Additive Fertigung_print.indd - Hessen

Transcription

Hessisches Ministerium für Wirtschaft,
Energie, Verkehr und Landesentwicklung
www.hessen-nanotech.de
Additive Fertigung
Der Weg zur individuellen Produktion
Additive Fertigung
Band 25 der Schriftenreihe
der Technologielinie Hessen-Nanotech
Impressum
Additive Fertigung
Band 25 der Schriftenreihe der Technologielinie Hessen-Nanotech
des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung
Erstellt von
Dr. Sascha Peters
HAUTE INNOVATION – Agentur für Material und Technologie
Fidicinstraße 13
10965 Berlin
Redaktion
Sebastian Hummel
(Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung)
Dr. David Eckensberger
(Hessen Trade & Invest GmbH, Hessen-Nanotech)
Herausgeber
Hessen Trade & Invest GmbH
Konradinerallee 9
65189 Wiesbaden
Telefon 0611 95017-8326
Telefax 0611 95017-8620
www.htai.de
Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und
die Vollständigkeit der Angaben sowie für die Beachtung privater Rechte Dritter.
Die in der Veröffentlichung geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht
mit der Meinung des Herausgebers übereinstimmen.
© Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung
Kaiser-Friedrich-Ring 75
65185 Wiesbaden
www.wirtschaft.hessen.de
Vervielfältigung und Nachdruck – auch auszugsweise – nur nach vorheriger
schriftlicher Genehmigung.
Titelbild: EDAG Genesis (Quelle: EDAG)
Lektorat: Gabriele Kopf
Gestaltung: Piva & Piva, Darmstadt
Druck: A&M Service GmbH
April 2015
ADDITIVE FERTIGUNG
Inhalt
Vorwort und Motivation
1
1.
Einleitung: Die additive Fertigung –
Potenziale im Kontext der vierten industriellen Revolution – Die Vision
2
2.
Additive Technologien und Fertigungsverfahren
4
2.1 Grundprinzipien und Verfahren
4
2.2 Datenerzeugung und Prozesskette der additiven Fertigung 22
2.3 Prozessketten unter Integration additiver Fertigungsverfahren
24
3.
Neue Wertschöpfung mit additiver Fertigung
26
3.1 Markteinschätzung
27
3.2 Qualitative Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
29
3.3 Anwendungsszenarien und Branchen
30
3.4 3D-Druckdienstleister und Content-Plattformen
45
3.5 Rechtsfragen im Kontext der additiven Fertigung
48
4.
Additive Fertigung: Ausgewählte Erfolgsgeschichten, Potenziale und Projekte aus Hessen
50
4.1Adam Opel AG: Montagehilfen aus dem 3D-Drucker für die Endfertigung 51
4.2EDAG Genesis / Light Cocoon: Additive Technologien für die Fertigung
eines Fahrzeug-Skelettrahmens
52
4.3
FKM Sintertechnik: Fabrik der Zukunft für das Zeitalter der Additiven Fertigung
54
4.4
sauer product: Schnellere Markteinführung dank additiver Fertigung
56
4.5Philipps-Universität Marburg: Additive Fertigung von individuellem Zahnersatz
und Kieferknochen
57
4.6
4D Concepts: Mit Generativer Fertigung zur ‚Customized‘ Sportschuh-Einlage
58
4.7
Universität Kassel: 3D-Druck zementgebundener Formteile
59
4.8
Technische Universität Darmstadt: CAD/CAM Prozesskette für die digitale Fertigung
60
4.9
Fab Lab Darmstadt: Digitales Produzieren und Gründen
61
4.10 Fraunhofer LBF: Polymerisierbare Drucktinten für den porenarmen 3D-Druck und
Piezo-Aktoren mit SLM-Gehäuse 62
4.11
Hochschule für Gestaltung Offenbach: Projekte rund um additive Technologien
64
4.12
3D Scaper: Selfies in der dritten Dimension
66
4.13
Europäische Weltraumbehörde: Lunare Raumstationen aus gedrucktem Gestein
67
5.
Unternehmen, Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Verbände zum Themengebiet
der additiven Fertigung aus Hessen
68
6.
Literatur
71
ADDITIVE FERTIGUNG
Vorwort
Sie stehen am Freitagabend unter der Dusche und heraus
kommt nur eiskaltes Wasser. Der Notdienst kommt zwar
sofort, aber das notwendige Ersatzteil kann erst nächste
Woche bestellt werden. Wie schön wäre es, hätte der
Installateur einen 3D-Drucker zur Hand, mit dem er das
Teil an Ort und Stelle ausdrucken könnte.
Was jetzt noch wie Zukunftsmusik klingt, ist in einigen
Bereichen schon sehr nahe an der Wirklichkeit. Hat man
vor einigen Jahren das Potenzial des 3D-Drucks noch
alleine im Prototypenbau gesehen, lässt die technische
Entwicklung diese Geräte immer weiter vordringen – bis
hinein in Privathaushalte. Heute arbeiten sie sogar in
den anspruchsvollsten Anwendungsfeldern, etwa in der
Luftfahrttechnik. So verbaut etwa Airbus im A350 Teile
aus additiver Fertigung, zu der auch der 3D-Druck gehört.
Ein in der öffentlichen Wahrnehmung noch nicht genügend gewürdigter Vorteil ist Ressourceneffizienz. Wird
beim klassischen Zerspanen von einem großen Materialblock so lange Material abgetragen, bis nur noch die
angestrebte Form übrig bleibt, geht der 3D-Druck den
umgekehrten Weg: Er platziert das Material genau an der
Stelle, an der es benötigt wird, ähnlich einem natürlichen
Wachstumsprozess. Deshalb lassen sich bei diesem Verfahren Aufbauprinzipien der Natur wesentlich leichter auf
technische Systeme übertragen – ein großes Potenzial
für bionische Entwicklungen, deren Möglichkeiten bisher
mangels geeigneter Fertigungsmethoden noch vielfach
ungenutzt bleiben.
Mit der zu erwartenden Verbreitung additiver Fertigungstechniken werden aber auch bestehende Wertschöpfungsketten in Frage gestellt und neue Geschäftsmodelle und
Logistikprozesse denkbar. So soll in Zukunft die direkte
Erzeugung von Ersatzteilen in der Kfz-Werkstatt ebenso möglich werden wie der Ausdruck individualisierter
Produkte in Geschäften für Elektrogeräte oder Designartikel. Die digitalen Baupläne könnten auf Plattformen
im Internet zur Verfügung stehen.
Ein Anwendungsbereich, in dem ebenfalls ganz neuartige
Produkte und Anwendungen realistisch erscheinen, ist
die Medizintechnik. Individuelle Implantate und Zahnersatz sind bereits am Markt erfolgreich. Jetzt hoffen
Mediziner auf das Bioprinting, den „Druck“ menschlichen
Gewebes, etwa von Hautpartien zur Behandlung von
Brandverletzungen.
Ich blicke gespannt auf eine Entwicklung, die in den
letzten Jahren deutlich an Dynamik gewonnen hat und
noch so viel verspricht. Wir hoffen, Ihnen mit der vorliegenden Broschüre Denkanstöße für innovative Vorhaben
geben zu können.
Tarek Al-Wazir
Hessischer Minister für Wirtschaft, Energie,
Verkehr und Landesentwicklung
. VORWORT: DIE ADDITIVE FERTIGUNG
1
1. Einleitung: Die additive Fertigung –
Potenziale im Kontext der vierten industriellen
Revolution – Die Vision
Mit der Entwicklung additiver Fertigungsverfahren seit
den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden einige
wichtige Grundlagen für die nächste und damit vierte
industrielle Revolution geschaffen. Während die erste
industrielle Revolution seit der zweiten Hälfte des 18.
Jahrhunderts die Überführung handwerklicher Tätigkeiten in mechanisierte Abläufe mithilfe von Wasser- und
Dampfkraft meint, wurde mit der zweiten industriellen
Revolution arbeitsteilige Massenfertigung an elektrisch
betriebenen Fließbändern möglich. Der dritte große
Entwicklungssprung industrieller Prozesse ging auf den
Einsatz der Informationstechnologien zur Automatisierung
der Produktion zurück. Die intelligente Organisation
dezentraler Fertigungseinheiten durch Verknüpfung von
Informations- und Produktionstechnologie im Internet der
Dinge wird die Grundlage bieten für die vierte industrielle Revolution, in der Experten große Potenziale für
die deutsche Wirtschaft im globalen Wettbewerb sehen.
Es wird erwartet, dass Kunden in Zukunft über Internet-Portale den Kauf eines Produkts auslösen, die Daten
für Bauteile abrufen, beeinflussen und archivieren sowie den Status eines Produktionsauftrags überwachen
können. Der Herstellungsprozess wird mit dezentralen
Produktionseinheiten dort stattfinden, wo es aus Sicht der
räumlichen Verortung des Kunden und der Auslastung der
Fertigungseinheiten sinnvoll erscheint. Nicht die Produkte
werden um den Globus geschickt, sondern lediglich die
Dateien für ihre Fertigung – individuell anpassbar bis weit
in den Produktionsprozess hinein. Die digitalen Fabriken
werden sich nicht mehr nur in Fernost befinden, sondern
aus dezentralen Produktionseinheiten in regionaler Nähe
bestehen, die ‚Einzelstücke vom Band‘ zu vergleichbaren
Preisen wie bei der Massenproduktion möglich machen.
Produkte, Maschinen und Transportboxen sind über Mikrochips mit dem Web verbunden. Das Internet der Dinge
wird die Selbstorganisation intelligenter Produktionsabläufe ermöglichen und eine Steigerung der Produktivität
von bis zu 50 Prozent nach sich ziehen. Zudem wird die
Speicherung von Rohstoffinformationen im Produkt die
Rezyklierbarkeit fördern und geschlossene Materialkreisläufe ermöglichen. Experten gehen dabei mittelfristig
von Einsparpotenzialen an Energie und Ressourcen in
der Größenordnung von 20 bis 25 Prozent aus.
2
ADDITIVE FERTIGUNG
Den additiven Fertigungsprozessen wird im Kontext der
vierten industriellen Revolution eine entscheidende Rolle
beigemessen. Denn durch den aufbauenden Charakter
wird das bisherige Verständnis konventioneller, Material abnehmender zerspanender Techniken wie Fräsen,
Bohren oder Drehen vollständig revidiert. Dabei werden
nicht nur Ressourcen eingespart und Produktionsabfälle
vermieden, es werden Produktteile mit derart komplexen
Geometrien möglich, die auf konventionellem Wege
wie mittels Gussverfahren gar nicht umsetzbar wären.
Experten gehen davon aus, dass sich die generative
Fertigung zunächst als Ergänzung zu bisherigen Produktionsprozessen etablieren wird. Auffällig ist schon
heute die große Anzahl von Unternehmensgründungen
im kleingewerblichen Bereich, die durch Weiterentwicklung der Produktionsverfahren ausgelöst wurde. Die
Möglichkeit zum Betrieb von Mini-Fabriken mit neuen
Geschäftsmodellen und individualisierten Produkten
haben 3D-Druck-Entrepreneure in nahezu allen größeren
Städten aktiv werden lassen, die zudem durch Crowdfunding-Kampagnen das nötige Kapital über das Internet
und soziale Netzwerke finden konnten (vgl. Horscher,
Florian: 3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself-guide.
München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2014).
„Es wird massenhaft Nischen geben“, sagt der Internet-Visionär Chris Anderson und blickt in die Zukunft des
3D-Drucks. „Wir werden einfach nur mehr von allem sehen:
Mehr Innovation, an mehr Orten, von mehr Menschen,
die sich auf mehr und engere Nischen konzentrieren.
Gemeinsam werden all diese neuen Produkte die industrielle Wirtschaft neu erfinden, oft mit nur wenigen
Tausend Stück auf einmal, aber es werden die genau
richtigen Produkte für einen zunehmend anspruchsvollen
Konsumenten sein.“ (Quelle: Anderson, C.: Makers. Das
Internet der Dinge: die nächste industrielle Revolution.
München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2013)
Verwendung additiver Techniken für den Bau einer Raumstation auf dem Mond (Quelle: ESA, Foster+Partners)
Diese Entwicklung scheint auch für Länder attraktiv zu sein,
die in den letzten Jahrzehnten einen enormen Abbau der
industriellen Produktion hin zum Dienstleistungssektor
zugelassen haben. Additive Fertigungstechnologien
werden als Schlüssel zur Re-Industrialisierung von Volkswirtschaften erkannt und wahrgenommen.
Internets der Dinge vorbereiten soll. China geht bereits
von einem Umsatz von 1,6 Milliarden US-Dollar aus, der
in den nächsten Jahren von chinesischen Unternehmen
mit additiven Technologien erwirtschaftet werden wird
(Quelle: VDI: Statusreport „Additive Fertigungsverfahren“,
Verein Deutscher Ingenieure e.V., September 2014).
In seiner Rede zur Lage der Nation im Februar 2013 nannte
US-Präsident Barack Obama die additive Fertigung als
Grundlage für ein neues Wachstum der US-Produktion.
Das Weiße Haus will daher insgesamt eine Milliarde
US-Dollar an Fördermitteln bereitstellen und ein Netzwerk
aus Förderinstitutionen für die amerikanische Wirtschaft
etablieren. Mit dem Forschungsprogramm Horizont
2020 will die Europäische Kommission den Ausbau
additiver Fertigung in Europa unterstützen und durch
Innovationen in diesem Gebiet stärken. Denn während
US-amerikanische Unternehmen vor allem den Bereich
der Extrusionsverfahren bestimmen, werden die für die
industrielle Produktion im Automobil- und Luftfahrtbereich wichtigen Metallsysteme weitgehend von den drei
deutschen Anlagenherstellern SLM, Laser Concept und
EOS beherrscht.
Noch ist der Markt rund um die generative Fertigung
überschaubar. Dass es einen Wandlungsprozess hin zu
einer stärkeren Verwendung additiver Produktionstechnologien geben wird, ist für einige Anwendungsgebiete
und Industriebranchen unbestritten. Die Geschwindigkeit des Wandlungsprozesses wird von zahlreichen
Faktoren beeinflusst. Noch sind die Verfahren nicht für
eine Massenproduktion ausgelegt. Vor allem der meist
notwendige Aufwand zur Nachbehandlung generativ
erstellter Bauteile macht noch große Entwicklungsanstrengungen notwendig. Für welche Produktbereiche
und Anwendungsfelder sich die generative Fertigung am
besten eignen wird, ist daher derzeit Gegenstand intensiver Diskussionen. Ob wir dem Wandel im Nachhinein
tatsächlich den Charakter einer industriellen Revolution
zuschreiben, bleibt abzuwarten. Die Entwicklungen am
Markt in den letzten beiden Jahren lassen jedoch ein
großes Potenzial vor allem für die deutschen und auch
die hessischen Unternehmen vermuten. Daher werden in
den folgenden Kapiteln die wesentlichen technologischen
Rahmenbedingungen additiver Fertigungsprozesse und
ihre Potenziale für die unterschiedlichen industriellen
Branchen näher beschrieben.
Doch nicht nur in der westlichen Welt wird eine stärkere
Verwendung additiver Fertigungsprozesse angestrebt,
auch asiatische Länder bringen sich durch die Bereitstellung von Fördermitteln in Stellung. In China und Singapur
stehen dreistellige Millionenbeträge bereit, die die dortige
Industrie auf den Wandlungsprozess in ein Zeitalter des
. EINLEITUNG: DIE ADDITIVE FERTIGUNG
3
2. Additive Technologien und Fertigungsverfahren
In der Science-Fiction-Saga Raumschiff Enterprise bezeichnete der ‚Replikator‘ eine Anlage, mit der aus einzelnen
Atomen ganze Bauteile und Waffen, Speisen und Getränke
scheinbar beliebig zusammengesetzt werden konnten.
Marshall Burns nannte seine Idee von der digitalen
Heimfabrik 1987 ‚Fabber‘, kleine dezentrale Fabrikationsanlagen, mit denen die Vision von der Produktion von
Einzelteilen möglich werden sollte. Seitdem sind zwar
über 20 Jahre vergangen, doch durch Weiterentwicklung
von Produktionstechnologie, Software und Materialien
wird das Zukunftsszenario nun immer realistischer (Peters 2011). Die Grundlage für die Entwicklung bilden so
genannte additive Fertigungsprinzipien, die, anders als
bei konventionellen Produktionsprozessen üblich, nicht
Material abnehmen (wie beim Drehen, Bohren, Sägen,
Fräsen) oder Werkstoffe umformen (wie beim Biegen,
Ziehen), sondern aufbauen beziehungsweise generieren.
In der Fachliteratur haben sich daher die Bezeichnungen
additive beziehungsweise generative Fertigungsverfahren etabliert. Mit den großen Verkaufszahlen von
Consumer-Anlagen bis in den privaten Bereich hat sich
die Bezeichnung ‚3D-Druck‘ als weitere – wenn auch
eigentlich zu knapp gefasste – Alternative etabliert.
2.1 Grundprinzipien und Verfahren
Die heute bekannten additiven Herstellungsverfahren
und Anlagentypen lassen sich hinsichtlich der verwendeten Materialien in fünf generative Fertigungsprinzipien unterteilen. Dabei geht man von unterschiedlichen
Halbzeugen als Ausgangsstoffen und verschiedenen
Wirkprinzipien aus, die den schichtweisen Aufbau der
Feststoff
Aggreagatzustand
Halbzeug
Wirkprinzip
Verfahren
Printing), Schmelzschicht- bzw. Schichtlaminatverfahren
eingeteilt werden.
Eine Auswahl der einzelnen Technologien erfolgt in aller
Regel hinsichtlich der verwendbaren Werkstoffe, der
realisierbaren Genauigkeit, der möglichen mechanischen
Qualität, des maximalen Anlagenbauraums sowie des
Draht
Flüssigkeit
Pulver
Folie / Platte
Flüssigkeit
Aufschmelzen und
Erstarren
Aufschmelzen und
Erstarren
Verkleben durch
Binder
Ausschneiden und
Fügen
Polymerisieren
ExtrusionVerfahren
Sintern /
Schmelzen
3D Drucken
Schicht-LaminatVerfahren
Polymerisation
Stereolithographie
Grundprinzipien additiver Fertigungsverfahren (Quelle: in Anlehnung an: Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive
Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 4. Auflage, 2013)
Bauteile bewirken. So kann die Vielzahl der heute genutzten Anlagen in die Verfahrensgruppen Stereolithografie,
Lasersintern/Lasermelting, 3D-Druck (Three Dimensional
4
ADDITIVE FERTIGUNG
Kostenrahmens. Aufgrund der aktuellen Dynamik im
Markt ändern sich die Rahmenbedingungen ständig. Die
folgende Tabelle soll als Anhaltspunkt dienen:
Selektives Laser
Melting (SLM)
3D-Printing
(3DP)
Mindestwandstärke1
Genauigkeit1
Materialkosten1
Quelle: 3DSystems
Quelle: Stratasys
Selektives Laser
Sintern (SLS)
2
€/cm³
1
0,32 €/cm³
(ABS)
Layer Laminated
Manufacturing (LLM)
Stereolithographie (SL)
Quelle: 3DSystems
Fused Layer
Modeling (FLM)
Quelle: Helisys
Quelle: EOS
Quelle: 3DSystems
0,75 €/cm³
(Polyamid)
1,05 €/cm³
(Ni-Basis-Leg.)
0,20 €/cm³
(NE-Metall-Pulver)
0,23 €/cm³
(Photopolymer)
0,05 €/cm³
(Polyester-Folie)
0
Material für Stützkonstruktionen notwendig
Für gesamten Bauraum in
xy-Ebene und Höhe des
Bauteils wird Material
benötigt
Material für Stütz-
Aufgrund thermischer Einwirkung wird
loses/stützendes Pulver in Nähe des
Bauteils beschädigt und unbrauchbar
0,5
±mm
±0,15mm
±0,1mm
0,2mm
0,4mm
konstruktionen notwendig
±0,05mm
±0,1mm
0,05mm
0,1mm
±0,2mm
±0,15mm
0
2
mm
0,1mm
1,5mm
0
1Quelleninfo:
AA
Tabelle: Vergleich generativer Fertigungsverfahren (Quelle: Anderl, R.: Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren –
vom Prototypen zur Massenfertigung? Vortrag anlässlich der Veranstaltung „Additive Manufacturing“ des Hessischen Ministeriums für
Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung, Hanau,23. September 2014)
2.1.1 Stereolithografie
Die Stereolithografie (SL) wurde Anfang der 80er Jahre
des 20. Jahrhunderts an der University of Texas in Austin
entwickelt und gilt als ältestes additives Verfahrensprinzip.
Ende 1987 hat die Firma 3D-Systems Inc. erstmals eine
Anlage präsentiert und kommerzialisiert sie seitdem.
Bereits im Jahr 1984 wurde das Stereolithografieverfahren von Chuck Hall zum Patent angemeldet. Mit der
Stereolithografie werden aktuell die höchsten Genauigkeiten erzielt. Sie ist daher die wichtigste Technik zur
Erstellung von Urmodellen für den Fein-, Polyamid- und
Vakuumguss. 2012 brachte FormLabs die erste SL DeskTop Anlage auf den Markt.
1 Wischer verteilt Polymer
2 Laser fährt Schnittfläche ab
3 Bauplattform senkt sich
4 Polymer verfestigt durch Laser
Spiegel
Laser
2
Wischer
4
1
Werkstück
Bauplattform
3
Harzbehälter
(Flüssiges Polymer)
Grafik: Verfahrensprinzip der Stereolithografie
ADDITIVE TECHNOLOGIEN UND FERTIGUNGSVERFAHREN
5
Verfahrensprinzip
Auf Basis von 3D-CAD-Daten entstehen bei der Stereolithografie Bauteilgeometrien durch lokales Aushärten
eines lichtempfindlichen Fotopolymers mit Hilfe eines
Laserstrahls. Zunächst wird Kunstharz in ein Harzbad
eingelassen, in dem die Bauteilplattform jeweils um eine
Schichtdicke unterhalb der Oberfläche versenkt wird.
Durch zeilen- bzw. schichtweises Belichten der Formteilgeometrie mit dem Laser härtet das Fotopolymer aus. Es
entsteht die erste Schicht des gewünschten Bauteils. In
der Abfolge wird die Bauteilplattform um eine weitere
Schichtdicke nach unten gefahren. Das Harz fließt von
der Seite auf die Plattform und wird mit einer Wischvorrichtung gleichmäßig auf der bereits gehärteten Struktur
verteilt, bevor der Laser die nächste Schicht belichtet.
Der Prozess wiederholt sich so lange, bis das Formteil
vollständig aufgebaut und die gewünschte Bauteilhöhe erreicht ist. Um das Absinken von überhängenden
Schichten im Harzbad zu verhindern, werden dünne
Stützstrukturen benötigt, die nach der Entnahme von
der Bauteilplattform entfernt werden müssen. Zur vollständigen Aushärtung des Materials müssen Stereolithografiebauteile abschließend unter Einfluss von UV-Licht
gelagert werden. Alternativ zum Laser arbeiten einige
Anlagen mit UV-Licht emittierenden Lampen und einer
Maske. Dabei wird auf die aufwendige Spiegeleinrichtung
zur Steuerung des Laserstrahls verzichtet.
