und gleichzeitiger Verdampfung des Bindemittels zusammengeschmolzen.

Marktpotenzial

Derzeit konzentriert sich der Markt hauptsächlich auf R&D-Anwendungen, verlagert sich jedoch allmählich in Richtung Produktion von Endteilen und Konsumgütern. Die aktuelle Marktgröße beträgt etwa 12 Milliarden US-Dollar, wobei Nichtmetalle (vor allem Kunststoffe) zwei Drittel und Metalle ein Drittel des Marktes ausmachen. Es gibt unterschiedliche Prognosen über die zukünftige Größe des Marktes für 3D-Druck, alle sagen jedoch ein massives Marktwachstum voraus. Nach einer Studie von McKinsey liegt das Potenzial des Marktes für 3D-Druck bis 2025 bei mindestens 120 Milliarden US-Dollar.

Maktpotenzial von 3D-Druck Technologie

Nicht nur in der VC-Branche, sondern auch an den Börsen lässt sich eine große Investitions­bereitschaft im Bereich 3D-Druck beobachten. Unser Research-Team ist ebenfalls der Überzeugung, dass 3D-Druck ein enormes Disruptionspotenzial für eine Vielzahl von Industrien mit sich bringt. Die Gründe für diese Annahme und die noch zu überkommenden Herausforderungen führen wir im Folgenden auf.

Vorteile der Additiven Fertigung

Time-to-Market

Herkömmliche Verfahren wie CNC-Bearbeitung oder Spritzguss erfordern oft produktspezifische Werkzeuge und gut ausgebildete Maschinenbediener, was nicht nur die Erstellung von Prototypen sehr kostspielig macht, sondern auch den R&D-Prozess drastisch verlangsamt.

3D-Druck löst dieses Problem, da Prototypen ohne spezielle Werkzeuge oder Maschinen­konfigurationen erstellt werden können. Dies kann die Produktentwicklung massiv beschleunigen und führt zu einer deutlich schnelleren Time-to-Market, was gerade bei neuartigen Produktkategorien und Innovationen ein wertvoller Vorteil sein kann.

Point-of-Sale-Produktion

Durch die flexible Fertigung am Verkaufs- oder Verwendungsort sind die Teile bei Bedarf verfügbar und zugänglich, dadurch sinken Betriebskapitalbedarf und Versandkosten. Zudem wird die Lieferkette entlastet, es besteht keine Abhängigkeit von Zulieferern und Teile können an Standorten produziert werden, an denen es keine Lieferanten gibt.

Material- und Energieeffizienz

Subtraktive Verfahren im Metallbereich benötigen vorbereitete und geschnittene Rohmaterialien in praktikablen und oft produktspezifischen Geometrien. Dies setzt bislang eine ganze Branche der Metallbearbeitung voraus. Die subtraktiven Methoden produzieren durch das Abtragen von Material zudem größere Abfallmengen, die für das Recycling versandt und wieder eingeschmolzen werden müssen.

3D-Druck-Verfahren hingegen benötigen produktunabhängig nur Standardmaterialien, zum Beispiel Metallpulver. Es fällt kein oder nur wenig Abfall während der Produktion an. Allerdings ist der Produktionsprozess von Metallpulvern zum jetzigen Stand noch nicht optimal gelöst. Die Ausbeute beträgt oft nur 50–70 Prozent des eingesetzten Materials, hier besteht Verbesserungspotenzial.

Montagereduzierung

Der Druck ganzer Teile (im Gegensatz zu mehreren einzelnen Komponenten) reduziert die Montageprozesse und somit Kosten sowie Zeit der Produktion massiv. Dies bedeutet kürzere Durchlaufzeiten und weniger Materialeinsatz bei der Produktion. Zudem sinken durch die fehlende Montage das Gewicht der Teile und der ökologische Fußabdruck beim Herstellungsprozess.

Bei einer Einspritzdüse für den Ariane-6-Raketenantrieb konnte die Anzahl der Einzelteile von zuvor 240 auf drei 3D-gedruckte Teile reduziert werden. Dies führte zu einer Kostenersparnis von 57 Prozent.

Geometrische Freiheit

Die wohl größten Chancen der additiven Fertigung ergeben sich aus der geometrischen Freiheit. Dadurch können Produkteigenschaften und Funktionen optimiert werden. Durch 3D-Druck können zukünftig Produkte hergestellt werden, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss nicht realisierbar wären.

Die geometrische Freiheit bringt für die Hersteller neben Kostensenkungen in der Produktion auch die Möglichkeit, sich vom Wettbewerb zu differenzieren, zum Beispiel durch den Einsatz von Bauteilen mit optimierten Strukturen wie geringeres Gewicht oder höhere Lebensdauer.

CAD-Software (Computer Aided Design) und Simulations­softwarelösungen werden hier eine immer größere Rolle spielen. Mithilfe komplexer Algorithmen werden zukünftig Produkte mit optimierten Eigenschaften entstehen, die Ingenieure oder Designer so niemals hätten planen können.

Verbesserung von Post-Processing-Systemen & -Verfahren

Hersteller von 3D-Druckern beginnen, ihre Systeme mit Sensoren auszustatten, um eine prozessinterne Überwachung zu ermöglichen. Sensoren und Kameras in einem 3D-Drucker können den Bauprozess dokumentieren und sicherstellen, dass die Vorgaben erfüllt werden.

Herausforderungen der Additiven Fertigung

Kosten

Die wohl größte Herausforderung von additiven Fertigungsverfahren liegt in den Stückkosten. Insbesondere bei größeren Stückzahlen liegen diese bei vielen Anwendungen heute noch über den Kosten von klassischen Herstellungsfahren wie dem Spritzguss, was eine großflächige Anwendung unökonomisch macht. Der Grund dafür ist, dass klassische Herstellungsverfahren stark von Skaleneffekten profitieren, die der 3D-Druck deutlich weniger hat.

Produktivität

In der Regel dauert die Produktion eines 3D-gedruckten Bauteils länger als die Produktion eines entsprechend klassisch gefertigten Teils. Das liegt zum einen daran, dass in der additiven Fertigung Schicht für Schicht separat aufgetragen werden muss. Hinzu kommt außerdem, dass die Verfahren noch vergleichsweise neu sind und sich komplizierte Arbeitsschritte wie das Entpulvern bei pulverbasierten additiven Verfahren nur schwer vollständig automatisieren lassen. Beides kann ein Nachteil sein, wenn nicht eine komplexere Geometrie oder eine bessere Funktionalität die längere Produktionszeit rechtfertigen.

Materialeigenschaften

Neben den Kosten und der Produktivität sind außerdem die Materialeigenschaften zu beachten, welche unter Umständen anders sind. Ein Beispiel sind 3D-gedruckte Metallteile, die nicht die selbe hohe Dichte haben wie ihre aus Metallblöcken geschmiedeten Gegenstücke. Auch hier hängen die Details wieder sehr stark von der spezifischen Anwendung und dem 3D-Druckverfahren ab.

Fazit

3D-Druck ist eine faszinierende Technologie, die zunehmend in einer Vielzahl von Industrien genutzt wird. Zwar gibt es im Einzelfall viele Details und Herausforderungen zu beachten, durch die technologischen Fortschritte werden die Vorteile jedoch mit der Zeit immer relevanter im Vergleich zu den Schwierigkeiten. Eines ist aus unserer Sicht klar: Wann immer 3D-Druck bei einer Anwendung technisch und ökonomisch erfolgreich eingesetzt wurde, führt kein Weg mehr zurück zu klassischen Herstellungsverfahren.