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3D-Druck für die Industrie

Obwohl der 3D-Druck erst seit wenigen Jahren einen enormen Aufschwung erfährt, gibt es ihn bereits über 30 Jahre. Zu den damaligen Vorreitern gehörte unter anderem VW, der 3D-Objekte in Form von Prototypen druckte. Inzwischen gewinnt dieses Produktionsverfahren in vielen Unternehmen an Attraktivität – und das zurecht. Denn mit Hilfe des 3D-Drucks können selbst komplizierte Bauteile einfach produziert werden. Dadurch eröffnen sich vor allem in der Industrie neue Möglichkeiten. So ist mittlerweile zum Beispiel die Serienfertigung in kleinem und großem Umfang möglich.

Großes Potenzial für 3D-Druck

3D-Druck-Anbieter wie Protiq reagieren auf die steigende Nachfrage mit einem wachsenden Angebot und mehr Möglichkeiten durch Materialien und Verfahren. Kunststoff ist somit nicht mehr das einzige Material, das zur Herstellung von 3D-Objekten verwendet werden kann: Aluminium, Keramik, Gips und mehr stehen der Industrie als Werkstoffe bereit. Und konzentrierte sich dieses Produktionsverfahren zu Beginn auf Prototypen, sind den Möglichkeiten nun kaum Grenzen gesetzt.

Die stetige Weiterentwicklung der 3D-Druck-Technologien bringt zahlreiche Vorteile mit sich und führt vor allem die Digitalisierung ein ganzes Stück voran: ein großer Schritt in Richtung Industrie 4.0. Der 3D-Druck hält dabei vor allem wirtschaftlich ein großes Potenzial bereit, beschleunigt Innovationen und Lieferketten und reduziert die Lagerhaltung. Einfacher, schneller und präziser – 3D-Druck Verfahren helfen Unternehmen viele Hürden zu meistern, die sie derzeit bei ihrer Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit eingrenzen.

Für jeden Einsatz die richtige Lösung

Der 3D-Druck bemächtigt sich des additiven Fertigungsprozesses und schafft dadurch neue Maßstäbe in Sachen Qualität und Präzision. Bei dem Druck handelt es sich um zweidimensionale Schichten, die nacheinander aufgetragen werden. Grundlage für die computergesteuerte Fertigung bildet eine dreidimensionale CAD-Datei, die wichtige Informationen zu den Maßen der einzelnen Druckschichten enthält. Dank unterschiedlicher Verfahren und Werkstoffe kann der Fokus für jede Fertigung individuell gesetzt und verschoben werden.

Materialien für 3D-Druck

Als Material für 3D-Objekte dienen sowohl flüssige als auch feste Werkstoffe. Klassisch wird Kunststoff verwendet. Dank seiner besonderen Eigenschaften kann es vielseitig eingesetzt werden, unter anderem als flexibles oder funktionales, belastbares Bauelement. Weitere typische Werkstoffe für den 3D-Druck sind unter anderem Kunstharz, Keramik sowie Metall. Letzteres eignet sich besonders für komplexe Objekte, die Hinterschneidungen oder innere Strukturen enthalten. Sollen die Bauelemente zusätzlich thermisch und elektrisch isolieren, wird bevorzugt auf Keramik zurückgegriffen. Hier entstehen präzise Bauteile jeglicher Größe, die hitzeresistent sind und somit bestens geeignet für Umgebungen mit hohen Temperaturen.

Die möglichen Fertigungsprozesse im Detail

Im Bereich der additiven Fertigung stehen einem Unternehmen verschiedene Produktionsverfahren zur Verfügung, die Einfluss auf das finale 3D Objekt haben. Hier finden Sie eine kleine Übersicht zu den geläufigsten Prozessen, als da wären:

  • Selektives Laserschmelzen bzw. Selektive Laser Melting (SLM)
    • Material: verschiedene Metalle.
    • Das Material wird in Form eines feinen Pulvers in dünnen Schichten aufgetragen und durch einen hochenergetischen Faserlaser geschmolzen.
    • Vorteile: hohe Bauteilgüte, Geometriefreiheit und keine Nachbearbeitung dank fehlender Stützkonstruktionen.
  • Selektives Lasersintern bzw. Selective Laser Sintering (SLS)
    • Material: unterschiedliche Polyamid-Mischungen.
    • Grundlage für dieses Verfahren bildet ein sehr feines Pulver, das durch einen Laserstrahl verschmolzen und verfestigt wird.
    • Vorteile: direkt einsatzbereit, preiswert, mechanische und thermische Belastbarkeit, hohe Bauteilgüte, Geometriefreiheit und keine Nachbearbeitung dank fehlender Stützkonstruktionen.
    • Nachteile: etwas raue Oberflächenbeschaffenheit, langsamer Produktionsprozess, einfarbige Objekte.
  • Multi Jet Fusion (MJF)
    • Material: Polyamid.
    • Durch Hitze und Flüssigkeit wird das Polyamidpulver an der richtigen Stelle verschmolzen.
    • Vorteile: mechanische und thermische Belastbarkeit, schneller Produktionsprozess, keine Stützkonstruktionen notwendig, hohe Bauteildichte, komplexe Objekte möglich.
    • Nachteile: etwas raue Oberfläche, einfarbige Objekte.
  • Stereolithographie (SLA)
    • Material: Kunststoffe und Harze, die bei UV-Licht oder Hitzeeinwirkung aushärten.
    • Der Ausgangsstoff wird mit Hilfe einer UV-Lichtquelle oder eines Lasers an den passenden Stellen ausgehärtet.
    • Vorteile: schneller Produktionsprozess durch Einsatz mehrerer Laser möglich, hohe Produktionsgenauigkeit, Detailtreue und feine Oberflächen, komplexe Objekte möglich, z. T. mechanische Belastbarkeit, transparente Bauelemente möglich.
    • Nachteile: Materialbegrenzung auf UV-härtbare Kunststoffe und Harze, kostspielig, einfarbige Objekte, Nachbearbeitung bei Stützkonstruktionen erforderlich, evtl. zusätzliche Aushärtung im UV-Schrank notwendig.
  • PolyJet/MultiJet Modeling (MJM)
    • Material: Photopolymer-Materialien, die bei UV-Licht oder Hitzeeinwirkung aushärten.
    • Bei diesem Verfahren tragen mehrere Druckknöpfe das Material in dünnen Schichten von 0,016 mm auf und anschließend direkt mit UV-Licht ausgehärtet, wodurch die Objekte ihre Stabilität erhalten. Ein wasserlösliches Stützmaterial füllt die Zwischenräume und kann anschließend einfach wieder entfernt werden.
    • Vorteile: hohe Genauigkeit und Präzision, glatte Oberflächen, schneller Produktionsprozess, Druckgeschwindigkeit unabhängig von Anzahl an Bauteilen im Bauraum, transparente Bauelemente möglich, verschiedene Materialeigenschaften auch innerhalb eines Bauelements möglich (flexibel, gummiartige, stabil, mehrfarbig etc.), nur geringe Nachbearbeitung notwendig.
    • Nachteile: begrenzte Hitzebeständigkeit, kostspielig.