Transparentes Finish eines Stereolithografie-Bauteils
(Quelle: Materialise)
6
ADDITIVE FERTIGUNG
Materialien
Bei Anlagentypen der Stereolithografie können ausschließlich flüssige Fotopolymere wie Epoxid- oder
Acrylharz verarbeitet werden. Nach der Aushärtung weisen
diese eine hinreichende Stabilität und Temperaturbeständigkeit auf. Unter dünnwandiger Ausführung werden die
Bauteile semitransparent, innere Wandstrukturen und
Verstärkungen schimmern je nach Lichteinfall hindurch.
Es gibt jedoch einige Nachteile dieser Verfahrenstechnologie. So können bei der klassischen Ausführung samt
Harzbad keine unterschiedlichen Materialien in einem Arbeitsschritt verwendet werden. Auch stellen Harzsysteme
in flüssiger Form eine nicht unerhebliche Belastung für
die Umwelt dar und sind zudem nicht unbegrenzt haltbar.
Bei der Weiterentwicklung der Harze wird vor allem an
der Verbesserung der Wärmestabilität gearbeitet.
Bauteilgrößen, Genauigkeit, Nachbearbeitung
Mit Hilfe der Stereolithografie können die höchsten
Genauigkeiten bei additiven Fertigungsprozessen erzielt
werden. Diese resultieren insbesondere aus den kleinen
Schichtstärken mit einer Detailauflösung von 0,02 Millimeter. Die Bauteile weisen heute sehr gute Oberflächen
auf, sie sind glatt und der Schichtenaufbau ist nicht mehr
zu erkennen. Standardanlagen haben einen Bauraum
zwischen einer Größe von 250 x 250 x 250 Millimeter und
1000 x 800 x 500 Millimeter. Größere Bauteile können
aus mehreren kleineren zusammengesetzt werden. Eine
anschließende Oberflächenbehandlung durch Lackieren,
Streichen oder Metallisieren ist üblich, wodurch allerdings
die Semitransparenz des Materials verschwindet. Die
Oberflächenqualität kann durch Polieren oder zerspanende Bearbeitung weiter verbessert werden.
Samsonite S’cure Prototyp in Mammut-Stereolithografieanlage
Anwendung
Die Stereolithografie hat eine große Bedeutung für den
Modellbau zur Bereitstellung von Anschauungsobjekten.
Durch die sehr guten Qualitäten eignen sich die Bauteile
auch für den Einsatz als Funktionsprototypen oder als
Urmodelle für den Fein- und Vakuumguss. Durch die
geringe Wärmestabilität ist der direkte Gebrauch von
Stereolithografie-Bauteilen jedoch meist nicht möglich.
Mittlerweile können Verfahrensvarianten auch zur Erzeugung von Nano- und Mikrostrukturen eingesetzt werden.
PolyJet Modeling (PJM)
Die Polyjet-Technologie ist vergleichbar mit dem InkJet-Druck. Mit einem Druckkopf wird ein flüssiges Fotopolymer schichtweise auf der Bauteilplattform aufgetragen und durch UV-Licht direkt verfestigt. Das Harzbad kann hier entfallen, allerdings müssen zur Realisierung von Überhängen Stützstrukturen mitgedruckt
werden. Mit dem Polyjet-Modeling werden sehr hohe
Genauigkeiten von 16 Mikrometer in Z- und 42 Mikrometer in X- und Y-Richtung erzielt. Es ist zudem die
einzige Anlagentechnologie, mit der drei verschiedene
Werkstoffe in einem Prozess zur Realisierung von Multimaterialanwendungen verarbeitet werden können.
Wirtschaftlichkeit
Aufgrund ihrer Historie ist die Stereolithografie die am
häufigsten eingesetzte additive Verfahrenstechnologie.
Die Preise für gängige Stereolithografie-Anlagen sind
in den letzten Jahren gefallen. Sie liegen aktuell aber
immer noch bei über 50.000 Euro. Daher haben sich
viele Dienstleister am Markt etabliert. Desk-Top-Anlagen und Bausätze mit geringerer Präzision sind seit
2012 für rund 3.000 Euro erhältlich. Das Material ist
allerdings viermal teurer als bei Extrusionsanlagen wie
FLM (Fused Layer Modeling; siehe Kapitel 2.1.3). Da nach
dem Fertigungsprozess zudem Überschuss im Bauraum
bleibt, muss mehr Verbrauchsmaterial als Bauteilvolumen
einkalkuliert werden.
Mikro-Stereolithografie (MSL)
Mit einem Gewicht von lediglich anderthalb Kilogramm
und den Maßen einer Milchverpackung wurde 2013 an
der Technischen Universität Wien von Professor Jürgen
Stampfl und seinem Team der weltweit kleinste Stereolithografie-Drucker entwickelt. Er arbeitet mit flüssigem
Harz, welches mit LED-Licht von hoher Integrität punktuell ausgehärtet wird. Die Schichtdicken betragen 0,05
Millimeter. Auch an anderen Forschungseinrichtungen
wird an der Mikro-Stereolithografie gearbeitet, da hier
große Zukunftspotenziale gesehen werden.
Besondere Verfahren und Anlagentypen
Mammut-Stereolithografie
Um die steigende Nachfrage nach großen Bauteilen
und Modellen bei kurzen Prozesszeiten bedienen zu
können, hat der Dienstleister Materialise aus Belgien
eine Mammut-Stereolithografieanlage in Gebrauch. Mit
dieser können Bauteile mit maximalen Maßen von 2100
x 700 x 800 Millimeter erzeugt und in vier bis acht Tagen
geliefert werden. Zur Erstellung von Funktionsbauteilen
bietet Materialise zudem eine Metallbeschichtung an.
Zur Abbildung verschiedener Qualitäten kann zwischen
vier unterschiedlichen Harzsystemen gewählt werden.
Der kleinste Stereolithografie-Drucker der Welt
(Quelle: TU Wien, Prof. Jürgen Stampfl)
7
Digital Light Processing (DLP)
Als weitere Verfahrensvariante der Stereolithografie
wird beim Digital Light Processing mit UV-Licht gearbeitet, um das Fotopolymer schichtweise auszuhärten.
Das Licht trifft dabei zunächst flächig auf einen Mikrochip, in dem viele bewegliche Mikrospiegel integriert
sind. Die Strahlen werden so auf die auszuhärtenden
Bereiche im Bauraum reflektiert und bewirken den sukzessiven Aufbau der Bauteilstruktur. DLP-Anlagen sind
sehr kompakt, vergleichsweise preiswert und werden
zum Beispiel bevorzugt im Schmuckbereich eingesetzt.
3D-Laserlithografie
Als Ausgründung des Karlsruher Instituts für Technologie
(KIT) hat Nanoscribe im Jahr 2008 die Kommerzialisierung
der 3D-Lithografie gestartet, mit der Strukturen in Nanodimension realisiert werden können. Die Technologie
basiert auf der Multiphotonen-Polymerisation, womit sich
hochauflösende 3D-Strukturen in fotosensitive Materialien
einbringen lassen. Ein lichtempfindlicher Lack wird mit
Lichtblitzen beschossen und härtet aus. Anschließend
wird das überschüssige Material ausgewaschen.
3D-Lithografie in Nanodimension (Quelle: Nanoscribe)
8
ADDITIVE FERTIGUNG
Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)
Als weitere Entwicklung an der TU Wien, ebenfalls in
der Forschungsgruppe von Professor Jürgen Stampfl,
wurde eine Technologie zur additiven Herstellung von
Hochleistungskeramiken entwickelt. Das LCM-Verfahren arbeitet auf Basis einer fotosensitiven und zunächst
zähflüssigen Kunststoff- und Keramikpartikelmischung
(Mischverhältnis 1:1). Dieses wird schichtweise aufgetragen und mit einem eigens entwickelten LED-Projektionssystem zu feinen Strukturen ausgehärtet. Der entstehende Kunststoff-Keramik-Rohling wird nach dem additiven Prozess in einem thermischen Prozess entbindert.
Der Polymeranteil wird dabei vollständig ausgebrannt
und die keramischen Partikel versintern miteinander.
Die Bauteile weisen eine Dichte von 99,4 Prozent auf
und erhalten nach Schwindung, also der Volumenänderung, ohne dass Material entfernt oder Druck ausgeübt
wird, ihre eigentliche Geometrie.
2.1.2 Selektives Lasersintern
Beim Selektiven Lasersintern (SLS) wird mit pulverförmigen Ausgangsstoffen gearbeitet, die unter Einfluss
eines Lasers aufgeschmolzen werden. Das Verfahren
wurde Mitte der 80er Jahre an der University of Texas
von Joe Beaman und Carl Deckard entwickelt. Aufgrund
der erzielbaren Qualitäten nahe des Serienwerkstoffs hat
das Lasersintern in der Industrie ein große Bedeutung.
Es wird sowohl für den Prototypen- und Werkzeugbau
als auch für die direkte Fertigung von Bauteilen (Direct
Digital Manufacturing) genutzt. Anfang 2014 sind einige
grundlegende Patente für das Selektive Lasersintern
ausgelaufen, sodass das immer noch hohe Preisniveau
für Bauteile und Anlagen in den nächsten Jahren sinken
könnte. Für die Verarbeitung von Metallpulvern wird
mittlerweile die Bezeichnung des Selektiven Laser Meltings (SLM) genutzt. Durch den Einsatz mehrerer Laser
in einer Anlage wird für die nächsten Jahre die 100 bis
1.000-fache Steigerung der Produktivität erwartet.
1 Walze verteilt Pulver
4 Pulver verschmilzt durch Laser
Spiegel
Laser
Walze
2
1
4
Werkstück
Prozess des Lasersinterns (Quelle: EOS)
Verfahrensprinzip
Das Lasersintern basiert auf dem lokalen Sintern und
Verschmelzen pulverförmigen Materials unter Wärmeeinwirkung eines Laserstrahls ausgehend von 3D-CAD-Daten.
Mit einer walzenförmigen Beschichtungseinheit wird eine
dünne Pulverschicht gleichmäßig auf dem Druckbett
verteilt und geglättet. Durch schicht- bzw. zeilenweises
Aufschmelzen der entsprechenden Bereiche, anschließendes Abkühlen und Verfestigen entstehen schichtweise in
einem Pulverbett komplexe Formteilgeometrien. Ist die
Belichtung einer Bauteilschicht abgeschlossen, fährt das
Druckbett um eine Schichtdicke nach unten, es wird erneut
Materialpulver aufgetragen (Materialstärke zwischen 0,001
bis 0,2 Millimeter) und der Sinterprozess für die nächste
Schichtstruktur wiederholt sich. Da der verfestigte Materialverbund von losem Pulver umgeben ist, wird für die
Realisierung von Überhängen keine Stützstruktur benötigt. Allerdings sind zusätzliche Strukturen nötig, um das
Bauteil beim Arbeiten mit hochenergetischen Lasern in
Position zu halten. Zur Reduzierung der Prozesszeit wird
der gesamte Druckraum bei den meisten Anlagen auf
einen Temperaturbereich unterhalb der Schmelztemperatur des zur Anwendung kommenden Materialpulvers
erhitzt. Vor der Entnahme des fertigen Bauteils aus dem
Pulverbett muss der gesamte Druckraum über mehrere
Stunden gleichmäßig abgekühlt sein. Nicht genutztes
Pulver kann erneut verwendet werden.
Bauplattform
3
Pulver
Pulvervorrats- bzw. Pulverauffangbehälter
Grafik: Verfahrensprinzip des Selektiven Lasersinterns
9
• Polyamid Pulver: VESTOSINT®
hat eine sehr geringe Wasseraufnahme. Es ist das am
häufigsten verwendete Material für das Lasersintern.
Die mit dem Material erstellten Teile weisen sehr gute
mechanische Eigenschaften und eine gute Oberflächenqualität auf.
• PEBA Pulver: VESTOSINT®Z2611
weist eine im Vergleich zum Standardmaterial um das
Achtfache gesteigerte Flexibilität und das Fünffache
der Zugfestigkeit auf.
Bauteilentnahme aus dem Pulverbett (Quelle: Evonik Industries)
Materialien
Grundsätzlich eignet sich jeder schmelzbare und als
Pulver herstellbare Werkstoff für das Selektive Lasersintern. Kommerziell verfügbar sind zahlreiche Kunststoffe
(zum Beispiel PA 22, PA 12, PS, PEEK, thermoplastische
Elastomere), Keramiken, Metalllegierungen (Werkzeugund Edelstähle, Aluminium, Titan) und Quarz-Sand. Da
die Pulver gleichmäßige Korngrößen aufweisen müssen,
werden sie meist auf synthetischem Wege erzeugt. Beim
Umgang mit Pulvermaterialien mit Korngrößen zwischen
20 und 100 Mikrometer greifen die bestehenden Rechtsvorschriften hinsichtlich Arbeitssicherheit, und Fachleute
wie beispielsweise Vertreter der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin BAuA weisen grundsätzlich
auf die vorsichtige Handhabung der Pulver hin, da die
ultrafeinen Partikel in die menschliche Lunge eindringen
können. Daher empfiehlt sich die Verwendung eines
Mundschutzes. Bei der Verarbeitung metallischer Pulver
wird zur Vermeidung von Oxidation meist ein Schutzgas
(meist Stickstoff oder Argon) im Bauraum verwendet.
Forschern am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)
in Aachen ist es durch Integration eines Lasersystems
mit 1.000 Watt Leistung in eine bestehende SLM-Anlage
gelungen, Bauteile aus verschiedenen Kupferlegierungen
mit einer Dichte von 99,9 Prozent generativ zu fertigen.
Außerdem ermöglicht das Verfahren auch die Herstellung
von Objekten aus hochfester Zirkonoxid- und Aluminiumoxid-Keramik.
10
ADDITIVE FERTIGUNG
• PEEK Pulver: VESTAKEEP® PEEK
ist für seine hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Beständigkeit bekannt. Es zeichnet sich durch
einen sehr hohen Schmelzpunkt von 340 Grad Celsius
aus.
Tabelle: Materialangebote zum Lasersintern von Evonik
(Quelle: Evonik Industries)
Lasergesintertes Handlingssystem (Quelle: Robomotion,
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA)
Beim Lasersintern liegen die Bauräume der Anlagen
derzeit zwischen 250 x 250 x 150 Millimeter und 720 x
500 x 450 Millimeter. Die großen Anlagen arbeiten dabei
teilweise mit zwei Lasern, um die Prozessdauer zu verkürzen. Die Aufbaurate für Metallsysteme liegt aktuell bei
etwa einem Kubikzentimeter pro Stunde. An Anlagen mit
bis zu acht Lasern wird derzeit gearbeitet. Aufgrund der
Korngrößen der Pulver weisen lasergesinterte Bauteile
raue Oberflächen auf. Die Genauigkeiten liegen standardmäßig bei +/- 0,1 Millimeter. Bei Metallbauteilen
werden mittlerweile Werte von +/- 0,02 Millimeter erzielt.
Übliche Schichtdicken bei Metallen wie Edel- und Werkzeugstahl sind 20 Mikrometer oder 40 Mikrometer, bei
Aluminium beträgt sie 30 bis 50 Mikrometer. War noch
bis vor einigen Jahren für die Realisierung hochdichter
Metallbauteile eine Infiltration mit niedrigschmelzenden
Metallen erforderlich, werden heute beim Laser-Melting
hochdichte Bauteile mit sehr guten mechanischen Qualitäten erzielt. Die Festigkeiten liegen teilweise sogar über
denen konventionell produzierter Bauteile. Vor allem
beim SLM von Metallteilen muss durch den thermischen
Einfluss des Lasers je nach Bauteilgeometrie ein nicht
unerheblicher Verzug einkalkuliert werden. Die rauen
Oberflächen können bis zum Hochglanz geschliffen
werden. Vor dem Start eines neuen SLM-Prozesses muss
die Bauteilplattform in der Regel plangefräst werden.
Cynara – Lasergesinterte Leuchte
(Quelle: CIRP, Design: Sven Eberwein)
Anwendung
Bis vor einigen Jahren waren lasergesinterte Bauteile
vornehmlich als technische Prototypen oder Funktionsprototypen im Einsatz. Heute kann das Lasersintern bzw.
Lasermelting für eine direkte Herstellung individualisierter
Bauteile und von Kleinserien verwendet werden. Typische Anwendungsbereiche sind die Medizintechnik (zum
Beispiel Implantate und Prothesen), der Werkzeug- und
Formenbau (zum Beispiel Leichtmetall-Druckguss und
Feinguss) sowie der Maschinenbau und die Luftfahrt.
So wurde bereits ein Robotergreifer durch Lasersintern
realisiert. Im Design- und Schmuckbereich findet das
Lasersintern seit knapp einem Jahrzehnt ebenfalls Verwendung. GE Aviation baut derzeit einen Standort mit
generativen Fertigungsanlagen in Alabama (Fertigstellung in 2015), wo Lasersinter-Anlagen zur Herstellung
von Treibstoffdüsen für Flugzeugtriebwerke verwendet
werden sollen.
Wirtschaftlichkeit
Aufgrund der hohen Anlagenkosten (Durchschnittspreis einer Industrieanlage: 80.000 US-Dollar; Horscher,
Florian: 3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself-guide.
München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2014) muss die
Anwendung des Lasersinterns und seiner Verfahrensvarianten gut kalkuliert werden. Die Bauplattform wird
11
in der Regel dicht bepackt, damit sich der Betrieb einer
Anlage finanziell rechnet. Die Kosten für lasergesinterte
Bauteile bewegen sich je nach verwendetem Material
in einer Größenordnung von wenigen hundert bis hin
zu einigen tausend Euro. Damit liegen die Kosten über
denen anderer Verfahren, was die Verwendung im kleingewerblichen Kontext eigentlich ausschließt. Dienstleister
sind daher weit verbreitet.
wirkt kein Laser das Verschmelzen der Partikel, sondern
eine flächige Infrarotlampe. Über eine Maske lässt diese
die Bauteilgeometrie lediglich dort entstehen, wo das
Licht die durchlässigen Bereiche der Maske passieren
kann. Wie beim SLS werden keine Supportstrukturen
benötigt. Das Verfahren ermöglicht ähnlich gute mechanische Qualitäten, befindet sich derzeit aber noch
in der Testphase.
Solarsintern
Der deutsche Designer Markus Kayser hat mit dem
Solarsinter eine Anlage entwickelt, die für die additive
Bauteilherstellung lediglich Sandpartikel und Sonnenlicht
benötigt. Mit einer Optik wird die Sonnenstrahlung auf
einen Punkt im Sandbett fokussiert. Der Prozess folgt
dann dem bekannten Muster. Eine mit Solarenergie
betriebene 3D-Druckeinrichtung sorgt für das Absenken
der Bauteilschicht und das Aufbringen der jeweils neuen
Sandschicht. Wie Tests in der Sahara zeigten, reicht die
entstehende Wärmemenge aus, um die Silikatpartikel
miteinander zu verschmelzen und als Glas abzukühlen.
SLS Verlängerungskabel ‚Doppelhelix CABLE‘
(Quelle: CIRP, Design: Yusuke Goto)
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Zur Erzielung höherer Leistung (10 Kilowatt gegenüber 250
Watt beim Lasersintern) wird in einer Verfahrensvariante
anstelle eines Lasers ein Elektronenstrahl verwendet.
Damit lassen sich selbst hochfeste Stähle bei verkürzter
Prozessdauer verarbeiten. Durch das Elektronenstrahlschmelzen wird die direkte Herstellung metallischer
Bauteile möglich. Daher vermarktet der schwedische
Anlagenhersteller Arcam AB seine EBM-Anlagen unter
dem Markennamen ‚CAD-to-Metal‘.
Selektives Maskensintern (MS)
Als Verfahrensvariante des Lasersinterns befindet sich
das Selektive Maskensintern derzeit in der Entwicklung,
um die Prozessdauer des Selektiven Lasersinterns deutlich zu reduzieren. Es arbeitet mit Pulverschichten aus
Kunststoffen (zum Beispiel Polyamid), die schichtweise
aufgetragen werden. Anders als beim Lasersintern be-
12
ADDITIVE FERTIGUNG
Der deutsche Designer Markus Kayser mit seinem Solarsinter bei der
Arbeit (Quelle: Markus Kayser)
2.1.3 Schmelzschichtverfahren
Durch das Auslaufen einiger Schutzrechte im Jahr 2009
haben sich so genannte Schmelzschichtverfahren zu
den wichtigsten additiven Verfahrensprinzipien für eine
Verwendung in Kreativberufen und privaten Kontexten
entwickelt. Gründe dafür sind der wenig komplexe Aufbau
der Anlagen, das einfache Handling und die Bandbreite
der zur Verfügung stehenden Materialien. Auch die
guten mechanischen Qualitäten spielen eine Rolle. Da
die Anlagen in der Regel mit als Filament vorliegenden
Werkstoffen arbeiten, haben sich die Begriffe Fused Filament Fabrication (FFF) und Fused Layer Modeling (FLM)
durchgesetzt. Die oftmals genannte Bezeichnung Fused
Deposition Modeling (FDM) ist eine vom amerikanischen
Unternehmen Stratasys Ltd. geschützte Marke.
Verfahrensprinzip
1 Stütz- und Baumaterial wird
in Druckkopf eingezogen
2 Extrusionskopf erwärmt
Stütz- und Baumaterial
4 Bau- und Stützmaterial
wird aufgebracht
1
2
Extrusionsdüsen
Werkstück
Extrusionskopf
4
Stützmaterial
Extrusionsverfahren im Betrieb
(Quelle: Delta Tower, Thorsten Franck)
Bauplattform
3
Rolle
Baumaterial
Grafik: Verfahrensprinzip der Extrusionsverfahren
Rolle
Stützmaterial
Die Schmelzschichtverfahren arbeiten mit einem unter
Wärmeeinfluss erweichbaren Material, das vergleichbar
mit einer Heißklebepistole durch eine erhitzte Düse
gepresst und entweder linien- (zum Beispiel FLM) oder
tröpfchenförmig (zum Beispiel Freeformer) aufgebracht
wird. Ein Steuermechanismus regelt die schichtweise
Verteilung des Materials auf der Bauteilplattform oder
der bereits entstandenen Struktur, wo der Werkstoff dann
unmittelbar abkühlt und erstarrt. Das Bauteil entsteht sukzessive durch das Verschmelzen der jeweiligen Schichten.
Das Druckbett wird nach jeder Schicht um den Bruchteil
eines Millimeters abgesenkt, die Schichtdicke durch
Glättung mit der Düse bestimmt. Übliche Schichtdicken
liegen zwischen 0,025 und 1 Millimeter. Hinterschnitte
und Hohlräume können mit diesem Verfahrensprinzip
allerdings nur bedingt realisiert werden. Daher sind für
die Umsetzung steil ausragender Bauteilgeometrien feine
Stützkonstruktionen erforderlich. Bei neuen Anlagentypen
wird das Supportmaterial gleich auf einer zweiten Spule
mitgeführt und aufgetragen. Nach Beendigung des
Drucks muss die Stützkonstruktion dann entfernt werden.
Hilfreich ist die Verwendung eines wasser- (zum Beispiel
Polyvinylalkohol) oder laugenlöslichen Thermoplasten
(zum Beispiel Belland).
