3D-Druck – eher Evolution als Revolution

von Ralf Steck

Teil 1: Der Stand der Technik

Im Jahr 2013 wurde auf diesem Blog über „Ist der 3D-Druck das Ende der globalen Supply Chain?“ spekuliert. Heute, fast drei Jahre und einen heftigen 3D-Druck-Hype später, ist es Zeit, den aktuellen Stand der Technik zu analysieren und die Auswirkungen auf unsere Welt zu bewerten. Dieser zweiteilige Beitrag versucht im ersten Teil eine Standortbestimmung und gibt im zweiten Teil einen Ausblick auf Basis des aktuellen Entwicklungsstands.

Ist der 3D-Druck tatsächlich eine Revolution?

Die Antwort darauf ist nicht einfach, da Begriffe wie „3D-Druck“, „Additive Fertigung“ oder „Rapid Prototyping“ häufig synonym verwendet werden, sich hinter ihnen aber ganz unterschiedliche Technologien, Philosophien und Konzepte verbergen. Die Reife und Marktdurchdringung dieser Technologien sind heute wie 2013 je nach Branche und Einsatzzweck sehr unterschiedlich. Eins ist jedoch sicher: Der 3D-Druck ist in immer mehr Bereichen und Einsatzgebieten eine etablierte Technologie, die den Markt verändert.

Der 3D-Druck-Hype, der 2013 begann und – zumindest in der Presse – etwa ein Jahr dauerte, hinterließ den Eindruck, dass hier eine neue Technologie auf den Markt drängt. Dies ist vielleicht die Erklärung dafür, dass die Erwartungen dermaßen hoch waren; zwischendurch konnte man den Eindruck gewinnen, in wenigen Monaten würden sämtliche Fertigungstechnologien durch 3D-Druck ersetzt und jedermann am heimischen Schreibtisch mit einem solchen Gerät seine eigenen Ersatzteile herstellen.

Doch die Anfänge der additiven Technologien – wie sie im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung genannt werden, bei der beispielsweise in Dreh- oder Fräsmaschinen Material abgehoben wird, um eine Form zu erzeugen – reichen viel weiter zurück als man gemeinhin weiß – wie auch die Anfänge der beiden größten Anbieter zeigen: Chuck Hull erfand im Jahr 1983 das Stereolithographieverfahren und gründete 3D Systems, 1989 patentierte Stratasys-Gründer S. Scott Crump das Fused Deposition Modeling, das heute in nahezu allen preiswerten 3D-Druckern eingesetzt wird. Fast dreißig Jahre Entwicklungszeit und Einsatz in der Industrie also, in denen eine Vielzahl weiterer Technologien entstand, die spezielle Anforderungen erfüllen.

Richtig ist allerdings, dass nach dem Auslaufen der wichtigsten Patente der Markt explodiert ist und dementsprechend die Weiterentwicklung an Fahrt gewann. Im Materialbereich ist von Jahr zu Jahr eine große Verbesserung spürbar, und parallel dazu steigt die Zahl der realen Anwendungen. Der Fokus bewegt sich also tatsächlich vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing. Und rückt damit tatsächlich, wie im ersten Blogbeitrag beschrieben, in den Bereich der Supply Chain.

Und was im ersten Beitrag noch Mutmaßung war, lässt sich heute an realen Beispielen analysieren. Wenn man dabei die verfügbaren Technologien und deren Fähigkeiten berücksichtigt, kann man tatsächlich sehr viel genauer als 2013 darstellen, wohin die Reise geht.

Fakt 1: Gedruckte Teile sind von der Belastungsrichtung abhängig

Die im 3D-Druck eingesetzten Materialien verhalten sich (meist) nicht realistisch. Das hört sich im ersten Moment seltsam an, wenn man weiß, dass die Vielfalt von Kunststoffen für den 3D-Druck immer größer wird und auch Metalle wie Titan, Edelstahl oder Gold verarbeitet werden können. Doch die Fertigungstechnologie macht hier einen Strich durch die Rechnung, zumindest bei Kunststoffen – ein 3D-gedrucktes Teil wird sich immer anders verhalten als ein spritzgegossenes. Bei Metall-Laserdruck gilt das Folgende nur eingeschränkt, die Teile sind wesentlich weniger richtungsabhängig.

