3D-Druck: Addition oder Revolution der Fertigung?
3D-Drucker haben das Potenzial, die Industrie, wie wir sie kennen, zu revolutionieren. Ob sie es schaffen liegt nicht zuletzt daran, wie effizient und präzise wir sie machen können.
3D-Druck
3D-Druck umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen durch physikalische oder chemische Prozesse dreidimensionale Bauteile Schicht für Schicht hergestellt werden. Der auch als additive Fertigung bezeichnete 3D-Druck entwickelte sich in den vergangenen Jahren von einer vielversprechenden Zukunftsvision zu einer ernstzunehmenden Alternative zur klassischen Bauteilfertigung.
Der weltweite Umsatz auf dem Markt für 3D-Drucker stieg von 0,7 Milliarden Euro im Jahr 2013 auf 5,4 Milliarden Euro im vergangenen Jahr. Im gleichen Zeitraum entwickelte sich der Umsatz für Dienstleistungen und Materialien für 3D-Drucker von 1,8 auf 10,8 Milliarden Euro. Im Jahr 2020 wird der weltweite Gesamtumsatz bei rund 20 Milliarden Euro liegen.
Die gängigsten Verfahrenstechniken beim 3D-Druck sind das Laser- und das Elektronenstrahlschmelzen sowie das Lasersintern für Metalle, Polymere und Keramik, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze sowie das Multi-Jet-Modeling und das Schmelzschichtverfahren für Kunststoffe und Kunstharze.
Die meisten angemeldeten Patente und die größten Hersteller von 3D-Druckern kommen aus den USA. Auch wenn Deutschland im Bereich der additiven Fertigung nicht Marktführer ist, liegt der Anteil von Unternehmen, die bereits Erfahrungen mit 3D-Druck im eigenen Haus gemacht zu haben, mit 37 % weltweit am höchsten. Deutschland liegt damit über dem europäischen Durchschnitt (22 %) und auch deutlich vor den USA (16 %).
Aussicht
Die wesentlichen Potenziale zur Verbesserung der Qualität und zur weiteren Ergänzung klassischer Herstellungsverfahren sind die Beschaffenheit der verwendeten Werkstoffe und die Genauigkeit des Druckverfahrens. In beiden Bereichen wird sowohl von staatlicher als auch privatwirtschaftlicher Seite intensiv geforscht. Mit der fortschreitenden Entwicklung können dadurch sowohl Qualität als auch Quantität der fertigen Bauteile deutlich verbessert werden.
Ein weiterer, sehr wichtiger Faktor für die fortschreitende Entwicklung der additiven Fertigung sind die Kosten für die im 3D-Druck-Verfahren herstellten Bauteile. Lagen diese im Jahr 2013 noch bei durchschnittlich rund 3 Euro pro produziertem Kubikzentimeter wird der Aufwand bis zum Jahr 2023 wohl auf rund 1 Euro pro Kubikzentimeter sinken.
Vom Prototyp zur Serienfertigung
3D-Druck kommt bereits bei 38 % der Unternehmen in der kunststoffverarbeitenden Industrie zum Einsatz. In der Automobil- und Luftfahrt wie auch im Maschinen- und Anlagenbau liegt der Anteil bei rund 30 %. Auch wenn bei einer Befragung von 900 Unternehmen aus 12 Ländern nur rund 6 % der Befragten angaben, die additive Fertigung auch zur Herstellung von Endprodukten einzusetzen, wird der 3D-Druck immer mehr auch außerhalb der Einzel- und Prototypenherstellung angewendet.
In vielen Unternehmen ist er ein fester und stetig wachsender Bestandteil der Serienfertigung geworden. Ob er in Zukunft mehr sein kann als nur eine Alternative, steht noch in den Sternen. Sicher ist jedoch, dass sich der 3D-Druck in den kommenden Jahren in immer mehr Bereichen durchsetzen und die Fertigungsabläufe weiter verändern wird. Dem Wunsch nach immer kürzer werdenden Produktions- und Entwicklungszyklen sowie der Nachfrage nach Produktindividualisierungen eröffnet der 3D-Druck weitreichende Möglichkeiten.
3D-Druck in der Ersatzteilfertigung
Beispielhaft für den Einzug der neuen Technologie ist der 3D-Druck von Ersatzteilen. Die Deutsche Bahn nutzt das 3D-Druck-Verfahren für die Fertigung von Ersatzteilen und ist branchenübergreifend Vorreiter auf dem Gebiet.