13
Materialien
Lange Jahre waren die für das Fused Layer Modeling
verwendbaren Materialien auf wenige thermoplastische
Kunststoffe wie ABS, Polyester oder Polycarbonat bzw. auf
verschiedene Wachssorten begrenzt. Mit dem Aufkommen
von Biokunststoffen kam PLA als neues Standardmaterial
hinzu. Aufgrund der starken Verbreitung von additiv
arbeitenden Extrusionsanlagen unter Kreativen hat der
Markt mit neuen Materialien und Verbundwerkstoffen
reagiert und damit dem Wunsch nach vielfältigeren
Gestaltungsmöglichkeiten entsprochen. Mittlerweile sind
Filamente erhältlich, mit denen holzartige (zum Beispiel
LAY-Wood), keramische (zum Beispiel LAY-Ceramic) oder
sandsteinartige Oberflächen (zum Beispiel LAY-Brick)
erzeugt werden können oder die elektrisch leitfähige Eigenschaften haben. Auch für die Umsetzung von
3D-Membranen und porösen Filtern bzw. biegsamen und
gummiartigen Objekten sind 2014 Filamentinnovationen
am Markt erschienen. Im Projekt BioFabNet werden seit
Ende 2013 biobasierte Werkstofflösungen insbesondere
für Drucker im Konsumentenbereich entwickelt. Als
weltweit erstes Unternehmen hat das deutsche Startup
twoBEars ein Filament entwickelt, das biologisch abbaubar
ist. Bio-Fila mit den beiden Varianten linen und silk wird
aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und geht
vollständig auf Lignin zurück. Im Herbst 2014 hat der
US-Amerikaner Mark Forged aus Boston den weltweit
ersten Carbonfaserfilament-Drucker vorgestellt.
Durch ein robotergesteuertes Verfahren des Extruders ist
die Verfahrenstechnologie grundsätzlich nicht auf einen
Bauraum begrenzt. Die Größen auf dem Markt befindlicher Anlagen reichen von wenigen Quadratzentimetern
bis hin zu mehr als einem Quadratmeter. Da in der Regel
thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen, ist
eine Nachbearbeitung aufwendig. ABS-Oberflächen
können beispielsweise mit Aceton bedampft, angelöst
und geglättet werden. Vor allem bei kleinen Bauteilen
muss wegen des Düsendurchmessers eine Ungenauigkeit
in Z-Richtung einkalkuliert werden. Hier kann es auch
zum Lösen einzelner Schichten kommen.
Kleinanlage für den Privatbereich (Quelle: 3D Systems)
Lay-Wood Holzfilament (Quelle: ccproducts)
14
ADDITIVE FERTIGUNG
BigRep in der Anwendung (Quelle: BigRep)
Anwendung
Wurden generativ arbeitende Extrusionsanlagen vornehmlich zur Erstellung von Anschauungsmodellen
genutzt, finden diese immer mehr Einzug in die direkte
Produktherstellung und den Privatbereich. Immer mehr
Unternehmen steigen in den Markt für bürotaugliche
Systeme ein. Durch die Entwicklung höherwertiger Materialien wird die Nutzung derzeit für die Möbelindustrie
und das Interiordesign getestet. Mit dem Cube-Shop
hatte 3D-Systems die Möglichkeiten bereits auf der
EuroMold 2012 präsentiert.
Wirtschaftlichkeit
Die Preise für filamentbasierte Drucker sind seit der
Erwerbsmöglichkeit von Bausätzen im Internet enorm
gesunken. Mittlerweile können sie im Fachhandel für einen
Preis von 600 bis 700 Euro bezogen werden. Bausätze sind
für unter 400 Euro erhältlich. Allerdings werden mit den
günstigen Anlagen keine hohen Genauigkeiten erzielt.
Für höherwertige Systeme muss im Consumer-Bereich
ein Anschaffungspreis von 2.000 bis 3.000 Euro und für
die Industrie ein Preis von 10.000 Euro kalkuliert werden.
Die Filamente werden je nach Sorte für 30 bis 40 Euro je
Kilogramm angeboten.
BigRep: Der größte Serien-3D-Drucker der Welt
Mit einem Bauraum von 1,3 Kubikmetern (1,5 x 1 x 1,2
Meter) und einem Gewicht von 240 Kilogramm ist der
BIG-REP One der derzeit größte Serien-3D-Drucker der
Welt. Er wurde von Marcel Tasler und Lukas Oehmigen
entwickelt, um Objekte in Lebensgröße herstellen zu
können. Der Druckkopf ist als Doppelextruder ausgelegt
und verarbeitet den Baustoff (PLA oder ABS) und das
Stützmaterial bei Auflösungen zwischen 100 Mikrometer
und 1 Millimeter. Die Anlage wird von Berlin-Kreuzberg
aus vermarktet und kostet in der Grundversion etwa
30.000 Euro.
Gedruckter Tisch (Quelle: BigRep)
FFF-Großgerät mit mehreren Extrudern
Auf der EuroMold 2014 hat der deutsche Anlagenhersteller
German RepRap, eine Ausgründung der TU Darmstadt,
eine neue Anlage vorgestellt, die mit einem Bauraum
von 100 x 80 x 60 Zentimeter zu den Großanlagen der
FFF-Technologie zu zählen ist. Die Ansteuerung mehrerer
Extruder und ein neues Filament-Management macht
das Arbeiten mit mehreren unterschiedlichen Materialien
möglich. Große Bauteile lassen sich mit Schichthöhen von
bis zu 0,5 Millimetern in einem realistischen Zeitfenster
umsetzen.
Fiber Additive Manufacturing
Das US-amerikanische Unternehmen Markforg3D hat Ende
2014 die weltweit erste FLM-Anlage präsentiert, mit der
faserverstärkte Bauteile hergestellt werden können. Die
Anlage arbeitet sowohl mit Carbon- als auch mit Glasfaserverstärkung und hat einen maximalen Bauraum von
305 x 160 x 160 Millimeter. Sie wird für 5.000 US-Dollar auf
der Webseite des Herstellers angeboten. Nach Angaben
des Entwicklers sollen die carbonfaserverstärkten Bauteile
eine 20-mal höhere Steifigkeit aufweisen als vergleichbare
aus ABS und zudem bessere mechanische Festigkeiten
haben als Bauteile aus Aluminium.
15
faserverstärkter 3D-Druck
(Quelle: Mark Forged)
Freeformer
Der Spritzgussanlagenhersteller Arburg ist mit dem so
genannten Freeformer Ende 2013 in den Markt generativer
Fertigung eingestiegen. Das Maschinenbauunternehmen
ist dabei der erste Hersteller, der handelsübliches Material
in Form von Standardgranulaten verwendet. Dieses wird
in einem beheizten Plastifizierzylinder aufgeschmolzen
und als Kunststofftröpfchen aufgetragen. Der patentierte Düsenverschluss ermöglicht unter Verwendung
hochfrequenter Piezotechnik ein schnelles Öffnen und
Schließen und einen präzisen Materialauftrag. Unter
Verwendung des Serienmaterials werden 70 bis 80 Prozent der Festigkeiten vergleichbarer Spritzgießbauteile
erzielt. Der Freeformer hat einen Bauraum von 130 x 130
x 250 Millimeter.
16
Robotergestützter Extrusionsprozess
(Quelle: Advanced Architecture of Catalonia IAAC)
Freeformer in der Anwendung (Quelle: Arburg)
3D-Printing Pen
Anfang 2013 ist mit dem Doodle der erste 3D-PrintingStift auf den Markt gekommen, der freies Modellieren
räumlicher Skizzen ermöglicht. Er arbeitet mit einem
Draht aus dem thermoplastischen Kunststoff ABS und
wurde in Boston vom Spielehersteller WobbleWorks
entwickelt. Im Kopf des Stiftes wird der Draht soweit
erhitzt, dass man die zähflüssige Masse leicht im Raum
verteilen kann. Das Material kühlt dabei ab, erstarrt
und erhält eine für Skizzen hinreichende Stabilität. Der
Nutzer hat über eine Dosiereinheit die Möglichkeit, die
Vorschubgeschwindigkeit selbst einzustellen.
Anti-Gravity Object Modeling
In einem Forschungsprojekt am Institute for Advanced
Architecture of Catalonia IAAC in Barcelona haben Petr
Novikov und Saša Jokić im Jahr 2013 eine robotergestützte
Technologie für die neigungsunabhängige Erzeugung
architektonischer Strukturen ohne Verwendung einer
zusätzlichen Tragstruktur entwickelt und patentiert. Der
Düsenkopf wird mit einem Roboterarm geführt, der die
Platzierung des Materials im freien Raum ermöglicht, ohne
durch einen Bauraum begrenzt zu sein. Anders als bei
anderen Verfahren kommt ein duroplastisches anstelle
eines thermoplastischen Materials zum Einsatz. Dieses
härtet kurz nach Düsenaustritt aus, so dass nahezu kein
schwerkraftbedingter Verzug festzustellen ist.
3D-Printing Pen (Quelle: WobbleWorks)
ADDITIVE FERTIGUNG
4D-Drucken mit Formgedächtnismaterial
Dem Forscherteam um Skylar Tibbits ist es am Self
Assembly Lab des Massachusetts Institute of Technology erstmals gelungen, das so genannte 4D-Drucken
durchzuführen. Dabei verwendeten die Wissenschaftler
ein eigens vom US-amerikanischen Anlagenhersteller
Stratasys entwickeltes Formgedächtnismaterial, welches unter Einfluss von Temperatur, Licht oder Wasser
seine Geometrie verändert. Die Forscher versprechen
sich von der Entdeckung, das Verfahren könne bei sich
selbst aufbauenden Strukturen im All, bei Wasserrohren
oder Möbeln vorteilhaft Anwendung finden. Am Laser
Zentrum Hannover wird bereits an Einsatzmöglichkeiten
des 4D-Druckens in der Medizintechnik gearbeitet, zum
Beispiel für Implantate, die individuell an den Körper
angepasst werden und bei Kindern sogar mitwachsen
können.
4D-Drucken (Quelle: MIT/Stratasys)
2.1.4 Dreidimensionales Drucken
Das 3D-Druck-Verfahren wurde Anfang der 1990er Jahre
von Emanuel Sachs und Michael Cima am Massachusetts
Institute of Technology (MIT) in den USA mit dem Ziel
entwickelt, eine Technologie für den Einsatz in Büroumgebungen bereitzustellen. Aufgrund der Kostenstruktur
kommen für diese Einsatzumgebungen heute wohl eher
Anlagen mit dem Extrusionsprinzip in Frage. Wegen der
Möglichkeit zum Einfärben der gedruckten Bauteile hat
das 3D-Druck-Verfahren im letzten Jahr eine Vielzahl von
Einsatzzwecken für private Nutzer gefunden, zum Beispiel
für die Herstellung menschlicher Abbilder.
1 Walze verteilt Pulver
2 Binderauftrag erfolgt durch Druckköpfe
4 Pulver verklebt durch Binder
Walze
1
Druckköpfe
2
4
5 Druckköpfe für die
Farben Schwarz, Klar,
Cyan, Magenta, Gelb
Werkstück
Bauplattform
3
Pulver
Pulvervorrats- bzw. Pulverauffangbehälter
Grafik: Verfahrensprinzip des 3D-Druckens
ColorJet Druck – 3D-Druck-Anlage (Quelle: Materialise)
17
Verfahrensprinzip
Das Verfahrensprinzip ähnelt dem des Lasersinters und
basiert auf dem Verkleben von Partikeln miteinander.
Diese werden allerdings nicht wie beim Selektiven Lasersintern mit einem Laser aufgeschmolzen, sondern unter
Einsatz eines Bindemittels örtlich verklebt. Hierzu kommt
ein Druckkopf zum Einsatz, der mittels einer Steuerungseinheit schichtweise über das Pulverbett fährt und die
Klebesubstanz tröpfchenweise über der jeweils neu
ausgebrachten Pulverlage einbringt. Das Bindemittel
dringt bis zur darunterliegenden Lage vor und verbindet die neue Pulverschicht mit der bereits gedruckten
Geometrie. Vor dem Start der nächsten Schichterstellung
wird das Druckbett um eine Schichtstärke abgesenkt und
der Prozess beginnt von neuem. Da das Bauteil bei der
Herstellung vollständig von Pulver umgeben ist, werden
zur Realisierung von Überhängen wie beim Lasersintern
keine Stützkonstruktionen benötigt. Zur Steigerung der
mechanischen Belastbarkeit der gedruckten Bauteile
können diese mit Harzen bzw. Wachsen infiltriert werden.
Gedruckte Selfies mit eingefärbten Bindemitteln
(Quelle: 3D-Scaper)
Da Anleihen aus der konventionellen Drucktechnik Verwendung finden, können mit dem dreidimensionalen
Drucken im Vergleich zu anderen generativen Techniken
sehr hohe Geschwindigkeiten erzielt werden. Außerdem
ist das Einfärben von Bauteilen in über 16 Millionen Farben
möglich. Im Bauraum befindliches, nicht verwendetes
Pulver kann erneut genutzt werden.
18
ADDITIVE FERTIGUNG
Materialien
Standardmäßig werden beim dreidimensionalen Drucken Werkstoffe auf der Basis von Stärke oder Gips bzw.
keramischen Verbundlösungen verwendet. Einige Anlagenhersteller bieten zusätzlich auch Pulver verschiedener
Metalle für Anwendungen in der Zahnmedizin an oder
haben Mischungen für industrielle Anwendungen und
Gussformen im Programm. Beim Arbeiten mit Keramikoder Metallpulvern erfolgt nach dem Druck des Objekts
ein Sinterprozess im Brennofen, der die Partikel bis auf
eine Strukturdichte von rund 60 Prozent nochmals miteinander verschmilzt. Durch anschließende Infiltration mit
niedrig schmelzenden Metallen (zum Beispiel Bronzen)
werden die Poren aufgefüllt und die Dichte auf bis zu
95% erhöht.
Das dreidimensionale Drucken zählt aufgrund der ausgereiften Inkjet-Druckköpfe zu den schnellsten additiven
Verfahrensprinzipien. Mittlerweile sind Anlagen mit
einem Bauraum von bis 4 x 2 x 1 Metern erhältlich. Es
werden Genauigkeiten von 600 dots-per-inch erzielt.
Aufgrund der Korngröße der verwendeten Pulver weisen
gedruckte Bauteile allerdings stets eine raue Oberfläche
mit sichtbaren Drucklinien auf. Diese können durch eine
mechanische Nachbehandlung reduziert werden. Aktuelle
Forschungsarbeiten zielen deshalb auf die Verbesserung
der mechanischen Qualitäten gedruckter Bauteile ab.
Durch Arbeiten am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) in Darmstadt
konnten neue Materialsysteme und druckbare Tinten
soweit verbessert werden, dass beim dreidimensionalen
Drucken ähnliche mechanische Festigkeiten wie beim
Spritzgießen erzielt werden.
Gedruckte Architektursäule mit den inneren
Hohlräumen aus Sand
in Epoxiharz infiltriert
(Quelle: Daniel Büning)
Anwendung
Bislang haben die meisten kleineren Anlagen mit der
Möglichkeit zum Einfärben in über 16 Millionen Farben
vor allem für die schnelle Visualisierung im Entwurfsprozess Anwendung gefunden. Mit den großen Bauräumen
erhalten 3D-Drucker mittlerweile Einzug in industrielle
Anwendungsbereiche und können in der Serienproduktion
eingesetzt werden. Durch 3D-Druck erstellte und anschließend gesinterte Metall- und Keramikformen werden zum
Beispiel im industriellen Formenbau genutzt. Aufgrund
des leisen Fertigungsprozesses sind 3D-Drucker für die
Verwendung in Büroumgebungen geeignet
Wirtschaftlichkeit
voxeljet – kontinuierliche Bauteilproduktion
Auf der EuroMold 2012 hat voxeljet erstmals einen kontinuierlich arbeitenden 3D-Drucker mit einem neuartigen
Aufbau und einem horizontal liegenden Förderband
vorgestellt. Der Druckprozess erfolgt am Eingang des
Bandes auf einer zur Horizontalen gekippten Ebene.
Die Bauteile entstehen mit einer Auflösung von 600
dots-per-inch und einem möglichen Bauraum von 850
x 500 Millimeter. Das Förderband transportiert die fertig
gedruckten Bauteile zur Seite weg, sodass Bauen und
Entpacken zeitgleich möglich ist, ohne den Prozess unterbrechen zu müssen. Auf diese Weise fallen laut Hersteller
die Betriebs-und Anschaffungskosten niedriger aus als
bei alternativen Anlagen.
Die Anlagenpreise bewegen sich zwischen knapp 20.000
Euro bis hin zu Werten im sechsstelligen Bereich. Die
Nutzung im privaten oder kleingewerblichen Umfeld ist
somit weitgehend ausgeschlossen. Es sind daher zahlreiche Dienstleister am Markt tätig, die die Umsetzung von
Bauteilen zu realistischen Preisen ermöglichen.
Ex One – Großdrucker für Sand und Metall
Einer der größten Anbieter für 3D-Drucker mit einem
besonders großen Bauraum für die additive Produktion
von Formteilen aus Sand oder Metallen ist ExOne. Der
mögliche maximale Bauraum beträgt für den 3D-Druck
von Sand 1.800 x 1000 x 700 Millimeter, bei Metallen 780
x 400 x 400 Millimeter. Sandformen und Kerne können
heute im Rahmen einer vollständigen digitalen Prozesskette werkzeuglos hergestellt werden. Zur Erzielung der
gewünschten Festigkeit bei metallischen Bauteilen ist
ein nachgelagerter Brenn- und Sinterprozess notwendig.
VXC800: Kontinuierliches 3D-Drucken mit schräg angestelltem Druckbett (Quelle: voxeljet)
19
2.1.5 Schicht-Laminat-Verfahren
Zu den Schicht-Laminat-Verfahren (Layer Laminate
Manufacturing – LLM) zählen alle Anlagentypen, die
auf der Verwendung einzelner Folien oder Papierlagen
basieren. Sie haben sich in den letzten Jahren nicht so
positiv entwickelt wie die anderen Anlagentypen, da die
Realisierung von Hohlräumen schwierig ist und die Entfernung von überschüssigem Material händisch erfolgen
muss. Die am Markt geläufige Bezeichnung Laminated
Object Manufacturing LOM ist die geschützte Marke des
amerikanischen Herstellers Helisys Inc., der die ersten
Anlagen seit Mitte der 1990er Jahre am Markt vertreibt.
Für das Arbeiten mit Papier ist die Bezeichnung Paper
Lamination Technology PLT ebenfalls geläufig.
1 Endlosband mit
klebebeschichtetem Material
4 Material wird durch
Heizwalze verklebt
Spiegel
Laser
2
Werkstück
Heizwalze
4
1
1
Bauplattform
3
Rollen mit kleberbeschichtetem Material
Grafik: Verfahrensprinzip beim Layer Laminate Manufacturing
20
ADDITIVE FERTIGUNG
Verfahrensprinzip
Bei den LLM-Anlagen entstehen Bauteile durch schichtweises Verkleben einzelner Folien oder dünner Platten
miteinander. Zunächst wird die erste Lage auf die Bauteilplattform aufgelegt und die Kontur der Schicht mit
einem Laser, einer scharfen Messerschneide oder einem
Heißdraht eingebracht. Die Plattform verfährt nach unten und eine neue Materialfolie wird aufgelegt und mit
einer Thermowalze bei etwa 300 Grad Celsius mit der
unterliegenden Schicht verklebt. Der nächste Zuschnitt
der Kontur entsteht und der Prozess wiederholt sich
von neuem. Um die Entnahme des Bauteils am Ende
des Prozesses zu erleichtern, wird das überschüssige
Folienmaterial in kleine rechteckige Teile geschnitten.
Die entstandenen Würfel können auf einfache Weise
entsorgt werden. Gleichzeitig dient das überschüssige
Material zur Abstützung ausladender Bereiche, so dass für
diese keine zusätzlichen Stützkonstruktionen notwendig
sind. Zur Integration von Funktionselementen oder zur
Entfernung überschüssigen Materials in Hohlräumen
kann der Prozess angehalten werden. Aufgrund des
Verfahrensprinzips sind Schicht-Laminat-Verfahren zwar
additive Prozesse, weisen aber verglichen mit anderen
Prozessen des Additive Manufacturing weniger Vorteile
auf, gerade im Hinblick auf Ressourceneinsparung.
Materialien
Für Schicht-Verfahren sind verschiedene Folienwerkstoffe
und beschichtete Papiere am Markt erhältlich. Diese
reichen von einer Vielzahl verschiedener Kunststoffe
(zum Beispiel Polyester) bis hin zu faserverstärkten Verbundmaterialien. In Testläufen wurden darüber hinaus
bereits Keramik- und Metallfolien erfolgreich verarbeitet.
Beim Arbeiten mit metallischen Werkstoffen werden die
einzelnen Schichten nicht verklebt, sondern verschweißt.
Obwohl bei der Verarbeitung von Papieren bereits der
optische Eindruck von Holz entsteht, wurde für die Erzeugung von Holzbauteilen ein besondere Anlagenvariante
entwickelt, bei der die Bauteilplattform oben angeordnet
ist und der Zuschnitt mit einem Fräskopf erfolgt. Mit dieser
Anordnung lassen sich Hohlräume leichter realisieren,
da überschüssige Späne unter Einfluss von Schwerkraft
aus dem Bauraum herausfallen.
Die mit LLM-Anlagen verarbeitbaren Schichtdicken liegen zwischen 0,08 und 0,25 Millimeter, üblich sind 0,1
Millimeter. Einige Hersteller geben die Materialdicke
verwendeter Standardpapiere auch in den üblichen
Flächengewichten an. Typisch sind 80 Gramm pro Quadratmeter. Am Markt erhältliche LLM-Anlagen haben
einen maximalen Bauraum von 800 x 600 x 550 Millimeter, bei einer Genauigkeit von +/- 0,15 Millimeter. Die
mechanische Belastbarkeit der Bauteile ist abhängig von
der Baurichtung. Bei der Nachbearbeitung ist daher auf
die Laminierrichtung zu achten. Bei der Verwendung von
Papier müssen die Oberflächen wegen deren hygroskopischen Eigenschaften abschließend mit einem Klarlack
versiegelt werden.
Anwendung
Aufgrund der bauteilunabhängigen Prozessgeschwindigkeit haben LLM-Verfahren vor allem für die Realisierung
besonders großer Teilegeometrien mit eingeschränkter
Komplexität Vorteile. Beim Verkleben der Schichten
entstehen keine Spannungen, so dass weitgehend verzugsfreie Formenteile entstehen. Diese haben vielfach im
Modellbau (zum Beispiel für Gießereimodelle) Anwendung
gefunden. Da Hohlraumkonturen nur bedingt umgesetzt
werden können, weisen die Verfahren allerdings klare
Nachteile gegenüber anderen Verfahrensprinzipien auf.
Mittlerweile ist eine papierbasierte Schicht-Laminat-Anlage für den Bürobetrieb am Markt erhältlich.
Wirtschaftlichkeit
LLM-Anlagen sind im Vergleich zu anderen Anlagentypen
relativ kostenintensiv und starten bei einem Preis von
4.000 Euro. Bei den günstigen Anlagen ist der Gebrauch
allerdings an besondere Folienmaterialien gebunden.