3D-gedruckte Bauteile werden immer schichtweise aufgebaut. Das führt vor allem bei Kunststoffen zu anisotropen Materialeigenschaften, das bedeutet, die Eigenschaften hängen von der Belastungsrichtung ab, ähnlich wie bei Holz. Die Kunststoffmolekülketten liegen immer schichtweise und verbinden sich nicht oder kaum mit den Ketten der darunterliegenden Schicht. Ein Material verhält sich also unterschiedlich, je nachdem ob es spritzgegossen oder gedruckt wird. Beim Laserdruck von Metall werden Metallkörnchen miteinander verschweißt, was zu einer stärkeren Haftung zwischen den Schichten führt und die Eigenschaften gleichmäßiger macht.

Dies gilt es zu berücksichtigen: Definiert man die Materialstärke entsprechend dicker, lässt sich die verminderte Festigkeit gut kompensieren. Das bedeutet jedoch, dass ein 3D-Druckteil bei gleichen Anforderungen anders aussieht als dasselbe Teil beispielsweise aus der Spritzgussform oder wenn es aus einem Stahlklotz gefräst wurde.

Fakt 2: Die Herstellungszeiten sind sehr lang

Auch hier schlägt das schichtweise Erstellen des Bauteils zu Buche: Je feiner die Oberfläche und je detailreicher das Teil sein soll, desto dünner müssen die einzelnen Schichten sein. 0,2 Millimeter Schichtdicke ist schon eher grob, feine Oberflächen erfordern Schichtdicken unter 0,1 Millimeter. Demensprechend lange dauert es, bis ein Bauteil fertig ist. Und da die gesamte Oberfläche oder zumindest der Rand der Geometrie in jeder Schicht abgefahren werden muss, steigt die Herstellzeit mit der Bauteilgröße stark an. Deshalb gibt es kaum sehr große Drucker.

Im 3D-Druckbereich sind Herstellzeiten von Stunden oder gar Tagen keine Seltenheit, was im Gegensatz zum Spritzguss, wo teils Dutzende von Teilen in der Minute entstehen, ein gewaltiger Unterschied ist. Für die Massenproduktion ist der 3D-Druck damit nicht geeignet.

Fakt 3: Komplexität ist kostenlos

Der große Vorteil der 3D-Drucktechnologie ist die große Freiheit in der Gestaltung – nahezu jede Form und sogar mehrteilige, bewegliche Baugruppen lassen sich mit diesen Verfahren herstellen. Bei herkömmlichen Fertigungsverfahren, beispielsweise beim Fräsen, wird es umso teurer, je komplexer die Formgebung eines Teils ist – weil beispielsweise viele verschiedene Fräser benutzt werden müssen oder das Bauteil mehrmals neu eingespannt wird. Dem 3D-Drucker ist es dagegen fast völlig einerlei, ob er einen Würfel oder ein Kugellager mit eingebauten, beweglichen Kugeln druckt – lediglich die Druckzeit erhöht sich etwas. Wenn also die Spritzgussteile im vorigen Beispiel noch aufwändig nachbearbeitet werden müssen, weil sich die komplexe Geometrie nicht mehr aus der Form entnehmen ließe, kann es tatsächlich doch preiswerter sein, Massenteile zu 3D-drucken.

Nimmt man diese drei Gesichtspunkte zusammen, kann man abschätzen, wo 3D-Druck tatsächlich revolutionär wirkt – und wo nicht.

Im zweiten Teil meines Blogbeitrags werde ich anhand von vier aktuellen und realisierten Beispielen aufzeigen, in welche Richtung sich der 3D-Druck entwickeln wird.



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Über den Autor

  • Ralf Steck

    Ralf Steck ist Maschinenbau-Ingenieur, freier Fachjournalist, Autor, Moderator und Speaker. Er bloggt auf www.EngineeringSpot.de über Soft- und Hardware für die digitale Produktentwicklung und bastelt an seiner Freizeit an 3D-Druckern, seiner CNC-Fräse und Oldtimern.

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