Stefanie Brickwede, Projektleiterin des Konzernprojektes „3D-Druck“, nennt als Gründe für den Einsatz der additiven Fertigung an erster Stelle die vereinfachte Beschaffung von Ersatzteilen über einen langen Zeitraum. „Wir standen (…) vor der Frage, wie kommen wir an Ersatzteile heran, die heute nicht mehr hergestellt werden. (…) Unsere Züge sind gut 30 Jahre auf der Schiene unterwegs, das heißt länger, als die Möglichkeit der Ersatzteillieferung besteht.“ Die eigene Fertigung benötigter Ersatzteile im 3D-Druck-Verfahren sorgt nicht nur für eine dauerhafte Verfügbarkeit, sondern auch für eine schnelle Beschaffung benötigter Bauteile. Das verkürzt die Stillstandzeiten der Maschinen, senkt die Instandhaltungskosten und schont auch noch die Umwelt, da die vor Ort gefertigten Ersatzteile nicht mehr transportiert werden müssen.
Ein weiterer Grund für den verstärkten Einsatz des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, Einzelteile zu reparieren, statt sie komplett ersetzen zu müssen. Stefanie Brickwede nennt hier einen konkreten Fall: „Mein Lieblingsbeispiel ist das Schloss an der Fahrertür. Dort geht häufig nur die Führungshülse kaputt, aber es müsste das gesamte Schloss ausgetauscht werden. Mittels 3D-Druck bauen wir dieses Teil nun nach und reparieren das Schloss.“
Ende 2017 wurden rund 3 Prozent aller Ersatzteile der Deutschen Bahn im 3D-Druck-Verfahren produziert. Das entspricht einer Gesamtzahl von 2.000 Bauteilen. Aktuell wird die Fertigung von 15.000 Bauteilen angestrebt. *1
3D-Druck für Lebensmittel
In der Lebensmittelindustrie vereint der 3D-Druck die Bereiche „Hochtechnologie“ und „Hochgenuss“ auf äußerst spannende Weise. Schließlich bedient der 3D-Drucker eine der ältesten Grundregeln der anspruchsvollen Küche: „Das Auge isst mit“. Und dank moderner 3D-Drucker bekommt das Auge eine Menge zu sehen.
Neben den „klassischen“ Anwendungen bei der Herstellung von Maschinenteilen und Backformen werden seit einigen Jahren auch Lebensmittel selbst gedruckt. Bereits vor über 10 Jahren begann die NASA mit der Erforschung von 3D-Druckern zur Herstellung von Lebensmitteln für Astronauten. Hier auf der Erde ist die Entwicklung von 3D-Druckern für Lebensmittel noch immer als Spielerei verpönt. Doch die Vorteile von Lebensmitteln aus dem Drucker sind nicht von der Hand zu weisen. Die gestiegene Anzahl von Menschen mit Allergien und Unverträglichkeiten macht eine individuell zusammengestellte Ernährung sinnvoll. Der eigene Vitamin- und Mineralstoffhaushalt kann durch Nahrungsmittelzusätze individuell und automatisiert ausgeglichen werden. Diäten lassen sich mit auf den aktuellen Kalorienbedarf abgestimmten Mahlzeiten deutlich besser und einfach umsetzen. Für alte und kranke Menschen kann die Ernährung auf medizinische Bedürfnisse abgestimmt werden.
All diese Dinge kann man sicherlich auch ohne 3D-Drucker erreichen – ebenso, wie man vor einem Dreivierteljahrhundert seine Speisen auch ohne Mikrowelle hat erwärmen können. Damals war die neue Technologie vielen Menschen suspekt. Erst langsam zogen die Geräte in die Küchen ein. Ob der 3D-Drucker eine ähnliche Erfolgsgeschichte wie die Mikrowelle wird, hängt von vielen Faktoren ab. Entscheidend wird sicherlich die Entwicklung der Preise für die Geräte sein. Denn mit den sinkenden Kosten für die neue Technologie wächst auch ihr Wert für die Industrie. Und die stellt schließlich das Angebot, sobald die Nachfrage steigt.
Die ersten Schritte zur Massentauglichkeit haben die 3D-Drucker bereits hinter sich. Längst forschen nicht nur kleine Firmen und Start-Ups an der neuen Technologie, sondern auch große Unternehmen wie der italienische Pastariese Barilla. Bis die ersten massentauglichen 3D-Drucker in unseren Küchen stehen werden, dürften noch ein paar Jahre vergehen. Sicher aber ist, dass das große Potenzial der neuen Technologie eine Dynamik entwickelt hat, die den Fortschritt vorantreiben wird.