MCor Papierbasierte Schicht-Laminat-Anlage
Das 2005 in Irland gegründete Unternehmen MCor stellt
Schicht-Laminat-Drucker her, die mit konventionellem DIN
A4-Briefpapier arbeiten. Im Vergleich zu anderen additiven
Fertigungstechnologien fallen somit die Betriebskosten um einiges niedriger aus. Die Papierlagen werden
aufeinander geklebt, die Schichtkonturen geschnitten
und mit konventioneller Drucktechnologie eingefärbt.
Da mehr als eine Million Farben zur Verfügung stehen,
lassen sich fotorealistische Objekte umsetzen. Die Farben
durchdringen die einzelnen Papierlagen und sorgen für
eine satte Farbwirkung. Die Farbauflösung entlang der
Bauteilachsen beträgt 5760 x 1440 x 508 dots-per-inch
(x-y-z). Eine maximale Bauteilgröße von 25,6 x 16,9 x 15
Zentimeter kann realisiert werden.
Bauraum einer MCor-Anlage nach dem Schicht-Laminat Verfahren
(Quelle: 3D-Picture, Foto: Dieter Bielert)
21
Plattenpresslöten
Bei der Neue Materialien Bayreuth GmbH wurde mit
dem Plattenpresslöten (PPL) ein neues generatives Verfahren entwickelt. Es basiert auf der Kombination von
Fräsen und Löten und bietet die Option, großflächige
Werkzeugeinsätze mit komplizierten inneren Strukturen
wie konturnahen Kühlkanälen zu erzeugen. Als Grundwerkstoff dienen mit einem Messinglot beschichtete,
vier Millimeter dicke Metallbleche. Die Schichtgeometrie
wird in das jeweilige Blech gefräst, die Bleche anschließend passgenau gestapelt und durch Kontaktlöten fest
miteinander verbunden. Unebenheiten werden durch
gezielt aufgebrachten Druck über die Schließvorrichtung
ausgeglichen. Mittlerweile ist das Verfahren so weit
entwickelt, dass eine Genauigkeit von 80 Mikrometer
erreicht werden kann.
Durch Plattenpresslöten hergestellte Werkzeugform
(Quelle: Neue Materialien Bayreuth GmbH)
2.2 Datenerzeugung und Prozesskette der
additiven Fertigung
Voraussetzung für den Aufbau einer Bauteilgeometrie
mit einer additiven Fertigungstechnologie ist neben dem
Zugang zu einer Produktionsanlage das Vorhandensein
vollständiger 3D-Geometrieinformationen. Für deren
Anfertigung können 3D-CAD-Programme genutzt werden,
die die dreidimensionalen Daten in ein Facettenmodell
(STL, AMF) umwandeln können. Das Facettenmodell
wird für den gesamten Prozess der generativen Produktion benötigt. Dabei werden die Formteilflächen über
Dreiecke angenähert (Triangulation). Bei gekrümmten
Flächen kann es daher je nach Anzahl der Dreiecke zu
Ungenauigkeiten und Abweichungen vom eigentlichen
Bauteilentwurf kommen. Die Datenmenge steigt mit
Anzahl der Dreiecke und der gewünschten Genauigkeit.
Die an gedruckten Bauteilen häufig erkennbaren Dreiecksfacetten sind ein Resultat der Geometrieannäherung
durch das STLFormat.
SystemHersteller
Anwender
Plattformabhängigkeit
123D Design
Autodesk Inc.
Einsteiger
Windows und Mac OSX
CATIA
Dessault Systèmes
Industrie
Windows
Cubify Invent
3D Systems Corporation
Einsteiger & Fortgeschrittene
Windows
FreeCAD
FreeCAD Community
Fortgeschrittene
Linux
Inventor
Autodesk Inc.
Fortgeschrittene & Profis
Windows
Rhinoceros
Robert McNeel & Ass.
Profikreative
Windows und Mac OSX
Solid Edge
Siemens Industry Industrie
Windows
Solid Works
Dessault Systèmes
Fortgeschrittene & Profis
Windows
Ausgewählte 3D-CAD-Systeme in einer Übersicht (nach Horscher, Florian: 3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself-guide. München,
Wien: Carl Hanser Verlag, 2014)
22
ADDITIVE FERTIGUNG
Sollen bereits vorhandene Gegenstände oder Körper
genutzt werden, um sie für die Datenerstellung zu verwenden, bieten taktile oder optische Messtechniken heute
die Möglichkeit dazu (zum Beispiel durch 3D-Scanning).
Dabei haben sich in den letzten Jahren verschiedene
Techniken entwickelt, mit denen die Daten in unterschiedlich genauer Auflösungsqualität realisiert werden
können. Die einfachste Möglichkeit für das 3D-Scannen
ist sicherlich das Arbeiten mit Fotos. Eine Digitalkamera
reicht heute aus, um aus mindestens 20 Fotos eines Objekts unter Zuhilfenahme einer Software ein 3D-Modell zu
generieren. Der derzeit größte mobile 3D-Scanner der
Welt wird vom Start-Up botspot aus Berlin angeboten
und hat zum Erfassen von Körpern und großer Gegenstände 60 Kameras integriert. Neben dem Arbeiten mit
Fotos kann 3D-Scanning auch über Lichtschnitte oder
Streifenprojektionen realisiert werden. Die Verfahren
sind teurer, das Ergebnis aber in der Regel hochwertiger.
Hierbei werden Linien oder Streifenmuster auf ein Objekt
projiziert, der Körper gedreht und die Winkelveränderungen erfasst. Mit einer Software können diese in ein
3D-Geometriemodell überführt werden.
Größter mobiler 3D-Scanner der Welt (Quelle: botspot)
Ob die Daten mit 3D-CAD-System erstellt oder mittels
optischer bzw. taktiler Techniken erfasst werden, im
Anschluss stellt ihre Aufbereitung einen entscheidenden
Schritt innerhalb des generativen Fertigungsprozesses
dar. Denn nicht selten entstehen bei der Ableitung des
Facettenmodells aus den CAD-Daten Fehler, die die
weitere Bearbeitung verzögern. Zu diesen zählen eine
falsche Orientierung einzelner Facetten, Lücken zwischen
den Dreiecken oder eine Doppelung der Triangulation.
Die Fehlstellen müssen vielfach händisch beseitigt werden.
Grafik: 3D-Daten im STL-Format (Quelle: Anderl, R.: Additive
Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren – vom Prototypen zur Massenfertigung? Vortrag anlässlich der Veranstaltung
„Additive Manufacturing“ des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung, Hanau,
23. September 2014)
Beim so genannten Slicing werden anschließend mit einer
gesonderten Software die STL-Daten in die für generative
Verfahren erforderlichen Schichtinformationen (SLI-Daten) umgerechnet. Um den vorhandenen Bauraum einer
Anlage optimal auszunutzen, werden mehrere Bauteile
auf der Bauteilplattform verteilt und so orientiert, dass
auf Stützkonstruktionen verzichtet werden kann. Kann auf
Stützkonstruktionen nicht verzichtet werden, sind diese
eine Komponente des Slicing-Prozesses. Die notwendige
Software ist bei den Anlagenherstellern erhältlich und
wird beim Kauf mitgeliefert. Über die Festlegung der
Prozessparameter wie zum Beispiel Lasergeschwindigkeit
beim SLS oder Schichtstärke beim FLM kann die Qualität
der Bauteiloberflächen und die Herstelldauer entscheidend beeinflusst werden. Die SLI-Daten ermöglichen
anschließend die exakte Ansteuerung der Maschine.
23
Lasergesinterte Griffe der Nikon Metrology Scanner mit
Beflockung (Quelle: Materialise)
Je nach Verfahrensprinzip ist nach dem generativen
Aufbau der Bauteilgeometrie eine abschließende Reinigung der Teile erforderlich. So müssen bei manchen
Prozessen beispielsweise Stützstrukturen entfernt werden.
Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität oder der
Oberflächenqualität können die Bauteile abschließend
einer Nachbehandlung unterzogen werden. Die Möglichkeiten reichen vom einfachen Polieren der Bauteiloberflächen über die Infiltration poröser Strukturen mit
niedrigschmelzenden Metallen bis hin zum Beflocken
oder Metallisieren zur Veredelung der Formteile.
Grafik: SLI-Daten mit Stützkonstruktionen (Quelle: Anderl, R.:
Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren –
vom Prototypen zur Massenfertigung? Vortrag anlässlich der
Veranstaltung „Additive Manufacturing“ des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung,
Hanau, 23. September 2014)
2.3 Prozessketten unter Integration additiver
Fertigungsverfahren
Nachdem sich additive Fertigungsverfahren seit Mitte der
1990er Jahre für den Prototypenbau durchgesetzt haben,
werden sie seit über zehn Jahren auch im Werkzeugbau
angewendet. Da es sich hier meist um komplexe Formteile
handelt, weisen additive Fertigungsverfahren gegenüber
konventionellen Techniken deutliche Kostenvorteile
auf. Steht im industriellen Kontext vor allem die direkte
Herstellung von Werkzeugen durch Lasersintern und
Lasermelting von Metallen im Fokus der Entwicklung,
werden kostengünstigere Verfahren mittlerweile auch
im Handwerk eingesetzt. Die generativen Techniken
sind dabei meist in eine Prozesskette integriert. Auch
Laserschmelzen oder Laserauftragsschweißen können
zur Werkzeugreparatur verwendet werden.
24
ADDITIVE FERTIGUNG
Additiv erzeugte Werkzeugform durch Lasersintern (Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Peters 2011)
Glasblasen
Ein Variante der Integration additiver Fertigungsverfahren
ist das handwerkliche Glasblasen großformatiger Körper,
die sich mit üblichen Prozessschritten kaum umsetzen
ließen. Der Glaskörper wird zunächst im Computer
dreidimensional aufgebaut und als Formteil auf einer
großformatigen FLM-Anlage gedruckt. Daran schließt
sich ein Abformen mit Gips an und die Umsetzung von
zwei Werkzeughälften werden dann für das eigentliche
Glashandwerk genutzt und ermöglichen eine sehr präzise
Herstellung des gewünschten Bauteils. Derzeit wird die
Verwendung preiswerter 3D-Drucker auch in Verbindung
mit Materialien wie Metall oder Porzellan experimentell
erschlossen.
Feinguss
Sollen Gussteile mit komplexer Formteilgeometrie im
Metallguss zum Beispiel für die Luftfahrt oder die Medizintechnik entstehen, eignen sich auch hier generativ
erzeugte Urmodelle für die Verkürzung der Prozesskette.
Denn musste früher das Urmodell aufwändig erzeugt
werden, genügen heute meist einige Stunden für die
Erzeugung der Modellgeometrie. Aufgrund der hohen
realisierbaren Oberflächenqualitäten fällt die Wahl meist
auf die Stereolithografie.
Nach der additiven Herstellung wird das Modell nachbearbeitet und mit einer keramischen Beschichtung
versehen, die nach dem Ausbrennen des Urmodells das
Feingussformwerkzeug bildet. Mit der abgebildeten
Prozesskette können Bauteile mit einer Länge von bis
zu 1,20 Metern gießtechnisch umgesetzt werden. Die
Abbildungsgenauigkeit ist sehr hoch. Die Abweichungen
liegen maximal bei +/- 0,2 Prozent.
Vakuumguss
Funktionsmodelle aus Zweikomponenten-Polyurethanen können in kleinen Stückzahlen in der Regel durch
Vakuumabformen erzeugt werden. Für die Herstellung
eignet sich die Verwendung eines generativ gefertigten
Mittels Vakuumguss aus einer additiv gefertigten Urform produzierte
Gehäuse für einen Handscanner von Nikon Metrology
Urmodells, das durch Stereolithografie oder Lasersintern
umgesetzt werden kann. Dieses wird in Silikon abgeformt und mit Blick auf die notwendigen Trennebenen
in zwei Hälften geschnitten. Der Abguss erfolgt dann
unter Vakuum, um Lufteinschlüsse oder Hohlräume zu
vermeiden. Aufgrund der hohen Flexibilität der Silikonformen lassen sich selbst Hinterschnitte und komplexe
Strukturen realisieren.
Reaction Injection Molding RIM
Das Reaction Injection Molding ist ein in der Automobilindustrie etabliertes Verfahren zur Anfertigung von Kunststoffteilen in kleinen Stückzahlen durch Niedrigdruckinjektion von Duroplastharzen. Für die Herstellung der
benötigten Werkzeugformen wird zunächst ein Urmodell
generativ auf Basis von 3D-CAD-Daten erstellt und dieses
anschließend mit Silikon oder Harzen abgeformt. Je nach
Materialwahl lassen sich bei dem Formgebungsprozess
unter niedrigem Druck unterschiedlich hohe Stückzahlen
realisieren. Für besonders große Bauteile werden heute
in der Regel Werkzeuge aus Epoxidharzschichten mit
Glasfaserverstärkung gewählt.
Silikonwerkzeuge (bis zu 25 – 50 Injektionen)
Hybrid-Werkzeuge
(50 – 100 Injektionen)
Harzwerkzeuge mit Glasfaserverstärkung
(200 – 300 Bauteile)
Harzwerkzeuge mit Aluminiumverstärkung (bis zu 300 – 1.000 Bauteile)
Materialwahl für das Werkzeug und erzielbare Stückzahlen (Quelle: Materialise)
25
3. Neue Wertschöpfung mit additiver Fertigung
Die generativen Fertigungsprinzipien haben das Potenzial, konventionelle Produktionstechniken wie Fräsen
oder Drehen teilweise abzulösen und neue Wertschöpfungsmöglichkeiten zu entwickeln. Insbesondere in
Kombination mit der Digitalisierung und Flexibilisierung
von industrieller Großproduktion bis hin zur Ausrichtung
der Produktion auf die Losgröße 1 bieten aufbauende
Fertigungsverfahren Optionen, die bei den klassischen
Prozessen nur bedingt zu finden sind. So weisen generative
Technologien Qualitäten auf, die sie für die Umsetzung
des Zukunftsprojekts ‚Industrie 4.0‘ in der Hightech-Strategie der Bundesregierung unverzichtbar werden lässt.
Das derzeit große Interesse an den generativen Fertigungsprozessen und die mediale Aufmerksamkeit in den
letzten zwei bis drei Jahren hat vor allem mit dem Aufeinandertreffen von zwei Entwicklungen zu tun: Zum einen
haben die Hersteller die Anlagen und Werkstoffsysteme
so weit verbessert, dass sie mit denen klassischer Verfahren konkurrieren können und ihr Einsatz in der direkten
Produktion in vielen Bereichen mittlerweile möglich ist.
Zum anderen wurde durch das Auslaufen einiger Patente
für einige wichtige Verfahren eine Entwicklungs- und
Innovationswelle sowie ein Preisverfall ausgelöst, der
die generative Fertigung auch für Endkonsumenten
attraktiv werden ließ. Zwischen 2008 und 2011 konnten
expectations
Für eine differenziertere Betrachtung der Entwicklung
eignet sich der so genannte ‚Hype Cycle‘, den Gartner
Incorporation jährlich publiziert, um technologische
Entwicklungen, die an sie gesetzten Erwartungen und
das mediale Interesse anhand einer Kurvengrafik abzubilden. Nach Erfahrung der Marktforscher folgen
technische Entwicklungen folgendem Muster: Lässt sich
nach Bekanntwerden einer bestimmten technologischen
Innovation zunächst ein großes mediales Interesse mit
einem hohen Maß an Erwartungen verzeichnen, folgt
die Phase der Ernüchterung über die prognostizierten
Potenziale und damit ein Abfall in der Wertschätzung
gegenüber den wirtschaftlichen Möglichkeiten. Erst
anschließend findet eine nachhaltige Entwicklung hin zu
einer produktiven Technologie statt. Jede technologische
Neuerung durchläuft den Hype Cycle unterschiedlich
schnell. Man geht jedoch meist von mindestens zehn
Jahren aus.
Big Data
In-Memory Database Management Systems
Content Analytics
Hybrid Cloud Computing
Gamification
Augmented Reality
Affective Computing
Smart Robots
3D Bioprinting Systems
Quantified Self
Machine-to-Machine
Communication Services
Mobile Health
Monitoring
Cloud Computing
Speech Recognation
Consumer Telematics
3D Scanners
Enterprise 3D Printing
Activity Streams
In.Memory Analytics
Gesture Control
Virtual Reality
NFC
Virtual Personal Assistants
Digital Security
Bioaccustic Sensing
Gartner Hype Cycle aus
dem Jahr 2014
(Quelle: Gartner Inc. 2014)
Internet of Things
Natural-Language Quastion Answering
Wearable User Interfaces
Consumer 3D Printing
Cryptocurrencies
Complax-Event Processing
Speech-to-Speech Translation
Autonomous Vehicles
Smart Advisors
Data Science
Prescriptive Analytics
Neurobusiness
Biochips
Volumetric and Holographic Displays
Software-Defined Anything
Quantum Computing
Human Augmentation
Brain-Computer Interface
Connected Home
die Anlagenhersteller im Low-Cost-Bereich (Anlagen bis
4.000 Euro) jährliche Steigerungsraten von 346 Prozent
verzeichnen. In 2013 wurden etwa 70.000 Anlagen für
den Konsumentenbereich vertrieben. Im gleichen Jahr
erreichten die Profisysteme eine Verkaufszahl von 9.832
Anlagen (Wohlers, T.: Wohlers`Report 2013. Wohlers
Association, 2013).
Smart Workspace
As of July 2014
Innovation
Trigger
Peak of
Inflated
Expectations
Trough of
Disillusionment
Slope of Enlightenment
Plateau of
Productivity
time
Plateau will be reached in:
less than 2 years
26
ADDITIVE FERTIGUNG
2 to 5 years
5 to 10 years
5 to 10 years
obsolete before plateau
Der Hype Cycle aus dem Jahr 2014 zeigt deutlich, dass
die additive Fertigung sich im industriellen Kontext zu
einer aussichtsreichen Technologie entwickelt hat und
ihr produktiver Einsatz in der Fertigung derzeit in den
unterschiedlichen Branchen stattfindet. Für die Verwendung des 3D-Druckens im Konsumentenbereich sehen
die Marktforscher hingegen ein Überschreiten des Hypes
der letzten Jahre gekommen. In der sich anschließenden
Konsolidierungsphase wird das wirtschaftliche Potenzial
und die Möglichkeiten kritisch hinterfragt. Erst in fünf
bis zehn Jahren wird sich der produktive Einsatz von
3D-Druckern in privaten Umgebungen entwickelt haben.
Kurz vor dem Höhepunkt des Hypes sieht Gartner wiederum die Technologie des Bioprintings angekommen.
Dazu zählen vor allem Systeme für Anwendungen und
Technologien zur generativen Verarbeitung organischer
Substanzen für medizinische Zwecke wie beispielsweise
die Möglichkeit zur additiven Produktion von Implantaten
oder sogar Gewebeersatz.
3.1 Markteinschätzung
Der Gesamtmarkt rund um die additive Fertigung ist in
den letzten 25 Jahren um durchschnittlich 24,1 Prozent
gewachsen. Zwischen 2010 und 2012 betrug die jährliche
Steigerung nicht zuletzt wegen neuer Wertschöpfungsketten im Konsumentenbereich und für den Einsatz
additiver Technologien zur direkten Bauteilfertigung
sogar 27,4 Prozent (Quelle: Wohlers’ Report 2013). Denn
wurden generative Technologien aufgrund qualitativer
Nachteile mit Blick auf Anforderungen wie Belastbarkeit
und Stabilität bis vor ungefähr zehn Jahren ausschließlich
für die schnelle Anfertigung von Prototypen (Rapid Prototyping) und Werkzeugen (Rapid Tooling) verwendet,
findet derzeit eine Veränderung des Marktes und eine
Neuausrichtung der Anteile statt. So hat in 2013 die
Verwendung generativer Technologien in der Produktion
bereits einen Anteil von knapp 29 Prozent ausgemacht.
Andere wichtige Verwendungsgebiete sind nach wie
vor der Prototypenbau mit knapp 37 Prozent sowie das
Direct Tooling mit 26 Prozent.
17,4%
(Quelle: 3D Systems)
Präsentationsmodelle
RAPID MANUFACTURING
Direct Tooling
29%
Direct Manufacturing
19,5%
(Quelle: EOS)
Marktanteil
Funktionelle Prototypen
(Quelle: 3D Systems)
26%
(Quelle: EOS)
RAPID PROTOTYPING
Marktanteile für die additive Fertigung (Quelle: Abele, E.: Einordnung und Ausblick von additiven Fertigungsverfahren aus produktionstechnischer Sicht. Vortrag anlässlich der Veranstaltung „Additive Manufacturing“ des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie,
Verkehr und Landesentwicklung, Hanau, 23. September 2014)
NEUE WERTSCHÖPFUNG MIT ADDITIVER FERTIGUNG
27
%
35
30
25
20
15
10
5
0
2003
2004 2005
2006
2007 2008
2009
2010
2011
2012 2013
Grafik: Einsatz generativer Fertigung für die direkte Produktion (Quelle: Breuninger, J.; Becker, R.; Wolf, A.; Rommel, S.; Verl, A.: Generative
Fertigung mit Kunststoffen: Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2013)
Dieser Trend wird sich nach Aussage der Marktforscher
von Lux Research fortsetzen und der Anteil generativ
erzeugter Bauteile in Endanwendungen für die Luft- und
Raumfahrt, für die Medizintechnik, die Automobilindustrie, die Architektur sowie von elektronischen Geräten
und Konsumartikeln weiter steigen. Für das Jahr 2025
prognostiziert Lux Research einen Gesamtmarkt von
zwölf Milliarden US-Dollar. Davon weist die Teileproduktion mit 8,4 Milliarden US-Dollar dann den größten
Anteil auf. 2013 lag dieser noch bei 684.000 US-Dollar,
was jährliche Wachstumsraten von über 21 Prozent bedeuten (Quelle: Lux Research: How 3D Printing Adds
Up: Emerging Materials, Processes, Applications, and
Business Models. 30. März 2014).
Marktvolumen für 3D-gedruckte Bauteile
(in Millionen US-Dollar)
9,000
8,000
7,000
6,000
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025
■ Luftfahrt
■ Medizin
■ Automobil
■ Elektronik
■ Konsumgüter
Grafik: Prognostizierte Marktentwicklung für die direkte generative Teileproduktion 2012 bis 2025 (Quelle: Lux Research: How 3D Printing Adds
Up: Emerging Materials, Processes, Applications, and Business Models. 30. März 2014)
28
ADDITIVE FERTIGUNG
3.2 Qualitative Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Der sinnvolle Einsatz generativer Techniken in der Fertigung ist bereits heute in weitaus größerem Umfang möglich, als dies aktuell noch diskutiert wird (vgl. Breuninger,
J.; Becker, R.; Wolf, A.; Rommel, S.; Verl, A.: Generative
Fertigung mit Kunststoffen: Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern. Berlin, Heidelberg:
Springer Verlag, 2013). Denn neben den Material- und
Maschinenkosten können mit additiven Verfahren eine
Reihe anderer Posten eingespart werden, die sich durch
die Notwendigkeit zu einer fertigungsgerechten Konstruktion, durch den Materialeinsatz und die Logistik von
Halbzeugen und Abfallmaterialien in konventionellen
Produktionsprozessen bislang ergeben haben.