Was ist dank 3D-Druck möglich?

Die hohe Materialvielfalt sowie die zahlreichen unterschiedlichen Fertigungsverfahren sorgen für ein breites Anwendungsgebiet: Die Möglichkeiten des 3D-Drucks reichen vom Werkzeugbau über die individuelle (Klein-)Serienfertigung bis hin zum Prototypenbau – und das branchenübergreifend.

Dank der zahlreichen Vorteile wird der 3D-Druck auch für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) maßgeblich attraktiver. So bietet er preiswerte Möglichkeiten bei hoher Fertigungs- und Materialqualität. Gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren ist der 3D-Druck eine durchaus attraktive Alternative. Warum das so ist, erfahren Sie hier im Detail.

Besonders umweltfreundliche Produktion

Für jeden neuen Druck wird fast ausschließlich das Material verbraucht, welches für das Objekt benötigt wird. In den meisten Produktionsverfahren wird das gesamte Material aufgebraucht, um das jeweilige Objekt herzustellen. Somit entstehen kaum bis gar keine Abfallprodukte. Das schont die Ressourcen des Unternehmens und tut darüber hinaus der Umwelt gut.

Jedoch kommen etwa im Spritzgussverfahren einige Produktionen nicht ohne Stützkonstruktionen aus, die erst im Nachhinein entfernt werden. Um hier den Abfall so gering wie möglich zu halten, werden einige Werkstoffe bereits eingeschmolzen und wiederverwertet.

Lokale Fertigungsprozesse

Ein großer Faktor, der ebenfalls zu einer umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Produktion beiträgt, sind die wegfallenden Lieferungen aus dem Ausland. Wurden bisher viele Produkte aus Kostengründen im Ausland wie Asien produziert, verschieben die 3D-Drucke diese Prozesse wieder zurück zu den Produktionsunternehmen oder sogar in die Nähe der eigentlichen Verbraucher.

Genauigkeit und Komplexität

Dank der additiven Verfahren werden das Abbilden und Produzieren komplexer Strukturen wie Hohlräume oder andere innenliegende Strukturen möglich. Das ermöglicht neue Innovationen und schafft mehr Gestaltungsfreiheit, wodurch unter anderem das Produktdesign profitiert. Die fortschreitende Entwicklung der 3D-Drucker und Prozesse fürht zu steigender Qualität und Präzision der Drucke.

Schnelle und preiswerte Produktionsmöglichkeiten

Schneller, einfacher, günstiger – fertige Entwürfe werden ganz einfach auf das 3D-Modell übertragen und können direkt umgesetzt werden. Verkürzte Entwicklungsphasen und die Möglichkeit zur sofortigen Herstellung reduzieren beachtlich die gesamte Time-to-Market. Dabei spielt die Komplexität des Objekts keine Rolle, denn meist ist nur eine geringe bis gar keine Nachbearbeitung erforderlich. Mit der geringen Produktionszeit und weiteren entscheidenden Faktoren wie reduziertem Materialverbrauch sinken gleichzeitig die entstehenden Kosten. Das macht die Verfahren umso attraktiver.

Reproduzierbarkeit

Bereits vorhandene 3D-Objekte können jederzeit erneut gedruckt werden. Hierfür wird kein Zusatzaufwand notwendig, da das 3D-Modell bereits als CAD-Datei vorhanden ist.

3D-Druck – ein Blick in die Zukunft

Mehr als 30 Jahre 3D-Druck – und doch werden die Möglichkeiten erst jetzt angegangen. Die vielen neuen Perspektiven, die sich dadurch eröffnen, sind also noch lange nicht ausgeschöpft. Derzeit stoßen wir bei den Produktionsverfahren noch an einige Grenzen, wie das verwendbare Material, die begrenzte Stückzahl oder die Größe der zu druckenden Teile.

Und dennoch erkennen schon jetzt viele große, aber auch immer mehr mittelständische und kleine Unternehmen das hohe Potenzial des 3D-Drucks. So war der 3D-Druck auf dem PrintCongress 2014 eines der wichtigsten Themen. Gerade im Zeitalter der Digitalisierung ist der digitalisierte Produktionsprozess ein wichtiger Schritt für die industriellen Unternehmen, um aufzuholen und mit den Anforderungen und Erwartungen mitzuhalten.

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