Die „klassischen“ Anwendungen der neuen Technologie
Die Fertigung von Bauteilen im 3D-Druck-Verfahren ist heute in fast allen Industriebereichen in unterschiedlicher Intensität in der Produktionskette vertreten. Vom Modell- und Prototypenbau bis hin zur Serienfertigung haben sich die Vorteile der additiven Fertigung durchgesetzt, wie beispielsweise die Möglichkeit, komplexe Bauteile anzufertigen, oder der Wegfall des Formenbaus und der Montage der Einzelkomponenten.
Eine Umfrage bei den Herstellern ergab, dass rund ein Viertel aller industriell im Einsatz befindlichen 3D-Drucker bereits für die Herstellung von Funktionsteilen eingesetzt wird. Der Anteil der Fertigung von Musterteilen, Werkzeugkomponenten und Prototypen liegt demnach nur noch bei je 7 %.
Hier einige Beispiele für den Einsatz von 3D-Druckern:
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Ausblick
Aktuell stellt die Fertigung im 3D-Druck-Verfahren noch keine Alternative zur klassischen Herstellung von Bauteilen dar. Die additive Fertigung übermittelt aber bereits jetzt positive Impulse und ergänzt die klassische Bauteilfertigung. Wie bei vielen anderen Innovationen zuvor sind Hochtechnologiebereiche wie die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrtindustrie oder auch der automobile Rennsport die „Flaggschiffe“ der Entwicklung. In ihrem Windschatten wird die additive Fertigung von Bauteilen in Zukunft einen immer bedeutenderen Anteil einnehmen.
Schmierstoffe im 3D-Druck
Ob sich 3D-Drucker in Zukunft weiter in die Produktionsabläufe integrieren und einen steigenden Anteil an der Fertigung auch von Serienbauteilen haben werden, hängt nicht zuletzt von der Qualität der Drucker und des gedruckten Bauteils selbst ab. Um den reibungslosen Druckprozess zu gewährleisten, braucht es Schmierstoffe, welche die Leistungsfähigkeit der Drucker nicht einschränken.
Und um die konstante Entwicklung immer neuer Drucker und Druckverfahren zu begleiten, braucht es darüber hinaus Schmierstoffe, die nicht nur aktuellen Anforderungen genügen, sondern auch in Zukunft Spielraum für gleichbleibend gute Druckergebnisse trotz immer schnellerer Bewegungen und höhere Temperaturen bieten.
Die hochwertigen OSIXO®-Schmierstoffe von Costenoble sowie die Krytox™ Produkte aus dem Hause Chemours™ erfüllen diese Vorgaben. Die Schmierstoffe auf PFPE-Basis arbeiten zuverlässig auch unter hohen Temperaturbelastungen und sind für sich besonders schnell bewegende Bauteile optimiert. Dort sorgen sie für eine konstante und langanhaltende Schmierung der Führungsbahnen und Lagerstellen. Darüber hinaus sind sie äußerst stabil und migrieren nicht. Damit bieten sie ein Höchstmaß an Schutz vor der ungewollten Kontamination des Substrats und der fertigen Bauteile.
Doch nicht nur während des Druckprozesses sind OSIXO®- und Krytox™-Schmierstoffe von Vorteil. Ihre chemische Inertheit und hohe Produktkompatibilität machen sie zu optimalen Schmierstoffen für die im 3D-Druck-Verfahren hergestellten Bauteile. Sie sind mit nahezu allen Substraten kompatibel, greifen die Materialien nicht an und haben auch sonst keinerlei negative Auswirkung auf die Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile. In vielen Fällen können Produkte der OSIXO®- oder Krytox™-Serien bestimmte Nachteile der im 3D-Druck-Verfahren hergestellten Bauteile ausgleichen. Diese besitzen nämlich eine raue Oberfläche, was zur verstärkten Abrasion führen kann. OSIXO®- und Krytox™-Fette können diese Oberflächenrauheit ausgleichen und die Haltbarkeit der Bauteile entscheidend verlängern. Diese Glättung der Oberfläche macht die Bauteile auch weniger anfällig für eindringendes Fremdmaterial wie Kühl- oder Reinigungsmittel.
Abschließend lässt sich festhalten, dass OSIXO®- und Krytox™-Produkte die optimalen Begleiter einer Technologie sind, die das Potenzial hat, in den nächsten Jahren den Planungs- und Produktionsprozess zu optimieren und Entwicklern und Ingenieuren weitreichendere Möglichkeiten bei der Herstellung neuer Bauteile und der Reparatur bestehender Maschinen und Anlagen zu liefern.
Quellen:
* https://inside.bahn.de/3d-druck-interview/“
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