Halbzeugaufwand und Abfallmanagement in
der Fertigung
Ressourceneffizienz, Gewichtsreduzierung und
Montageaufwand
Durch das Ausnutzen der Angebote von 3D-Druckdienstleistern oder das Betreiben von Low-Cost-Anlagen im
Büro oder privaten Kontext können die Einsparpotenziale im Vergleich zum konventionellen Prozess zwischen
Produktion, Montage, Verpackung, Logistik und Vertrieb
noch viel größer ausfallen. Denn bei einem Download
von Bauteildaten aus dem Internet, der additiven Produktion und der Möglichkeit zur direkten Verwendung
des Bauteils wird die klassische Wertschöpfungskette
deutlich verkürzt. Für Produkte aus dem Elektronik- und
Konsumgüterbereich haben Forscher der Michigan University in 2013 beim Vergleich von zwanzig gedruckten
Testobjekten erhebliche Einsparmöglichkeiten gegenüber
dem Ladenpreis errechnet.
Da die Bauteilkomplexität keinen Einfluss auf die Fertigungskosten hat, kann durch Zusammenlegen von
Konstruktionselementen die Teileanzahl und der Montageaufwand reduziert werden. Dies wirkt sich ebenso
positiv auf die Produktionskosten aus wie die Möglichkeit
zur Reduzierung des Ressourcen- und Materialeinsatzes durch komplexe Hohlraumstrukturen, die sich mit
konventionellen Techniken gar nicht umsetzen ließen.
Konstruktionsaufwand und Zeichnungserstellung
Durch den Betrieb von generativen Produktionsanlagen
ist auch ein reduzierter logistischer Aufwand für die Bereitstellung von Halbzeugen oder Stoffen zu erwarten,
die für den Betrieb konventioneller Produktionsanlagen
bislang notwendig waren. Dies betrifft die Bereitstellung
von Kühlschmierstoffen ebenso wie die Entsorgung von
Materialabfällen bei der zerspanenden Fertigung. Zudem
sind keine Spannmittel oder Vorrichtungen erforderlich,
wie man sie in den klassischen Produktionsbetrieben
heute noch vorfindet.
Mit der Reduzierung der Teileanzahl sinkt bei den Unternehmen auch der Gesamtaufwand in der Konstruktion.
Zwar müssen Bauteilkonstruktionen auf die jeweilige
generative Anlagentechnik ausgelegt sein, jedoch lässt
das additive Fertigungsprinzip Konstruktionen zu, die
man bislang nur mit erheblichem Aufwand herstellen
konnte. Durch Teilezusammenlegung verringert sich
zudem auch die Notwendigkeit der Zeichnungserstellung
für die Produktion. Die vereinfachte Datenverwaltung
bietet ein weiteres Einsparpotenzial für das produzierende Gewerbe.
29
Gewicht
(Gramm)
Produkt
Stromverbrauch
(Kilowattstunden)
Kosten für
Kunststoff
Stromkosten
Gesamtkosten
RepRap
Einzelhandelsstückpreis
(gesamt,
niedrig)
Einzelhandelsstückpreis
(gesamt,
hoch)
iPhone 5 Dock
46,2
0,28
1,62
0,03
1,65
3,56
29,99
iPhone 4 Dock
19,5
0,1
0,68
0,01
0,69
16,99
39,99
7,5
0,04
0,26
0,00
0,27
20,00
56,00
Schmuckkästchen
19,63
0,08
0,69
0,01
0,70
9,00
104,48
Knoblauchpresse
45,01
0,26
1,58
0,03
1,61
5,22
10,25
6,37
iPhone 5 Hülle ((kundenspezifisch)
Schieblehre
0,05
0,22
0,01
0,23
6,08
7,88
Wandteller
15.,7
0,07
0,55
0,01
0,56
2,30
22,07
Ringe für Duschvorhang (12 Stück)
33,6
0,24
1,18
0,03
1,20
2,99
2,99
Duschkopf
71,32
0,27
2,50
0,03
2,53
7,87
437,22
Schlüsselbrett (3 Haken)
17,03
0,08
0,60
0,01
0,61
6,98
49,10
iPad Stand iPad Halter
11,24
0,1
0,39
0,01
0,41
16,99
49,00
Schuheinlagen
39,08
0,13
1,37
0,02
1,38
99,00
800,00
Sicherheitsrasierer
9,9
0,09
0,35
0,01
0,36
17,00
78,00
Pickup
39,31
0,19
1,38
0,02
1,40
9,99
22,99
Spielzeugeisenbahn, Schiene
11,27
0,06
0,39
0,01
0,40
39,48
58,98
9,15
0,05
0,32
0,01
0,33
16,98
79,95
iPhone Treibein
12,88
0,08
0,45
0,01
0,46
8,50
29,95
Küchenpapier-Halter
63,44
0,31
2,22
0,04
2,26
11,20
25,00
Piroggen-Form
18,9
0,07
0,66
0,01
0,67
6,95
24,99
Löffelhalter
11,6
0,06
0,41
0,01
0,41
4,95
15,00
Nano Uhrenarmand (5 Glieder)
Grafik: Einsparpotenziale für die Herstellung von Produkten auf Basis von Open Source Design unter Verwendung eines 3D-Druckers des
amerikanischen Unternehmens RepRap; alle Kosten und Preise in US-Dollar (Quelle: Michigan Technology University, Joshua Pearce)
3.3 Anwendungsszenarien und Branchen
Luft- und Raumfahrt wird ein großer Entwicklungssprung
in den nächsten zehn Jahren erwartet. Hingegen bedarf
es für die Steigerung der Anwendungsvielfalt in der
Automobilindustrie noch einiger Anstrengungen, um
die Systeme von ihrer grundlegenden Eignung für die
Branche in eine Massentauglichkeit zu überführen.
Dass sich die Möglichkeiten der additiven Produktion für
die industriellen Hauptbranchen unterschiedlich entwickeln, zeigt folgende Darstellung der Technologiereifen.
Klar zu erkennen ist, dass sich generative Prinzipien bereits
in der Medizintechnik etabliert haben und im Werkzeugbau eine gewisse Bedeutung erlangt haben. Auch für die
Automobil
Werkzeugbau
Medizintechnik
Produktion bei Vollauslastung
10
10
10
10
Produktion bei Teilauslastung
9
9
9
9
Fähigkeit einer Pilotlinie demonstriert
8
8
8
8
Produktion in Produktionsumgebung validiert
7
7
7
7
Produktionssysteme hergestellt
6
6
6
6
Grundfähigkeiten bewiesen (produktionsnah)
5
5
5
5
Technologie im Labor validiert
4
4
4
4
Machbarkeitsstudie durchgeführt
3
3
3
3
Produktionskonzept identifiziert
2
2
2
2
Funktionsprinzip identifiziert
1
1
1
1
Reifegrad additiver Fertigung für unterschiedliche Branchen (Quelle: Roland Berger)
30
Luft- u.
Raumfahrt
ADDITIVE FERTIGUNG
Steigende Verkaufszahlen bei den Metallsystemen und
insbesondere der Umsatzsprung bei Anlagen für die additive Fertigung metallischer Bauteile in 2013 lassen darauf
schließen, dass sich die Industrie auf einen verstärkten
Einsatz generativer Fertigungsverfahren vorbereitet.
350
300
250
200
150
100
50
0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Grafik: Verkaufszahlen von Metallsystemen (Quelle: Wohlers Report 2013)
3.3.1 Fahrzeugindustrie
Die Automobilhersteller gehörten zu den ersten Unternehmen, die seit Mitte der Neunziger Jahre generative
Techniken im Rahmen von Entwicklungsprozessen für
die schnelle Prototypenherstellung nutzen. Anders als
in der Luftfahrtindustrie sind jedoch die Stückzahlen
so hoch, dass die Integration additiver Fertigungstechniken in die automatisierten Produktionsprozesse der
Automobilindustrie bislang nicht möglich waren. Die
Produktion komplexer Einzel- und Ersatzteile durch
generative Fertigungsprinzipien wird zwar in Einzelfällen
bereits durchgeführt, ein flächendeckender Einsatz findet
jedoch noch nicht statt.
Zwar noch nicht motorisiert, aber eine Vorreiterrolle auf dem Weg zur
vollständig additiv erzeugten Karosserie: Im Februar 2014 wurde der
erste Fahrradrahmen präsentiert, der ausschließlich durch additive
Verfahren aus einer Titanlegierung gefertigt wurde.
(Quelle: Renishaw)
31
GENESIS Studie (Quelle: EDAG)
An der Vielzahl der Vorhaben aus den letzten Monaten,
in denen die direkte additive Fertigung von Fahrzeugkomponenten mitunter kompletter Karosserieelemente
erprobt wurde, lässt sich der bevorstehende Einzug
generativer Produktionsweisen in der Automobilindustrie jedoch bereits erahnen. Insbesondere die in Fulda
angesiedelte EDAG Engineering AG hat diesbezüglich
zwei Highlights präsentiert. Bereits im März 2014 zeigte
das hessische Unternehmen auf dem Genfer Automobilsalon seine GENESIS Studie und für 2015 ist an gleicher
Stelle die Vorstellung des Prototyps „Light Cocoon“
geplant. Vor allem versprechen sich die EDAG-Designer
von generativen Fertigungsprozessen die Möglichkeit
zur Umsetzung von Leichtbaustrukturen aus der Natur
zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts.
Marktpotenzial
Da die Massentauglichkeit der generativen Fertigungsverfahren für die Fahrzeugindustrie bislang nur in Ansätzen
gegeben ist, wird mittelfristig an hybriden Ansätzen gearbeitet, wie beispielsweise die Integration des Laserauftragsschweißens in ein klassisches Bearbeitungszentrum
(Abele 2014). Die enormen Einsparpotenziale hinsichtlich
Bauteilgewicht und Ressourceneinsatz durch die direkte
Produktion von Bauteilen im Kontext der automobilen
Produktion wird den weltweiten Markt bis 2025 auf knapp
vier Milliarden US-Dollar wachsen lassen (Lux Research
2013). Zudem wird die Möglichkeit zur Fertigung ‚on
demand‘ die Wertschöpfungsketten verändern und
dort stattfinden lassen, wo ein passgenaues Bau- oder
Ersatzteil benötigt wird.
Projekte und besondere Entwicklungen
Akkuschrauberrennen – Gedruckte Leichtbaukonstruktion der HAWK
Beim Akkuschrauberrennen in Hildesheim waren 2011
Designstudierende bereits zum siebten Mal aufgerufen,
mit ungewöhnlichen Konstruktionen und einem Antrieb
aus zwei handelsüblichen Akkuschraubern gegeneinander anzutreten. Im Rennen ging es dann nicht nur
um Geschwindigkeit, sondern auch um das Gewicht
des Gefährts und die gestalterische sowie technische
Umsetzung der Leichtbaukonstruktion. Die Fakultät
Gestaltung der Hochschule für angewandte Wissenschaft
und Kunst Hildesheim HAWK modellierte ihr bionisch
anmutendes Fahrzeug am Computer und nutzte eine
FDM-Technologie von Stratasys für den Ausdruck, im
damals größtmöglichen Bauraum von 900 x 600 x 900
Millimeter. Die Fertigungsdauer betrug insgesamt zehn
Tage. 36.000 Schichten, mit einer Stärke von 0,25 Millimeter bei konstant 60 Grad Celsius aufgetragen, waren
notwendig, um das gesamte Fahrzeug aufzubauen und
gewichtsoptimiert umzusetzen. Da nur dort Material
aufgebracht wurde, wo es statisch, aerodynamisch und
ästhetisch sinnvoll erschien, wog das Fahrzeug gerade
einmal 8,3 Kilogramm.
Strati – Generativ erzeugte Fahrzeugkarosserie
Die Karosserie für STRATI von Local Motors wurde im
September 2014 live anlässlich der International Manufacturing Technology Show (IMTS) mit einer Fertigungsdauer von lediglich 44 Stunden additiv erzeugt.
Der Fahrzeugentwurf ging als Siegerbeitrag aus der ‚3D
Printed Car Design Challenge‘ mit über 200 Beiträgen
Beitrag der HAWK Fakultät für Gestaltung – Leichtbau durch generatives 3D-Drucken (Foto: Johannes Roloff)
32
ADDITIVE FERTIGUNG
Strati mit gedruckter Karosserie (Quelle: Local Motors)
aus 30 Ländern hervor, die das Unternehmen bis Juni
2014 durchführen ließ. Es wurden bei STRATI allerdings
nur die Teile additiv erzeugt, die keine mechanischen
Funktionen übernehmen bzw. den Vortrieb gewährleisten
müssen. Ergänzt um mechanische Komponenten wie
Batterie, Motor, Verkabelung und Aufhängung, wurde
am 13. September 2014 eine erste Testfahrt durchgeführt.
Ersatzteillogistik mit generativen Verfahren
Die Nutzung generativer Fertigungsverfahren für die
Bereitstellung von Ersatzteilen in der Fahrzeugindustrie wird derzeit intensiv diskutiert. Denn die additiven
Techniken wären nicht nur für Oldtimer interessant, für
die keine Ersatzteile mehr zu bekommen sind. Auch für
Fahrzeuge ab einem Alter von zehn Jahren könnte sich
die Umstellung auf ein System mit generativer Fertigung
bereits lohnen. Die Daten würden einfach den Werkstätten
zur Verfügung gestellt, diese könnten das gewünschte
Bauteil im Bedarfsfall vor Ort ausdrucken. Eine Lagerhaltung beim Hersteller würde somit entfallen. Im Projekt
‚Kfz-Service-Engineering 2020‘ prüft Prof. Rolf Steinhilper,
Inhaber des Lehrstuhls Umweltgerechte Produktionstechnik an der Universität Bayreuth, derzeit zudem die
Möglichkeit, den Ersatzteilaufwand durch Reparatur zu
reduzieren. Anstelle des Austauschs eines kompletten
Bauteils könnte die defekte Stelle mittels eines Scans
erfasst und eine neue Komponente generativ erzeugt
werden. Bei dieser ressourcenschonenden Methode
könnten die Reparaturkosten für den Fahrzeugbesitzer
verringert werden und die Wertschöpfung würde bei
den Werkstätten bleiben.
3.3.2 Medizintechnik
Additive Herstellungsmethoden haben für die Medizintechnik eine große Bedeutung, da mit Ihnen die Umsetzung individueller Geometrien mit Losgröße 1 möglich ist.
Zudem bietet der schichtweise Aufbau die Möglichkeit
zur Realisierung von Innenhohlraumstrukturen, wie man
sie beispielsweise in der Natur bei Knochen finden kann.
Mit konventionellen Techniken wie Fräsen oder Drehen
war dies bislang nicht möglich. Generative Verfahren
haben grundsätzlich auch das Potenzial zur Mischung
von Materialien, um Formteile exakt auf die individuellen
Anforderungen des menschlichen Körpers anzupassen,
ob in Form von Implantaten, Prothesen oder als Zahnersatz. Mit dem Bio-Printing hat sich in den letzten Jahren
ein neues Anwendungsgebiet für generative Techniken
entwickelt. Gemeint sind Verfahren, die mit Techniken
des Tissue Engineering menschliches bzw. tierisches
Gewebe durch 3D-Drucken von zuvor gezüchteten Zellen
in einer Biotinte herstellen können.
Künstliche Blutgefäße durch additive Fertigungsprozesse
(Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM)
Additiv erzeugte Knochenstruktur eines Kiefers
(Quelle: Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte
Materialforschung IFAM)
33
Additiv erzeugte Waschzentrifuge für die Blutgruppenserologie
(Quelle: Hettich, EOS)
Marktpotenzial
Der Anteil der Medizintechnik am Gesamtmarktvolumen für die generative Fertigung wurde von den
Marktforschern von Lux Research für das Jahr 2013 auf
einen Wert von sechs Millionen US-Dollar beziffert. Aufgrund der großen Potenziale wird sich dieser bis 2025
voraussichtlich auf über 391 Millionen steigern lassen.
Dies wird sich vornehmlich auf die Herstellung und
Anpassung von Prothesen und Implantaten beziehen.
Weitere typische Bereiche und Anwendungen findet
man in der Dentaltechnik, beim medizinischen Gerätebau
sowie für chirurgische Einweginstrumente. Der Markt für
das Bio-Printing wird sich voraussichtlich erst nach 2025
entwickeln (Lux Research 2013).
Zahnimplantate durch Selektives Lasermelting (SLM)
Für die Anfertigung von individuellem Zahnersatz haben
sich additive Produktionsmethoden aufgrund der komplexen Geometrie und der Losgröße 1 als Alternativen zu den
konventionellen Techniken am Markt etabliert. Wurden
Brücken, Inlays oder Kronen bis vor einigen Jahren noch
in einem aufwändigen manuellen Verfahren gefertigt, so
bietet die nunmehr vollkommen digitalisierte CAD/CAMProzesskette von der Datenaufnahme der Zahnform bis
hin zur additiven Fertigung des Zahnimplantats durch
SLM (Selektives Lasermelting) auf Basis von Metallpulver
einen echten Mehrwert für Patienten und Zahnarzt. Die
weltweit erste funktionstüchtige Prozesskette wurde in
Kooperation mit dem Fraunhofer ILT entwickelt und 2004
von der BEGO Medical GmbH aus Bremen kommerzialisiert. Auch das in Hanau angesiedelte Unternehmen
DeguDent GmbH befasst sich mit der additiven Fertigung
von Zahnersatz. An der Philipps-Universität Marburg wird
an der generativen Herstellung von Teilen des Kieferknochens durch SLM von Biokeramiken geforscht. Laut des
deutschen Anlagenherstellers EOS ist der Dentalbereich
bereits heute einer der größter Märkte.
Fertigungsschritte einer lasergesinterten Modellgussprothese:
Zahnersatz direkt nach dem Bauprozess, Supportstrukturen entfernt
und Oberfläche poliert, nach Fertigstellung (Quelle: EOS)
RoboHand/Project Daniel
Die additive Fertigung birgt insbesondere Potenziale für
die medizinische Versorgung von Gesellschaften in gering
entwickelten Ländern Afrikas. Die Robohand-Initiative zielt
auf die preisgünstige Bereitstellung von Armprothesen für
Menschen in Bürgerkriegsregionen ab. Sie stammt von
Mick Ebeling und seinem kalifornischen Unternehmen
Not Impossible Labs. Im Internet besteht bereits die
Download-Möglichkeit von 3D-Daten für die Anfertigung
einer Armprothese mit einem konventionellen 3D-Drucker
für einen Materialpreis von unter 100 US-Dollar. Nach
Angabe des Unternehmens wurden die Daten bereits
über 80.000 Mal heruntergeladen.
Project Daniel – Robohand für Bürgerkriegsverletzungen
(Quelle: MakerBot)
34
ADDITIVE FERTIGUNG
Zahnersatz durch Lasermelting (Quelle: Fraunhofer ILT)
Bio-Printing/Tissue Engineering
An einer ganzen Reihe von Instituten wird derzeit weltweit an der Möglichkeit zur generativen Herstellung von
Organen und menschlichem Gewebe geforscht. Die
mittelfristigen Ziele sind die Erstellung von Organen zu
Testzwecken und die Produktion von menschlichem Gewebe für Implantate. Dabei kommt biologische Tinte zum
Einsatz, die menschliche Zellen enthält und schichtweise
die organische Gewebestruktur aufbaut. In zahlreichen
wissenschaftlichen Publikationen wurde bereits von der
Reproduktion menschlicher Haut (Wake Forest University), der künstlichen Erzeugung eines Meniskus (Cornell-University) und der einer Ohrmuschel (University of
Melbourne) berichtet. Wissenschaftler rund um James Yoo
melden den erfolgreichen Druck eines großen Hautstücks
auf den Rücken eines Schweins. Die Umsetzung eines
vollständigen Organs aus mehreren Gewebetypen ist
allerdings heute ebenso wenig möglich wie der Aufbau
eines Netzes funktionstüchtiger Blutgefäße. Ein ausgereiftes System für eine künstliche Erzeugung von Organen
wird daher voraussichtlich erst in zehn bis 15 Jahren zur
Verfügung stehen.
Bio-Printer sind heute bei folgenden Herstellern wie Envision Tech, Organova und Advanced Systems erhältlich
und werden vornehmlich in der Wissenschaft eingesetzt.
3.3.3 Luft- und Raumfahrtindustrie
Seitdem mittels Laserschmelzen gefertigte Bauteile
ähnliche mechanische Festigkeiten aufweisen wie durch
konventionelle Frästechnologien erstellte, haben additive Fertigungsverfahren im Flugzeugbau an Bedeutung
gewonnen. Mitte 2011 vermeldete die Southampton
University die erste geglückte generative Herstellung eines
unbemannten Flugzeuges. Seit einigen Monaten werden
auch Verbindungselemente für den Airbus A350 XWB
additiv erzeugt. Im September 2014 hat die NASA erstmals
einen 3D-Drucker zur ISS geschickt. Neben der Gestaltungs- und Geometriefreiheit bietet das Laserschmelzen
im Vergleich zu konventionellen Gieß- oder Fräsprozessen
schnellere Durchlaufzeiten, reduzierte Werkzeugkosten
sowie eine nicht unerhebliche Ressourcenersparnis. Für
einige ausgewählte Bauteile konnten Kostenvorteile von
bis zu 50 Prozent und eine Gewichtsreduktion von bis
zu 40 Prozent realisiert werden. Musste beim Fräsen von
Flugzeugteilen noch mit einer Abfallmenge von etwa
95 Prozent gerechnet werden, so reduziert sich diese
beim Laserschmelzen auf fünf Prozent. Zudem bieten
additive Verfahren die Möglichkeit, Bauteile gezielter
auf den Verlauf von Kraftlinien auszulegen und dabei
die Anforderungen für den Leichtbau noch besser zu
berücksichtigen. Mit Blick auf diese Vorteile plant Airbus
zukünftig mit 100 Anlagen rund 40 Tonnen Metallpulver
monatlich generativ zu verarbeiten.
Mittels SLM gefertigte HTP-Leitschaufeln (Quelle: Fraunhofer ILT)
Die Verwendung generativer Verfahren in der Luft- und
Raumfahrtindustrie wird neue Möglichkeiten bei der
Konstruktion hinsichtlich der Komplexität und Funktionalität von Bauteilen mit sich bringen, die sich positiv auf
das Flugverhalten und den Energieverbrauch auswirken
werden. Dies betrifft ebenso die Umsetzung von Kühlkanälen wie die Geometrie ganzer Strukturbauteile im
Flügel- und Triebwerksbereich. Bereits jetzt wird von
den Flugzeugbauern die Umsetzbarkeit von Vorbildern
aus der Natur mittels additiver Technologien geprüft.
35
„Nicht umsonst hat die Natur Funktions- und Leichtbauprinzipien über Millionen von Jahren optimiert und den
Ressourceneinsatz clever minimiert. Diese Naturlösungen
werden bei Airbus derzeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit
strukturiert analysiert“, sagt Prof. Dr.-Ing. Emmelmann
(CEO, Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg; www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/additive_fertigung/
articles/461436/index3.html). Große Potenziale sieht er
insbesondere für Strukturbauteile von Abmessungen bis
zu einem Meter sowie für Bauteile im Triebwerksbereich.
Lasergesintertes Turbinenrad aus der Nickellegierung IN718
(Quelle: Morris Technologies, EOS)
Marktpotenzial
Die generative Fertigung ist für die Luft- und Raumfahrtindustrie vor allem deshalb interessant, weil man es in
dieser Branche mit kleinen und mittleren Stückzahlen
zu tun hat. Hohe Werkzeugkosten wirken sich anders
als bei der Volumenfertigung in der Automobilindustrie
deutlicher auf die Produktionskosten aus. Durch additive
Fertigungsverfahren wird daher eine deutliche Reduzierung der Stückkosten prognostiziert. Darüber hinaus
erwarten Experten einen weiteren positiven Kosteneffekt
durch die Umgestaltung der Ersatzteillogistik hin zu einer
Versorgung ‚on demand‘. Dezentrale Versorgungsnetzwerke könnten die Bereitstellung vor Ort garantieren
und sowohl die Lieferzeiten für Ersatzteile als auch die
Stand- und Revisionszeiten verringern. Auf diese Weise
sind geringere Betriebskosten bei den Fluggesellschaften
zu erwarten. Nach Berechnung von Lux Research wird
sich der Markt für mittels generativer Verfahren direkt
erstellter Bauteile in der Luft- und Raumfahrt bis ins Jahr
2025 ungefähr verdreifacht haben.
36
ADDITIVE FERTIGUNG
GE Aviation
Als eines der ersten Unternehmen der Luftfahrtindustrie
baut GE Aviation in Alabama eine Fabrikhalle mit additiver
Produktionstechnologie für die Fertigung von Triebwerken
und möchte additive Technologien langfristig etablieren.
Die Fertigstellung der Halle mit einer Fläche von 27.900
Quadratmetern ist für 2015 vorgesehen. Diese soll Platz
für 50 generative Fertigungsanlagen haben und 300
Mitarbeiter beschäftigen. Seit 2011 hat GE bereits 125
Millionen US-Dollar investiert und plant den weiteren
Ausbau der Technologie. GE Aviation verspricht sich
langfristig Kostenvorteile durch die Verwendung additiver Fertigungsverfahren. Denn die Bauteile benötigen
weniger Material und sind widerstandsfähiger als solche
aus konventionellen Produktionsprozessen. Bis Ende des
Jahrzehnts sollen bis zu 10.000 Bauteile jährlich mittels
generativer Verfahren hergestellt werden. Mitte Juli 2014
hat GE Aviation bei der Luftfahrtmesse in Farnborough
offiziell den Kauf von 100 SLM-Anlagen der deutschen
Firma EOS bekannt gegeben.
Triebwerkskomponenten und Verbindungselemente
Bei der Herstellung komplexer Bauteile für den Triebwerks- und Turbinenbau können unter Einsatz additiver
Fertigungsverfahren besonders positive Effekte erzielt
werden, die sich vor allem bei kleinen Stückzahlen rechnen. Zu den mittels Selektivem Lasersintern bereits
realisierten Bauteilen zählen zum Beispiel Leitschaufeln,
Kraftstoffsysteme oder Komponenten für den Hitzeschutz.
In 2014 wurde eine Entwicklung von Airbus mit dem
‚Innovationspreis der deutschen Wirtschaft 2014‘ ausgezeichnet. Erstmals wurden Flugzeugstrukturelemente
wie Brackets durch generative Fertigung additiv aus
Titan erzeugt, die ein um 30 Prozent geringeres Gewicht
aufweisen als konventionelle Aluminiumfrästeile. Die Jury
bewertete die Entwicklung als industrieübergreifenden
Innovationssprung, der die Fertigung von Flugzeugstrukturelementen und den Leichtbau bei Zivilflugzeugen
grundlegend verändern könne.
Generativ erzeugte Einspritzdüse (Quelle: Morris Technologies, EOS)
SULSA – erstes generativ erzeugtes Flugzeug der
Geschichte
In 2011 hat die University Southampton als erste Forschungseinrichtung erstmals ein unbemanntes Flugobjekt
erfolgreich getestet, das vollständig mittels additiver
Fertigungstechnik hergestellt wurde. Da das Lasersintern
zum Einsatz kam, wurde für das Flugzeug der Namen
SULSA – Southampton University Laser Sintered Aircraft
gewählt. SULSA hatte eine Flügelspannweite von zwei
Metern und wies eine elliptische Geometrie mit einer auf
den Luftwiderstand optimierten Form auf. Ein besonderer Vorteil des Lasersinterns war, dass ohne Mehrkosten
elliptische Flügel-Profile verwendet werden konnten, da
diese weniger Luftwiderstand erzeugen. Die Flexibilität
des Sinterprozesses erlaubte dem Designteam zudem,
historische Techniken und Ideen auszuprobieren, deren Realisierung mit konventioneller Technik extrem
teuer wäre. Durch die Anwendung von Schnappverbindungs-Techniken war die Montage der Einzelteile ohne
Befestigung möglich. Das mit einem Elektromotor betriebene Flugzeug erreichte eine Höchstgeschwindigkeit
von etwa 160 Stundenkilometern.
Durch Lasermelting generiertes Verbindungselement aus Titan für
den Airbus A350 XWB (Quelle: Airbus, Laser Zentrum Nord)
SULSA (Quelle: Southampton University)
3.3.4 Baubranche und Architektur
Für den Modellbau werden generative Verfahren (insbesondere LLM-Verfahren) seit einigen Jahren bereits
erfolgreich verwendet. Dass sich additive Technologien
jedoch auch für das Bauwesen und zur Herstellung architektonischer Strukturen eignen können, wird spätestens
seit der Veröffentlichung eines Projektes der ESA zur
Errichtung einer Raumstation auf dem Mond wieder
diskutiert. Als einer der ersten Wissenschaftler hat Dr.
Behrokh Khoshnevis bereits 2004 an der University of
Southern California unter dem Namen ‚Contour Crafting‘ ein Konzept zum Einsatz additiver Technologien
für das Bauwesen entwickelt. In diesem wird mit einem
Portalroboter ein schnell härtender Spezialbeton schichtweise auf den Untergrund gespritzt, um Gebäude nach
digitalen Bauplänen in weniger als 24 Stunden entstehen
zu lassen. Anwendungsszenarien werden neben dem
privaten Wohnungsbau vor allem dort gesehen, wo die
Errichtung architektonischer Strukturen in abgelegenen
Regionen in kürzester Zeit notwendig ist. Einst wurde
die Serienreife auf das Jahr 2008 prognostiziert. Durch
Schwierigkeiten mit der Festigkeit des Bauwerkstoffs
sowie Problemstellungen bei der Umsetzung von Geschossdecken und überhängenden Strukturen zog sich
die Entwicklungsreife immer weiter hinaus.
Lunar Contour Crafting (Quelle: University of Southern California)
37
Minibuilders Roboter zur Umsetzung gedruckter Architektur
(Quelle: IAAC, Barcelona)
Aufrichten additiv gefertigter Gebäudebauteile
(Quelle: WinSun Decoration Design Engineering)
Im Kontext des NASA Innovation Advanced Concepts
Program (NIAC) wurde aufbauend auf dem bereits entwickelten Konzept in 2012 eine robotergesteuerte Lösung für
den Bau einer Raumstation auf dem Mond vorgestellt. Im
Frühjahr 2014 vermeldete das chinesische Bauunternehmen WinSun aus Shanghai die erfolgreiche Entwicklung
einer einfachen Gebäudestruktur mithilfe eines additiven
Fertigungsprozesses. Nach Aussagen der Entwickler soll
es damit möglich werden, ein Gebäude mit garagenartiger Form und Größe in weniger als 20 Stunden zu einem
Preis von unter 5.000 US-Dollar zu errichten.
Container mit dem Ziel installiert, ein komplettes Kanalhaus zu errichten. Aus Mangel an Alternativen verwendeten die Architekten konventionelle Kunststofffilamente
aus PP beziehungsweise PLA. Die Erstellung eines drei
Meter hohen Blocks dauerte eine Woche.
Der Einsatz robotergeführter Systeme wird für die Umsetzung additiver Technologien für die Baubranche eine
große Bedeutung haben, da sich auf diese Weise keine
Beschränkungen durch den Bauraum von konventionellen
Anlagen ergeben. Die bisher auf dem Markt befindlichen
Anlagen für den generativen Aufbau von Sandstrukturen
dienen vornehmlich der Erstellung von Sandform und
Kernen mittels dreidimensionalem Drucken. Die größte
Anlage von Ex One hat dabei einen Bauraum von 1800 x
1000 x 700 Millimeter. In einem vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand ZIM des Bundesministeriums
für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt wurde die
generative Erzeugung zementgebundener Werkstoffe
auch an der TU Kassel unter Leitung von Dr. Asko Fromm
untersucht (siehe Kapitel 4.7).
Marktpotenzial
Der Einsatz additiver Verfahren im Bauwesen befindet
sich in einer frühen Entwicklungsphase. Eine Marktgröße
wird in den Analysen der Marktforscher selten erfasst.
Es ist jedoch zu erwarten, dass sich in naher Zukunft an
dieser Situation etwas ändern wird.
Kamer Maker
Als eines der ersten Büros haben DUS-Architekten aus
Amsterdam Mitte 2013 die Möglichkeiten zum Einsatz
für die direkte Erstellung architektonischer Strukturen im
Experiment getestet. Dazu wurde eine konventionelle
FLM-Anlage (Ultimaker) in einen dreieinhalb Meter hohen
38
ADDITIVE FERTIGUNG
Kamer Maker Projekt in Amsterdam (Quelle: DUS Architecs)
Natural Column Projekt
Unter dem Namen ‚Natural Column‘ hat der Berliner
Architekt Daniel Büning im Januar 2014 anlässlich der
Printshow in New York die weltweit erste freistehende
Säule mit einer inneren dreidimensionalen Hohlraumstruktur präsentiert. Die iterative Formfindungsmethode fand
unter Verwendung eines Struktursimulationsprozesses
statt, an dessen Ende eine auf einen bestimmten Lastfall
optimierte und an natürliche Systeme erinnernde Geometrie bei minimiertem Materialverbrauch stand. Die ‚Natural
Column‘ wurde mit einer 3D-Druck-Anlage von Voxeljet
auf Basis von Quarzsand und einem anorganischen Binder
realisiert. Die Gesamtstruktur ist 1,73 Meter hoch, wurde in
65 Stunden mit Schichtstärken von 0,3 Millimeter erzeugt
und hat ein Gesamtgewicht von 1.065 Kilogramm. Aufgrund der Vorteile hinsichtlich des Ressourceneinsatzes
und der Möglichkeit zur Umsetzung eines komplexen
inneren Aufbaus mit struktureller Heterogenität wird in
dieser Richtung weiterer Forschungsbedarf erwartet.
Stone Spray Roboter für den Einsatz zum Brückenbau
(Quelle: Anna Kulik, Petr Novikov, Inder Shergill)
Stone Spray
In Barcelona haben drei Studierende zwischen 2012 und
2013 im Projekt ‚Stone Spray‘ einen Roboter entwickelt,
mit dem sich hochbelastbare Strukturen auf Basis von
Sand und einem Bindemittel aus dem Straßenbau additiv umsetzen lassen. Versuche unter Verwendung eines
Trägergewebes zum Auftrag des Sandgemisches waren
sehr vielversprechend. So konnte die Geometrie eines
Hockers bereits in rund 3 Stunden umgesetzt werden. Die
Entwickler sehen die Anwendungspotenziale der Technologie vor allem in Katastrophengebieten zum Aufbau
von Brücken und anderen architektonischen Strukturen.
Saltygloo
Die Architekten von Real San Fratello aus Oakland haben in 2013 mit einer Entwicklung auf sich aufmerksam
gemacht, mit der sie in der Lage waren, architektonische
Strukturen unter Verwendung von natürlichen Salzen und
einem Bindemittel schichtweise entstehen zu lassen.
Das Salz stammt aus der San Francisco Bay und wurde
kostengünstig in Verdunstungsbecken unter Einsatz regenerativer Energien gewonnen. Die an Iglus erinnernde
Struktur besteht in der Basis aus Aluminiumstangen, an
die 336 einzelne Platten aus dem Salz-Klebstoffgemisch
befestigt werden. Die Struktur wies im Verhältnis zu
ähnlichen Konstruktionen ein geringes Gewicht auf und
ist durchlässig für Licht und Sonnenstrahlung, hat aber
eine wasserfeste Konsistenz.
Biobrick
Als Assistenzprofessorin der American University of Sharjah in den Vereinigten Arabischen Emiraten entwickelt
Ginger Krieg Dosier derzeit einen mikrobiologischen
Prozess in Analogie zum Korallenwachstum im Meer,
um zementartige Baumaterialien ohne die Emission
von Kohlendioxid auf der Basis von Sand mit Bakterien zu gewinnen. Durch die Zementindustrie werden
weltweit jährlich 800 Millionen Tonnen Kohlendioxid
freigesetzt. Der biotechnische Prozess zur Herstellung
von so genannten ‚Biobricks‘ würde eine Alternative zu
der energieaufwändigen konventionellen Technologie
darstellen. Denn für die Produktion sind lediglich Bakterien und ihre Nahrung sowie Sand, Stickstoff, Kalzium
und Wasser nötig.
Natural Column und Struktur der inneren Hohlräume
(Quelle: Daniel Büning)
Mikrobiologische Sandsteinproduktion unter Zuhilfenahme
eines 3D-Druckers (Quelle: Ginger Krieg Dosier, Biomason)
Unter den klimatischen Bedingungen eines Gewächshauses erzeugen die Bakterien Kalzit und verbinden die
Sandkörner zu einer gesteinsartigen und zementähnlichen
Struktur. Dosier plant die Entwicklung des Verfahrens so,
dass die Herstellung eines Biobricks in Zukunft mit einem
3D-Druckerbausatz erfolgen kann, der die Bakterien zur
Kalzitproduktion auf dem Sand schichtweise verteilt. Für
den mikrobiologischen Prozess wird eine Dauer von fünf
Tagen angegeben.
39
3.3.5 Designbranche, Schmuck, Interior
Für die Kreativbranche hat die generative Fertigung
seit jeher eine große Anziehungskraft. Denn mit additiven Technologien scheint die Umsetzung von Entwürfen möglich, für die bislang ein breites Wissen zu
Fertigungsverfahren notwendig oder die Realisierung
wegen technischer oder wirtschaftlicher Restriktionen
schlichtweg nicht möglich waren. Mit additiver Fertigung
lassen sich Produkte und Konzepte selbst mit komplexen
Geometrien, Hohlräumen, Hinterschneidungen und
beweglichen Komponenten erzeugen. Dies verändert
die Arbeitsweise der Gestalter und Produktentwickler
insofern, als dass die Kenntnis um fertigungsgerechte
Konstruktionsweisen nur noch in Ansätzen erforderlich
ist. Mit neuen Materialentwicklungen erfahren additive
Technologien derzeit auch Verwendung im Modebereich.
Marktpotenzial
Die Möglichkeiten der additiven Fertigung für die Kreativ- und Designbranche sind enorm. Daher wird sich
in Zukunft ein eigener Markt mit Produkten, Szenarien
und Geschäftsmodellen herausbilden, der auf Vertreter
der Kreativwirtschaft zurückzuführen ist. Dabei wird
es sich weniger um Wirtschaftsprozesse im Sinne der
Massenproduktion nach konventionellem Verständnis
handeln, sondern vielmehr um Lösungen mit individueller
und individualisierbarer Gestaltung, Funktionalität und
Herstellungsmethodik. Vor allem im Schmuckbereich
werden generative Fertigungsverfahren schon heute
als Alternative zu den konventionellen Prozessketten
eingesetzt.
Additiv erzeugter Armreif ‚ADINKRA UNION‘
(Design: Nando Nkrumah)
Die Verfügbarkeit von Bausätzen und Informationen
zu ihrer Konstruktion und zum Betrieb samt Software
und Bauteildaten hat zu einer Flut von Entwicklungen
durch Designer und Architekten geführt. Vertreter der
Kreativwirtschaft haben eine Vielzahl neuer Anlagen
entwickelt und diese zum Teil patentiert und in ein erfolgreiches Geschäftsmodell überführt. So stammt die
erste FLM-Anlage zur Umsetzung faserverstärkter Bauteile
zum Beispiel von einem Designer aus Boston. Von Kreativen aus Barcelona kommen Untersuchungen zu einem
robotergeführten Einsatz der Extrusionstechnologie in
der Architektur und im Möbelbau. Mit dem Solarsintern
hat der deutsche Designer Markus Kayser eine additive
Sintertechnik entwickelt, für die er lediglich Sonnenlicht
und Sand verwendete (Peters 2011).
Projekt 7Tage7Hocker
Wie additive Techniken zukünftig die Arbeit von Gestaltern beeinflussen wird, hat der Designer Thorsten
Frank mit seinem Projekt 7Tage7Hocker Ende 2014
eindringlich demonstriert. Unter Verwendung des Delta
Towers wird die Umsetzung von sieben verschiedenen
Sitzmöbelentwürfen innerhalb einer Woche bei einem
Minimum an Energie- und Ressourceneinsatz möglich.
Mittels Extrusionsverfahren wird hier die Entstehung der
Form aus einer endlos gezeichneten Linie realisierbar.
Der Designer geht davon aus, dass in den nächsten
Jahren der Spritzguss in vielen Bereichen der Möbelund Konsumgüterherstellung durch additive Verfahren
ersetzt werden könnten.
7Tage7Hocker – Gedruckte Sitzmöbel (Design: Thorsten Frank)
40
ADDITIVE FERTIGUNG
endless flow – robotergeführter Extrusions-Druck
(Design: Dirk vander Kooij)
Robotergestützte Möbelfertigung ‚endless flow‘
Eine der ersten robotergeführten Extrusionsmethoden für
die Möbelherstellung hat der niederländische Designer
Dirk vander Kooij erstmals auf der Dutch Designweek 2011
in Eindhoven präsentiert und damit den Award des Designfestivals gewonnen. Kunststoffe aus geschredderten Abfällen werden dabei in einem Behältnis aufgeschmolzen.
Mit einer robotergeführten Düse wird die zähfließende
Masse anschließend schichtweise aufgetragen und für
die Umsetzung von Möbeln verwendet. Auffällig ist die
großlinige Oberflächenstruktur aufgrund der Breite des
Düsendurchmessers. Mit dem RvR Chair hat Dirk vander
Kooij 2014 den ersten mit einer Extrusionstechnologie
erzeugten Stuhl in drei Dimensionen präsentiert.
Open Innovation 3D-Keramikdruckverfahren
Am digitalen Produktionszentrum dpz der Hochschule
der bildenden Künste Saar wird im Rahmen eines Forschungsprojekts aktuell untersucht, ob unter Einhaltung
von gestalterischem Niveau und Professionalität Techniken für das computerbasierte 3D-Drucken von Kunststoffen auch auf Keramikbauteile übertragen werden
können. Mithilfe offener Hard- und Software wurde ein
3D-Keramikdrucker entwickelt, mit dem sich Objekte mit
Kammern, Hinterschnitten und ornamentalen Strukturen
umsetzen lassen. Tradiertes Handwerk und digitalisierte
Fertigungsverfahren wurden mit der additiven Herstellungsweise integriert.
RvR Chair - Der erste in drei Dimensionen extrudierte Stuhl der Welt
(Design: Dirk vander Kooij)
Formteile aus dem Keramikdrucker (Design: xm:lab - Hochschule der
Bildenden Künste Saar)
Habitat imprimé – Gedrucktes Interior
Im Jahr 2012 haben die Designer François Brument und
Sonia Laugier in Kooperation mit Voxeljet ein Wohnraum-Konzept vorgestellt, das vollständig mit einem
Großformat-Drucker gefertigt wurde. Bei einer Formgröße
von 4.650 x 1.400 x 2.200 Millimeter und einem Gewicht von
700 Kilogramm betrug die Bauzeit bei einer Schichtstärke
von 0,15 Millimeter 375 Stunden. Für die Anfertigung des
Modells eines Schlafzimmers mit integrierter Dusche und
begehbarem Kleiderschrank wurde der Kunststoff PMMA
verwendet. Aufgrund der digitalen Prozesskette lässt
sich die Raumaufteilung variabel gestaltet. Oberflächen
können beliebig strukturiert werden.
Project DNA – Maßgeschneiderte Haute Couture aus
dem 3D-Drucker
Im Modebereich wurden die Möglichkeiten der additiven
Fertigung bislang aufgrund der geringen Attraktivität
der zur Verfügung stehenden Materialien, der geringen
Bauräume der meisten Anlagen sowie der fehlenden
Flexibilität der Formteile selten verwendet. In ihrem
Project DNA hat die Designerin Catherine Wales im
Rahmen ihrer Masterarbeit am Royal College of Art
versucht, Kleidungsstücke ohne Konfektionsgrößen
auf Basis eines Avatars und 3D-Scans der jeweiligen
Person durch Kombination von Korsett, Schulterteilen
und Brustplatten individuell zu erstellen.
41
Kinematics
Mittels selektivem Lasersintern lassen sich Formteile mit
beweglichen Gelenken und Elementen erstellen. Diese
Qualität machen sich die Designer von Nervous System
aus Boston seit 2013 zunutze, um flexible und faltbare
Schmuckstücke und Kettenhemden generativ herzustellen.
Ergebnis ist eine Kollektion mit Objekten, die sämtlich
aus angelenkten dreieckigen Komponenten bestehen.
Mycelium Chair
Der niederländische Designer Eric Klarenbeek hat anlässlich der Dutch Design Week in Eindhoven im Oktober
2013 eine Arbeit vorgestellt, in der er die Prinzipien des
3D-Drucks mit organischen Wachstumsprozessen kombinierte. Zunächst ließ der Designer die dünne Haut des
Möbels in einem Druckprozess aus einem Biokunststoff
erstellen, in die er anschließend das organische Material
hineinwachsen ließ. Dabei kam eine Materialmischung
aus Mycelpilzen, zerkleinertem Stroh und Wasser zur
Anwendung.
Lasergesintertes Nylonhalsband (Design: Nervous System)
Mycelium Chair (Design: Eric Klarenbeek)
3.3.6 Nahrungsmittelindustrie
Eine Markterweiterung von 3D-Druckverfahren hat 2014
mittels so genannter Food-Printer auch im Nahrungsmittelbereich stattgefunden. Die Kosten der Anlagen liegen
im vierstelligen Bereich, so dass sich der Betrieb einer
Anlage zunächst nur im Gastronomiebereich und zur
Anfertigung besonderer Produkte rechnen wird. Hierzu
zählen ebenso individuelle Backwaren, Torten oder
Pralinen wie Skulpturen aus Zucker oder Schokolade.
Der italienische Nahrungsmittelkonzern Barilla arbeitet
zudem aktuell an einer Anlage zur generativen Herstellung von Pasta. In den USA wird an einer Technologie
zur Fleischproduktion durch den Druck von tierischen
Muskelzellen gearbeitet.
42
ADDITIVE FERTIGUNG
Marktpotenzial
Aufgrund des jungen Marktes ist seine Entwicklung
und das gesamte Potenzial nur schwer einzuschätzen.
Im Gastronomiebereich werden sich mit Food-Printern
neue Geschäftsmodelle realisieren lassen, die bis in den
Bereich der Erlebnisgastronomie reichen. Die Verwendung
im Privatgebrauch ist sicherlich an den Anlagenpreis und
die Verfügbarkeit der Zutaten gekoppelt.
Neben dem Gastronomiebereich sehen niederländische
Wissenschaftler für Food-Printer vor allem das Potenzial
zur Bereitstellung von Lebensmitteln mit personalisiertem
Nährstoffgehalt im medizinischen Bereich. So könnten dem Essen in Zukunft besondere Nährstoffe oder
Omega-3-Fettsäuren hinzugefügt werden. Zudem ließe sich
der Druck von Lebensmitteln mit nachhaltigeren kalorischen
Pizzadrucker Foodini (Quelle: Natural Machines)
Quellen ermöglichen, indem beispielsweise Algenproteine
anstelle von ressourcenintensiven tierischen Proteinen
verarbeitet würden. Dies böte neben den wirtschaftlichen
Potenzialen auch Möglichkeiten zur Reduzierung von
Treibhausemissionen durch die Viehzucht.
Sugar Lab / ChefJet
Als einer der ersten großen Anlagenhersteller für die
generative Fertigung ist 3D-Systems im Herbst 2013 in
den sich derzeit entwickelnden Markt der Food-Printer
eingestiegen. Das Unternehmen übernahm das von einem
amerikanischen Designer und einer Architektin betriebene
Sugar Lab in Los Angeles, nachdem diese im Mai 2013
mit einer Ausstellung von gedruckten Zuckerskulpturen
für großes Aufsehen gesorgt hatten.
Diese hatten die beiden Gestalter unter Verwendung
eines Color Jet Printers auf Basis von pulverförmigem
Zucker und eingefärbtem essbarem Bindemittel erzeugt.
Im Januar 2014 hat 3D-Systems auf der Elektronik-Messe
CES nun den ersten ChefJet präsentiert. Die Basisvariante hat einen Preis von knapp 3.600 Euro und wird
vornehmlich Bäckereien, Pralinenläden und ausgefallenen
Gastronomien angeboten.
Gedruckte Zuckerskulpturen (Quelle: 3D-Systems)
Foodini / Natural Machines
Nachdem die NASA in 2013 das Konzept eines Pizza-Druckers präsentiert hatte, macht sich das Start-Up
Natural Machines aus Barcelona auf, mit Foodini einen
ersten Pizza-Drucker auf den Markt zu bringen. Neben
der italienischen Spezialität kann der Foodini grundsätzlich für alle Speisen verwendet werden, bei denen eine
pastöse Masse für das Anrichten benötigt wird oder wo
unter Wärmeeinfluss die Zutaten geschmolzen werden
können. So eignet sich der Foodini ebenso für Gebäckwaren wie für Kekse, Skulpturen aus Schokolade oder
Gerichte mit Hackfleisch. Die Zutaten werden in einem
beheizbaren Edelstahlzylinder bereitgestellt und mit
einer Spritze aufgebracht. Jeder einzelne Zusatz steht in
Kartuschen bereit, die je nach Konsistenz der Masse unter
Druck gesetzt werden. Rezepte stehen zum Download
im Internet zur Verfügung.
Schokoladen-Drucker / Choc Edge
Unter dem Namen Choc Edge Creator hat ein britisches
Unternehmen 3D-Drucker für Produkte aus Schokolade
auf den Markt gebracht. Anwendung soll das Gerät bei
Chocolatiers, Konditoreien und Restaurants finden. Das
Unternehmen geht davon aus, dass sich in Zukunft spezielle Schokoladengeschäfte in unseren Städten entwickeln
werden, in denen sich Kunden Schokoladenskulpturen
nach ihrem persönlichen Design ausdrucken können. Die
erste Version des Druckers, der Choc Creator V1, wird
für einen Preis von rund 3.500 Euro angeboten.
Gedruckte Schokolade mit dem Choc Edge Drucker
(Quelle: Choc Edge Ltd UK)
43
Gedruckte Knabbereien (Quelle: TNO)
Pasta-Drucker/Barilla
In Zusammenarbeit mit dem italienischen Nudelhersteller
Barilla arbeiten Wissenschaftler am niederländischen
TNO derzeit an der Entwicklung eines 3D-Druckers für
Nudeln. Anwendung soll dieser aber nicht in der Massenherstellung finden, sondern für den privaten Gebrauch
oder im Restaurant genutzt werden. In Analogie zu
einigen Kaffeeautomaten ist geplant, den Drucker mit
so genannten Cartridges zu betreiben, die die Zutaten
unterschiedlichster Teigwaren enthalten. Barilla strebt
eine Herstellungsdauer von zwei Minuten für 15 bis 20
Nudeln an. Die Entwicklung hat mittlerweile das Prototypenstadium erreicht. Erste Anlagen wurden bereits in
einigen Restaurants in Eindhoven getestet.
Fleischdrucker/Modern Meadow
Das amerikanische Start-Up Modern Meadow meldete
im Oktober 2012 erstmals die erfolgreiche additive
Herstellung eines Fleischwürfels aus lebenden tierischen
Muskelzellen. Diese wurden mittels eines 3D-Druckers
schichtweise aufgetragen und durch eine Biotinte verklebt, die verschiedene Zelltypen beinhaltete. In einem
sich anschließenden Prozess im Bioreaktor erhielt das
Fleischstück seine endgültige Konsistenz. Die Technologie soll eine wesentlich bessere Ökobilanz haben als
Fleisch aus normaler Viehzucht und die Massentierhaltung
verringern helfen. Die Technologie kann auch für die
Herstellung von Leder Verwendung finden.
Grafik: Funktionsweise des Fleisch-Printers (Quelle: Modern Meadow)
44
ADDITIVE FERTIGUNG
Modern Meadow Inkubator (Quelle: Modern Meadow Inc.)
Grundsätzlich ist bei additiven Fertigungsverfahren im
Bereich der Lebensmittelindustrie aber zwischen den
Anwendungen zu unterscheiden. Bei einfachen, eher
design-orientierten Einsatzbereichen wie beispielsweise
dem 3D-Druck von Zuckerguss oder Schokoladenskulpturen ist zu erwarten, dass eine Akzeptanz leicht erreicht
werden kann und eine Kennzeichnungspflicht der neuen
Produkte nicht zwingend notwendig sein wird. Bei innovativen Anwendungen wie der generativen Fertigung
kompletter, teils sogar individualisierter Nahrungsmittel
stellt sich die Sachlage anders dar. Hier sind Fragen der
Zulassung, der Akzeptanz und der Kennzeichnungspflicht
solcher Produkte essenziell. Auch spielen in diesen Fällen
ökologische und in erheblichem Maße auch ethische
Fragestellungen eine Rolle und sollten berücksichtigt
werden.
3.4 3D-Druckdienstleister und Content-Plattformen
Aufgrund der hohen Anschaffungskosten für Industrieanlagen generativer Verfahren haben sich bereits vor
einigen Jahren Dienstleister am Markt etabliert. Waren
diese früher vor allem für Entwicklungsabteilungen von
Unternehmen tätig, die keine eigene Anlage betreiben
wollten, so haben sich mit dem steigenden Interesse für
die direkte additive Produktion in der Kreativwirtschaft
und unter Privatpersonen nun Online-Plattformen am
Markt etabliert. Hier können 3D-Teiledaten hochgeladen
und der Bau mit einem bestimmten Material und der
gewünschten Farbe in Auftrag gegeben werden. Einige
Dienstleister unterstützen auch bei der Generierung der
notwendigen Daten und bieten Kontakte zu Designern.
Meist geben die Online-Druckdienste auch eine Übersicht
von bereits zur Verfügung stehenden finalen Gestaltungen, die sich auswählen und persönlich konfigurieren
lassen. Einige Druckdienstleister (zum Beispiel 3D-Print
Barometer, Materialise) unterstützen online auch bei
der Preisfindung.
Entwurf für den eigenen Ausdruck gefunden werden. Zum
Download stehen meist eine oder mehrere STL-Dateien
zur Verfügung. Bei manchen Plattformen sind neben den
STL-Daten auch die Quelldaten verfügbar.
Übersicht einiger Content-Plattformen
Archive 3D: www.archive3d.net
(über 40.000 Datensätze, Fokus: Möbel, Interior, Accessoires)
Fabbulos: www.fabbulos.com
(im Aufbau, Fokus: hochwertiges Design)
GB3D Type Fossils: www.3d-fossils.ac.uk
(im Aufbau, Fokus: 3D-Modell von Fossilien)
GrabCAD: www.grabcad.com
(über 520.000 Datensätze, Fokus: technische Bauteile und
Komponenten)
Thingiverse: www.thingiverse.com
(über 130.000 Datensätze, Fokus: Kleinteile, Accessoires,
Leuchten, Spiele)
Übersicht einiger Online-3D-Druckdienstleister
3D-Colorprint: www.3d-colorprint.de
Trimble 3D-Warehouse
Fabberhouse: www.fabberhouse.de
(über 5.000 Datensätze, meist 3D-Architektur)
Materialise: www.imaterialise.com
TurboSquid: www.turbosquid.com
Ponoko: www.ponoko.com
(über 300.000 Datensätze, meist Gebäude und
3D-Architektur)
Sculpteo: www.sculpteo.com
Shapeways: www.shapeways.com
Trinckle: www.trinckle.com
Yeggi: www.yeggi.com
(über 160.000 Datensätze, Fokus: technische Komponenten,
Kleinteile, Accessoires)
Die Plattformen werden in den letzten Monaten immer
mehr erweitert und benutzerfreundlicher ausgestaltet.
Zudem entwickelt sich das Geschäftsmodell einiger
Plattformen in eine Richtung, die für Produktdesigner
und Künstler neue Vertriebsmöglichkeiten bietet. Denn
diese erlauben ihnen das Hochladen von Daten und den
Vertrieb der Daten unter Zahlung einer Kommission an
Dritte. Es ist teilweise auch möglich, die 3D-Baupläne
herunterzuladen und in einem gewissen Rahmen zu
verändern.
Neben den Online-Dienstleistern gibt es in mehreren
Städten mittlerweile das Angebot örtlicher Druckdienstleister. Die Angebote reichen vom Komplettservice mit
mehreren Anlagen über Do-It-Yourself-(DIY)-Druckshops
bis hin zu Fab-Labs und 3D-Hubs. In der Regel vertreiben
3D-Druckereien sowohl fertig gedruckte Bauteile als auch
die Dienstleistung des eigentlichen Druckvorgangs. Bei
DIY-Druckshops hat man die Möglichkeit, sich einen
3D-Drucker auszuleihen und den Druckprozess zuhause
oder Büro durchzuführen.
Neben den Online-Druckdienstleistern haben sich so
genannte Content-Plattformen im Netz etabliert, auf
denen sich die eigenen 3D-Entwürfe und Bauteilpläne
ablegen und tauschen lassen. Mit einer Suchfunktion
kann aus mehreren tausend Objektdaten der passende
Die Idee des FabLabs stammt vom MIT Media Lab aus
Boston. Hier wurde unter Leitung von Prof. Neil Gershenfeld das erste FabLab (fabrication laboratory) im Jahr 2001
eröffnet. Gemeint ist eine kleine Werkstatt mit einigen
Druckern und weiteren Anlagen wie Fräsen oder Laser-
45
Den Community Gedanken gibt es nicht nur in Bezug auf
Werkstätten, die Drucker unterhalten, sondern auch für
Privatpersonen, die eine additive Fertigungsanlage erworben haben, diese aber nicht rund um die Uhr verwenden.
Das Geschäftsmodell der 3D-Hubs kommt aus den Niederlanden. Auf einer Plattform wird Besitzern von 3D-Druckern
angeboten, die Benutzung der Anlage anderen Personen
und Unternehmen gegen eine Gebühr zu ermöglichen.
Dies führt zu einer größeren Auslastung der Anlagen und
gibt den Besitzern der Drucker die Möglichkeit, Umsätze
zu generieren. Bei jedem Auftrag, der über 3D-Hubs
abgewickelt wird, verdienen die Plattformbetreiber aus
Amsterdam mit, denn es wird eine Kommission auf den
Druckpreis in Höhe von 15 Prozent erhoben. Weltweit
sind mittlerweile gut 7.000 Anlagenbetreiber registriert.
Auch in Deutschland wurde der Betrieb der Plattform im
Herbst 2013 gestartet. Berlin verzeichnet mittlerweile 34
registrierte Anlagen, Frankfurt 22, Hamburg 20 und Köln
zwölf (Stand: 15. September 2014).
Bad Vilbel
Frankfurt
Mainz
Offenbach
Hofheim
ain
Wiesbaden
Dreieich
M
ein
Rh
cutter, die von einer Community unter Verwendung von
Open-Source-Software gemeinsam oder unter Anleitung
freiwilliger Helfer genutzt werden können. Der Community-Gedanke stellt sicher, dass jeder Einzelne Zugang zu
L h
Siegen
n
allen technischen Möglichkeiten additiveraFertigung
und
der notwendigen Software erhält. Die einzelnen FabLabs
werden als Vereine betrieben, sind regional organisiert
und über einen Verbund mit anderen FabLabs vernetzt.
Ein Verhaltenskodex und die Selbstverpflichtung für alle
offenen Werkstätten sind in der FabLab-Charta zusammengefasst, die durch die Fab Foundation kommuniziert
wird. Für Einsteiger werden in der Regel so genannte
Open FabLab-Termine eingerichtet, damit jeder Drucker
und Software eigenständig benutzen kann. In Kürze wird
auch in Frankfurt ein Fab-Lab unter dem Namen FabLab
FFM eröffnen.
Aschaffenburg
Darmstadt Groß-Umstadt
3D-Druck-Dienstleister in der Rhein-Main-Region (Karte in Anlehnung an www.3dhubs.com)
Ludwigshafen
46
ADDITIVE FERTIGUNG
Mannheim
Heidelberg
3.5 Rechtsfragen im Kontext der
additiven Fertigung
DISCLAIMER
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es sich
bei den in diesem Kapitel dargstellten Informationen
weder um eine abschließende Darstellung noch eine
individuelle Rechtsberatung handelt. Die Ausführungen dienen lediglich der Darstellung aktueller
Fragen und Sichtweisen, um einen Überblick für die
dargelegten Problematiken und Zusammenhänge zu
geben. In keinem Fall ersetzen die Ausführungen eine
individuelle Rechtsberatung bei fachlich entsprechend
geschulten Personen.
Spätestens mit dem ersten Aufkommen von Plattformen
zum Austausch von Daten für den 3D-Druck werden
immer öfter Fragen nach den rechtlichen Rahmenbedingungen gestellt. Die Gesetzgebung ist in Bezug auf
die Entwicklung, den Vertrieb und den Gebrauch von
dreidimensionalen Gegenständen und Produkten mit
dem Urheber-, Marken-, Patent-, Gebrauchs- und Geschmacksmusterrecht zwar breit aufgestellt, doch birgt
der digitale Austausch und der Nachbau eine ganze
Reihe von Gefahren der Rechteverletzung, ohne dass
es dem Nutzer klar sein dürfte. Dies sind zum Beispiel
Schadensersatzforderungen bei Versagen eines additiv
erzeugten Bauteils, die Verwendung privat gedruckter
Gegenstände in Gewerberäumen oder das Scannen eines
rechtlich geschützten Produkts für die Datenerzeugung
zum 3D-Druck. Am offensichtlichsten wird die Rechtsproblematik sicherlich bei der Verbreitung von Daten
zum Bau von Waffen über das Internet.
Grundsätzlich unterscheiden sich die Fragestellungen
hinsichtlich einer privaten oder gewerblichen Nutzung
eines gedruckten Bauteils oder Produkts nicht, da das
Urheber- und Markenrecht in beiden Fällen gleichermaßen
gültig ist. Rechtsverletzungen können dabei sowohl bei
der Erfassung von Daten eines geschützten Produkts,
beim Versenden bzw. Abrufen von dreidimensionalen
Daten sowie bei der generativen Herstellung einer Bauteilgeometrie bzw. beim Vertrieb entstehen.
Urheberrecht
Durch das Urheberrecht werden ‚geistige Schöpfungen‘
einer Person geschützt, die eine gewisse Schöpfungshöhe aufweisen. Darunter werden Werke aus Literatur,
Fotografie, Film und Musik ebenso verstanden wie solche
aus der Wissenschaft sowie der freien und angewandten
Kunst. Urheberrechte können geltend gemacht werden,
ohne dass eine Schöpfung beim Patent- und Markenamt
als solche angemeldet wurde. Dies betrifft im Kontext
der generativen Fertigung vor allem dreidimensionale
Kunstwerke und Skulpturen sowie Designobjekte und
Möbelstücke. Ein Kopieren für den privaten Bedarf
kann zulässig sein, sofern keine offensichtlich rechtswidrig veröffentlichten Daten verwendet werden. Je nach
vorliegendem Fall sind mehrere Kopien erlaubt. Das
Versenden der Daten an einen Dienstleister ist allerdings
nicht gestattet. Die Vervielfältigung zu gewerblichen
Zwecken ohne Einwilligung des Urhebers kann geahndet
werden. Dabei stellt bereits die Digitalisierung eines urheberrechtlich geschützten Werks eine urheberrechtlich
relevante Handlung dar. Denn nur dem Rechteinhaber ist
es erlaubt, von seinem Werk digitale Daten zu erheben
beziehungsweise sie zu skalieren (VDI: Statusreport „Additive Fertigungsverfahren“, Verein Deutscher Ingenieure
e.V., September 2014). Das Urheberrecht erlischt erst 70
Jahre nach dem Tod des Urhebers.
Designrecht
Das Design von Produkten und Konsumgütern kann
vom Gestalter bzw. einem Unternehmen zusätzlich zum
Urheberrechtsanspruch durch Eintragung beim Patentund Markenamt geschützt werden. Die Schutzdauer
eines eingetragenen Designs beträgt 25 Jahre. Neuheit
und Eigenart sind Voraussetzungen für die Erteilung der
Eintragung, werden durch das Amt aber nicht geprüft.
Mit Verweis auf ein eingetragenes Design kann sowohl
die Vervielfältigung eines Produkts, Konsumguts oder
Design- bzw. Modeartikels als auch dessen Inverkehrbringung oder Gebrauch untersagt werden. Das Designrecht
beeinflusst also in hohem Maße Fragen des rechtlichen
Rahmens für die generative Fertigung.
47
Gebrauchsmusterschutz und Patentrecht
Patent und Gebrauchsmuster sind gewerbliche Schutzrechte, die einem Erfinder bzw. Unternehmen die geschützte wirtschaftliche Verwertung einer technischen
Erfindung ermöglichen. Während für die Erteilung eines
Patents eine deutliche Erfindungshöhe vorausgesetzt
wird, spricht man bei Gebrauchsmustern lediglich von
einem erfinderischen Schritt. Der Schutzrahmen ist daher bei Patenten deutlich größer und auch die maximale Schutzdauer von 20 Jahren übersteigt die von
Gebrauchsmustern mit zehn Jahren deutlich. Bei der
Reproduktion von Bauteilen oder Komponenten eines
Produkts durch die additive Fertigung sollten mögliche
Patentschutzrechte überprüft werden. Nach dem Auslaufen eines Patents stehen die durch die im Zuge der
Patentierung veröffentlichten technischen Lösungen frei
zur Verfügung. Bislang ist noch nicht eindeutig geklärt,
ob das Kopieren von Konstruktionsmerkmalen eines
Produkts eine mittelbare Patentverletzung darstellt.
Mit Blick auf die sich durchsetzende Rechtssprechung
scheint das gegenständliche Kopieren von Geometriedaten auszureichen, um Schutzrechte zu verletzen (VDI:
Statusreport „Additive Fertigungsverfahren“, Verein
Deutscher Ingenieure e.V., September 2014).
Markenrecht
Durch das Markenrecht lassen sich die Kennzeichnung
eines Produkts oder Unternehmens in Form von Bildern
(Bildmarke), Wörtern (Wortmarke), deren Kombination
(Wort-Bild-Marke) oder grafischen Darstellungen in zweidimensionaler und dreidimensionaler Ausführung schützen. Produkte und Güter mit geschützten Marken dürfen
weder in identischer noch ähnlicher Form reproduziert,
angeboten oder vermarktet werden. Da es im Zuge der
steigenden Verbreitung von 3D-Druckern und Scannern
zur Erfassung dreidimensionaler Geometrien auch zur
Reproduktion der an einem Produkt gekennzeichneten
Marken kommen kann, sind Rechtsverletzungen nicht
ausgeschlossen.
48
ADDITIVE FERTIGUNG
Bislang sind nur einige wenige Rechteverletzungen im
Kontext der generativen Fertigung bekannt geworden.
Dies könnte sich aber mit dem wachsenden Markt für die
generative Fertigung in den nächsten Jahren in ähnlicher
Weise entwickeln, wie man es in der Musik- oder Filmindustrie zu Beginn des Jahrtausends beobachten konnte.
Haftungsrechtliche Fragen
Neben der möglichen Verletzung von Schutzrechten ist
die Frage der Produkthaftung für den Markt mit generativ
erzeugten Produkten bislang ebenfalls nicht eindeutig
geklärt. Das Produkthaftungsgesetz sieht mögliche Ansprüche bei fehlerhaften Bauteilen oder Komponenten
gegen den Hersteller oder Händler vor. Da die additive
Fertigung die Herstellung von Produkten im privaten
Umfeld auf Basis von 3D-CAD-Daten erlaubt, entstehen
neue haftungsrechtliche Aspekte. In der bisherigen
Rechtsprechung geht man davon aus, dass der Produzent für die Beschädigung von Rechtsgütern haftet, die
auf ein fehlerhaft hergestelltes Produkt zurückzuführen
sind. Während im BGH die Produzentenhaftung infolge
eines verhaltensbezogenen Fehlers betont wird, stellt
das europäische Produkthaftungsgesetz zur Bewertung
der Haftungsfrage nicht das fehlerhafte Verhalten eines
Unternehmens, sondern den Produktfehler als solchen
in den Mittelpunkt der Betrachtung.
Da Konstruktion, Fabrikation und Montage bei der
additiven Fertigung virtuell ablaufen und oftmals an
unterschiedlichen Orten und von unterschiedlichen
Personen und Unternehmen durchgeführt werden, sind
die „Besonderheiten der arbeitsteiligen Produktion im
besonderen Maße sichtbar“ (VDI: Statusreport „Additive
Fertigungsverfahren“, Verein Deutscher Ingenieure e.V.,
September 2014). Es kann davon ausgegangen werden,
dass im Kontext der industriellen Fertigung wie bislang
der Endhersteller für Fehler im Produkt mit Blick auf
die Konstruktionsverantwortung haftet und sich bei
fehlerhafter Konstruktion Haftungs-
ansprüche im Innenverhältnis ergeben. Unterschiede gibt
es im Kontext der additiven Fertigung allerdings, wenn
die Fertigung für eine private Person als Endverbraucher
erfolgt. Hier kann der Endhersteller umfassend für die
Fehler eines additiv erzeugten Produkts haftbar gemacht
werden. Der Rechtsanwalt Dr. Markus Bagh rät Unternehmen, die als Ersteller von 3D-Drucken gewerblich tätig
sein wollen, dazu, in den Geschäftsbedingungen einen
‚Haftungsausschluss bei print on demand‘ vorzusehen
(Horscher, Florian: 3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself-guide. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2014).
Bislang unklar ist die Rechtssprechung in Bezug auf
den Sachverhalt, ob eine Privatperson im Kontext des
Produkthaftungsgesetzes durch das Betreiben einer
additiven Fertigungsanlage selber zum Hersteller werden
kann. Nach Paragraph 4 des Produkthaftungsgesetzes ist
derjenige Hersteller eines Produkts, „der das Endprodukt,
einen Grundstoff oder ein Teilprodukt hergestellt hat.“
Da der Gesetzgeber jedoch den Produktbegriff nach
Paragraf 2 des Produkthaftungsgesetzes stets zusammen
mit dem Herstellerbegriff sieht, haben Juristen im Falle der
privaten Erzeugung eines Produks mithilfe einer additiven
Fertigungsanlage auf Basis fertiger Konstruktionsdaten
Zweifel daran, ob eine haftbare eigenverantwortliche
Tätigkeit einer Privatperson überhaupt vorliegen kann.
Werden die Daten nicht durch eigenes Zutun verändert,
kann beim Druck eines Bauteils wohl von einer reinen
Montagetätigkeit nach den Vorgaben des Herstellers
ausgegangen werden. Die Verantwortung würde dann
beim Konstrukteur liegen (VDI: Statusreport „Additive
Fertigungsverfahren“, Verein Deutscher Ingenieure e.V.,
September 2014).
© vege / Fotolia.com
Und auch hinsichtlich der haftungsrechtlichen Zusammenhänge bei Mangelfolgeschäden – ein selbst additiv
gefertigtes Bauteil verursacht einen Schaden an der
Maschine, in die es verbaut wurde – besteht derzeit
noch keine Klarheit, welche Auswirkungen dies dann
auf Garantie, Gewährleistung oder Schadenersatz hat.
49
4. Additive Fertigung:
Ausgewählte Erfolgsgeschichten, Potenziale
und Projekte aus Hessen.
50
Adam Opel AG:
51
EDAG Genesis / Light Cocoon:
52
FKM Sintertechnik:
54
sauer product:
56
Philipps-Universität Marburg:
57
4D Concepts:
58
Universität Kassel:
59
Technische Universität Darmstadt:
60
Fab Lab Darmstadt:
61
Fraunhofer LBF:
62
Hochschule für Gestaltung
Offenbach:
64
3D Scaper:
66
Europäische Weltraumbehörde:
67
ADDITIVE FERTIGUNG
4.1 Adam Opel AG:
Montagehilfen aus dem 3D-Drucker für die
Endfertigung
Ist der Einsatz additiver Techniken für die direkte Herstellung von Bauteilen in der Fahrzeugproduktion noch
Zukunftsmusik, so werden generative Verfahren wie das
3D-Drucken aber bereits zur Unterstützung der Fertigung
genutzt. Ein Beispiel ist die Adam Opel AG, wo inzwischen Montagewerkzeuge für den Produktionsprozess in
kleinen Stückzahlen mit 3D-Druckern hergestellt werden.
Etwa 40 der Montagehilfen für Windschutzscheiben und
Trittleisten kommen seit Herbst 2014 bei der Fertigung
des Modells ADAM ROCKS Opel zum Einsatz. Dabei
machen 3D-Drucker die Herstellung sehr viel preiswerter
und schneller. Denn wurden die Endmontage-Werkzeuge
bisher mit einer gefrästen Negativform und handlaminierten Harzformen hergestellt, sind die Lehren mit dem
3D-Drucker nach gut acht Stunden verfügbar und sogar
um bis zu 70 Prozent leichter.
Dass in Zukunft immer mehr gedruckte Montagewerkzeuge in den Produktionsprozess integriert werden und
additive Fertigung eine zunehmend wichtigere Rolle
spielen wird, gilt vielen dabei als sicher. Die Arbeitsmittel
wurden bereits in der Entwicklungsphase des ADAM
ROCKS am Computer entworfen. Das ermöglicht eine
schnelle Anpassung der Teile. Sollte sich etwas am Fahrzeugdesign ändern, kann das Werkzeug mit ein paar
Klicks angepasst werden. Damit sinken die Fertigungskosten deutlich.
Mit einer von Opel entwickelten Verbindungstechnik ist
es auch möglich, Montagewerkzeuge zu erzeugen, deren
Größe den Bauraum des Druckers übersteigt. So setzen
sich die Montagehilfen für den Seitenschweller oder den
Heckspoiler des ADAM ROCKS aus mehreren kleineren
Elementen zusammen. Und auch die Nachbearbeitung
scheint sich zu vereinfachen. Denn mit Kunststoffen gedruckte Formteile können sowohl mechanisch als auch
chemisch bearbeitet werden und lassen sich mit anderen
Materialien kombinieren. Vor allem die Möglichkeit zur
ergonomischen Anpassung an den Fertigungsmechaniker innerhalb weniger Minuten am Computer bietet
weitere Vorteile, die den Einsatz additiver Techniken in
der Automobilproduktion weiter vorantreibt. Mittlerweile
profitieren neben dem ADAM ROCKS auch der Insignia
und das Cabriolet Cascada von Montagewerkzeugen aus
dem 3D-Drucker. Die generative Fertigung soll sukzessive
Konstruktion und Änderung der Montagewerkzeuge erfolgt am Computer (Quelle: Adam Opel AG)
Bei der Produktion des Opel ADAM ROCKS wird beispielsweise eine
per 3D-Drucker gefertigte Montagelehre zum Anbringen des Fahrzeug-Schriftzugs an den hinteren Seitenscheiben verwendet.
(Quelle: Adam Opel AG)
auf weitere Opel-Modelle wie den Corsa, Vivaro und Mokka ausgeweitet werden. Opel wird damit eine führende
Rolle bei der Verwendung additiver Fertigungsprinzipien
im General Motors-Konzern übernehmen.
Kontakt
Adam Opel AG
Andrew Marshall (Direktor Kommunikation Technik)
Telefon: +49 (0)6142 773 815
E-Mail: andrew.marshall@de.opel.com
www.de.opel.com
ADDITIVE FERTIGUNG: AUSGEWÄHLTE ERFOLGSGESCHICHTEN, POTENZIALE UND PROJEKTE AUS HESSEN
51
4.2. EDAG Genesis / Light Cocoon:
Additive Technologien für die Fertigung eines
Fahrzeug-Skelettrahmens
Auf dem Genfer Automobilsalon wurde mit der EDAG
Genesis Studie im März 2014 ein visionärer Ausblick auf
die Zukunft der automobilen Fertigung gegeben. Denn
mit Blick auf die Möglichkeiten der additiven Produktion
durch Lasersintern, 3D-Drucken, Stereolithografie und Co.
wird es in Zukunft möglich sein, eine komplette Karosserie aus einem Stück herzustellen. Mit der futuristischen
Fahrzeugskulptur bewerten die Entwickler und Designer
von EDAG die aktuellen Möglichkeiten und versuchen,
die Potenziale der generativen Fertigung am Beispiel
einer Karosseriestruktur zeitlich einzuordnen.
EDAG GENESIS basiert dabei auf den Mustern einer
Schildkröte, deren Panzer Schutz und Dämpfung liefert
und mit dem Bewegungsskelett vereint ist. Der Skelettrahmen des Exponats erinnert an natürlich gewachsene
Knochengerüste, die mit konventionellen Produktionstechniken nicht zu realisieren sind. Die EDAG-Entwickler
profitieren schon jetzt von den enormen Freiheitsgraden
und neuen Gestaltungsmöglichkeiten, die die additiven
Fertigungsprozesse den Designern und Ingenieuren zur
Verfügung stellen.
„Wir mussten uns anfangs durchaus dafür rechtfertigen,
dass wir eine behäbige Schildkröte als Grundlage für
eine Fahrzeugidee genommen haben“, so Johannes
Barckmann, Chefdesigner und Bionik-Innovator bei
EDAG. „Schildkröten sind unter Wasser begnadete
Schwimmer, aber an Land nicht unbedingt die schnellsten
Zeitgenossen. Was uns allerdings dazu inspiriert hat, den
Schildkrötenpanzer als Inspiration für Genesis zu nutzen,
war die simple Tatsache, dass wir hier über einen Insassenschutz reden, der von der Natur über Millionen von
Jahren perfektioniert wurde. Das kann sich kein Ingenieur
ausdenken!“ (www.edag.de/edag/das-unternehmen/
edag-stories/bionik.html, Stand: 03.02.2015)
52
ADDITIVE FERTIGUNG
EDAG GENESIS Studie – Fahrzeugkarosserie aus einem Stück
(Design: EDAG)
Ein fachübergreifend zusammengesetztes Team aus
EDAG-Designern und Spezialisten des EDAG Competence Centers Leichtbau hat die Potenziale der
aussichtsreichsten generativen Techniken untersucht
und mit Experten aus Forschung und Industrie diskutiert. Diese reichten vom Selektive Laser Sintering
(SLS), über das Selektive Laser Melting (SLM) und die
Stereolithografie (SLA) bis hin zum Fused Layer Modelling (FLM). Zur Bewertung wurden die Technologien in
einer eigens entwickelten Matrix quantifiziert, die unter
anderem Kriterien wie Strukturrelevanz, mögliche Bauteilgröße, Fertigungstoleranz und Herstellungskosten
beinhaltete.
Im Ergebnis stellte sich ein weiterentwickeltes FLM-Verfahren als aussichtsreichster Kandidat dar. Im Gegensatz
zu den anderen Technologien bietet FLM die Möglichkeit, nahezu beliebige Bauteilgrößen zu fertigen. Eine
Beschränkung durch einen vorgegebenen Bauraum
gibt es nicht. Vielmehr werden die Strukturen durch
den Auftrag von thermoplastischen Materialien durch
Roboter erzeugt. Im freien Raum entstehen gänzlich
ohne Werkzeug und Vorrichtungen komplexe Strukturen.
Mit der Option zur Integration von Endlos-Kohlefasern
im Fertigungsprozess, können zudem die gewünschten
Festigkeiten und Steifigkeitswerte erreicht werden.
Nach dem Erfolg des EDAG GENESIS hat das Unternehmen seine Vision einer bionisch inspirierten Karosseriestruktur weiter konkretisiert. Um die bionischen
Bauprinzipien und Strategien der Natur umsetzen zu
können, werden auch beim „EDAG Light Cocoon“,
dessen Vorstellung für den Genfer Automobilsalon
2015 geplant ist, erneut die Potenziale der generativen
Fertigung genutzt. „Wir verfolgen die Vision der Nachhaltigkeit – so wie es uns die Natur vormacht: leicht,
effizient, ohne Verschwendung“, erläutert Barckmann
das neue Vorhaben. „Im Ergebnis zeigt der „EDAG
Light Cocoon“ eine stabile verästelte Tragstruktur aus
dem 3D-Drucker, die nur dort Material vorsieht, wo
es tatsächlich gebraucht wird.“ (www.edag.de/edag/
news-detail/getarticle/News/detail/natuerlich-ultima
tiv-leicht-der-edag-light-cocoon.html)
EDAG GENESIS Studie – Fahrzeugkarosserie aus einem Stück (Design: EDAG)
Aus heutiger Sicht ist eine Fertigung von Bauteilen und
im nächsten Schritt von Modulen durchaus erreichbar.
Das Ziel, komplette Karosserien mit generativen Fertigungsverfahren produzieren zu können, ist allerdings
noch weit von der industriellen Anwendung entfernt und
bleibt aktuell eine wünschenswerte Vision. Die EDAG
Group hat sich das Ziel gesetzt, valide Anwendungsfälle
für den Einsatz additiver Technologien im Fahrzeugbau
in den nächsten Jahren umzusetzen.
Kontakt
EDAG Engineering AG
Johannes Barckmann (Head of DESIGNSTUDIO)
Reesbergstr. 1, 36039 Fulda
Telefon: +49 (0)661 6000-610
E-Mail: info@edag.de
www.edag.de
EDAG Light Cocoon Studie (Design: EDAG)
EDAG Light Cocoon Studie (Design: EDAG)
53
4.3 FKM Sintertechnik:
Fabrik der Zukunft für das Zeitalter der
additiven Fertigung
Seit mehr als 20 Jahren ist FKM Sintertechnik auf dem
Gebiet des Lasersinterns als Anbieter aktiv. Dabei versteht
das Unternehmen Lasersintern schon lange als vollwertiges Produktionsverfahren weit über den Prototypenbau
hinaus. Mit der Eröffnung seines neuen Werks im Juli
2014 in Biedenkopf bei Marburg startete das Unternehmen eine vollwertige Fabrik mit Lasersinteranlagen
und brachte damit das ‚Additive Manufacturing‘auf das
Niveau einer industriellen Fertigung. Das Besondere: Die
neue Produktion wurde durchgängig nach industriellem
Maßstab aufgebaut, unter Beachtung anspruchsvoller
ökologischer Prinzipien. So wird beispielsweise der Energiebedarf mit Ökostrom gedeckt und durch konsequente
Rückgewinnung von Wärmeenergie aus dem Produktionsprozess kommt die Fabrik ohne Heizungsanlage
aus. Die zurückgewonnene Energie reicht dabei sowohl
zur Bereitung von warmem Brauchwasser als auch der
Beheizung des Gebäudes bis zu einer Außentemperatur
von -15 Grad Celsius aus.
54
timale Nutzung der Anlagen und der Kunde profitiert
von kürzeren Vorlauf- und Lieferzeiten“, erläutert Jürgen
Blöcher, geschäftsführender Gesellschafter der FKM
Sintertechnik.
Abhängig von den individuellen Kundenanforderungen
können unterschiedliche Materialien für die Fertigung
eingesetzt werden. Polyamide wie PA 11 und PA 12 , das
flexible Elastomer TPU (thermoplastisches Polyurethan)
mit seinen kautschukähnlichen Eigenschaften oder das
chemikalien- und hitzefeste Polyetheretherketon PEEK
HP3 sind im Kunststoffbereich nutzbar. Bei den Metallen
stehen Werkzeugstahl, Edelstahl und Aluminium ebenso
zur Verfügung wie DirectMetal 20, ein bronzebasiertes
Metallpulver oder das extrem umgebungsresistente
Inconel 718, eine Nickel-Chrom-Legierung für Hochtemperatur-Anwendungen, zum Beispiel für Turbolader
oder Turbinenschaufeln.
Neue Laserfabrik in Biedenkopf (Quelle: FKM Sintertechnik)
Fertigungshalle mit 25 Lasersinteranlagen und automatisierter Steuerung der Materialkreisläufe (Quelle: FKM Sintertechnik)
Das Herzstück bildet eine Fertigungshalle von rund 3.000
Quadratmetern mit 25 Lasersinteranlagen für die Herstellung einbaufertiger Kunststoff- und Metallbauteile.
Die Anlagen werden ausgehend von mehreren Silos
mit zentraler Verteilerstation über einen geschlossenen
Kreislauf vollautomatisiert mit Pulvermaterial versorgt.
Sämtliche vor- und nachgeschalteten Be- und Verarbeitungsprozesse erfolgen in einer prozessoptimierten
Infrastruktur. Eine flexible Produktionssteuerung managt
und überwacht alle Abläufe von der Gütekontrolle des
angelieferten Pulvermaterials bis zur Qualitätssicherung
der fertigen Sinterteile. „So gewährleisten wir eine op-
Ein beeindruckendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit
additiver Fertigung ist ein systemrelevantes Bauteil für
Lackierroboter in der Automobilindustrie, dessen Weiterentwicklung gemeinsam von FKM Sintertechnik und
dem Kunden durchgeführt wurde. „Ausgangspunkt war
ein zylinderförmiges Aluminiumbauteil. Dessen Länge
von 120 Millimetern ergab sich durch die Notwendigkeit, etwa 40 Kanäle in unterschiedlicher Richtung durch
Bohren einzubringen. Mit einer von uns entwickelten
lasersintergerechten Konstruktion, mit verschlungenen
und eng nebeneinander liegenden Kanälen, ließ sich die
Baulänge auf 21 Millimeter verkürzen“, erläutert Blöcher
ADDITIVE FERTIGUNG
Fertigungshalle mit 25 Lasersinteranlagen und automatisierter Steuerung der Materialkreisläufe (Quelle: FKM Sintertechnik)
das Vorzeigeprojekt. Da das Bauteil mit dem Hochleistungspolymer PEEK HP3 umgesetzt wurde, konnte das
Gewicht zudem von ursprünglich knapp vier Kilogramm
auf 230 Gramm reduziert werden. „Natürlich mussten wir
durch den Materialwechsel zunächst nachweisen, dass
unser Produkt mit den Aluminium-Werkstücken mithalten
konnte“, führt Blöcher weiter aus. „Aber Versuche mit Prototypen bestätigten nicht nur, dass wir gleichziehen konnten, sondern belegten sogar eine signifikant verbesserte
Performance der Lackierroboter durch die Verwendung
der neuen lasergesinterten Bauteile.“ Inzwischen wurde
es in die Serienfertigung der Lackierroboter integriert
und FKM Sintertechnik hat bis Ende 2014 bereits eine
vierstellige Anzahl dieser Bauteile ausgeliefert.
Kontakt
FKM Sintertechnik GmbH
Jürgen Blöcher (Geschäftsführer)
Zum Musbach 6, 35216 Biedenkopf
Telefon: +49 (0)6461 75852-10
E-Mail: info@fkm-sintertechnik.de
www.fkm-lasersintering.de
Additiv erzeugtes PEEK Bauteil für Lackierroboter (Quelle: FKM Sintertechnik)
55
4.4 sauer product:
Schnellere Markteinführung dank additiver Fertigung
Als Pionier in der generativen Fertigung von Prototypen
ist sauer product im südhessischen Dieburg schon seit
1988 als Anwender tätig. Im Laufe der Jahre entstanden
immer neue Technologien in Kombination mit neuen
Werkstoffen. Um jeweils optimale Lösungen für den
spezifischen Anwendungsfall bieten zu können, hat
sich das Unternehmen mit einem breiten Spektrum an
Prototyping-Technologien aufgestellt; dabei umfasst
das Angebot sowohl konventionelle Verfahren als auch
innovative Technologien wie das Lasersintern.
Auf Grund der umfassenden Erfahrung kann sauer
product heute selbst Werkstücke mit äußerst komplexer
Geometrie kurzfristig, zu günstigen Kosten und mit der
für die Anwendung erforderlichen Genauigkeit herstellen. Als Pilotanwender setzt das Unternehmen das
SLM-Verfahren bereits seit zehn Jahren ein, hat inzwischen
umfassende Erfahrungen gesammelt und zählt so heute
zu den führenden Anbietern dieser Technologie.
Zukunftstechnologie – metallischer 3D-Druck
Als Werkstoffe stehen bei sauer product unter anderem
Edelstahl, Warmarbeitsstahl, Kobalt-Chromstahl sowie
Aluminium und Titan zur Verfügung. Das Unternehmen
bietet so eine breite Auswahl metallischer Materialen für
die additive Fertigung.
Bereits sehr erfolgreich zeigen sich additive Fertigungsverfahren im Prototypenbau. Ein hervorragendes Beispiel ist das von sauer product durchgeführte Projekt
„Träger- und Abdeckblech für einen Staubsauger“. Von
diesem scheinbar einfachen Bauteil war ein Prototyp für
Belastungs- und Funktionsprüfungen erforderlich. Konventionell ist dieser Prototyp aber nur mit einem teuren
mehrstufigen Umform- und Stanzwerkzeug herstellbar.
Ganz anders dagegen beim SLM-Verfahren, das sauer
product einsetzt: Ausgehend vom 3D-CAD-Volumenmodell war der Bauprozess in nur einer Stunde programmiert, die Bauzeit des etwa 90 mal 230 Millimeter großen
Trägerblechs auf der vollautomatisch arbeitenden Anlage
betrug anschließend zwölf Stunden. So stand bereits
eine Woche nach Auftragseingang der Prototyp beim
Anwender für die Erprobung zur Verfügung.
56
ADDITIVE FERTIGUNG
Metallischer 3D-Druck eines Strukturbauteils
(Quelle: sauer product GmbH)
Wichtiger als die Einsparung der Werkzeugkosten für
die Herstellung des Prototyps war allerdings die hohe
Zeiteinsparung, die die Dieburger ermöglichen. Alleine der konventionelle Werkzeugbau hätte sonst rund
vier Wochen in Anspruch genommen. Dank additiver
Fertigung mittels SLM-Verfahren und dem Know-how
von sauer product war es für den Kunden möglich, die
ursprünglich geplante Markteinführungszeit um rund
15 Prozent zu verkürzen. Entscheidend dafür war, dass
die additiv hergestellten Werkstücke dieselben mechanischen Eigenschaften aufwiesen wie der konventionell
bearbeitete Originalwerkstoff.
Vorteile realisiert sauer product auch bei Sondereinzelanlagen wie zum Beispiel im Bereich Kraftwerksbau. Hier
werden oftmals Bauteile mit sehr individuellen Anforderungen benötigt. Dadurch setzt sich das SLM-Verfahren
oftmals später auch in der Serienanwendung durch,
da sich die „Serie“ in diesen Fällen noch in geringen
Stückzahlen ausdrückt.
Kontakt
sauer product GmbH
Stephan Sperling
Frankfurter Straße 73, 64807 Dieburg
Telefon: +49 (0)6071 2070-170
E-Mail: ssperling@sauerproduct.com
www.sauerproduct.com
4.5. Philipps-Universität Marburg:
Additive Fertigung von individuellem Zahnersatz
und Kieferknochen
Aufgrund der Individualität von Zahnersatz und der benötigten Einzelstücke haben sich generative Verfahren zu
einer echten Alternative zu den traditionellen Fertigungsmethoden entwickelt. Auch für den Ersatz von Kieferknochen, der aufgrund der nach Zahnverlust eintretenden
Gewebsschrumpfung (sog. resorptive Vorgänge) oder
infolge von Unfällen oder Tumorerkrankungen entfernt
werden musste, haben generative Verfahren an Bedeutung gewonnen. Fehlende Zähne durch Zahnimplantate
zu ersetzen, ist heute zu einer Routinemaßnahme in der
modernen Zahnmedizin geworden. Aufgrund der resorptiven Vorgänge nach Zahnverlust muss jedoch häufig
das Kieferknochenvolumen zunächst wieder aufgebaut
werden, bevor der Zahnersatz implantiert werden kann.
Noch umfangreicher sind die aufzubauenden Kieferareale
bei einer Krebserkrankung. Der Aufbau des Kieferknochens geschieht üblicherweise durch Entnahme von
Knochenmaterial an anderer Stelle des Körpers (zum
Beispiel am Wadenbein) und dem Applizieren in den
Kiefer. Nicht selten führt diese Behandlungsmethode
sowohl zu Komplikationen am Kiefer als auch an der
Entnahmestelle des Knochenmaterials.
An der Philipps-Universität Marburg erforscht die Zahnmedizinerin Christine Knabe-Ducheyne seit 2011 neue
Biokeramiken für die additive Fertigung, die für den
Aufbau kollabierter Kieferkochen genutzt werden können,
den körpereigenen Knochen zum Wachstum animieren
und sich nach drei bis sechs Monaten auf natürliche
Weise abbauen. In einer Testreihe mit Schafen konnte
sie die Bioaktivität von Kalziumalkaliorthophosphat als
Ersatzmaterial erfolgreich nachweisen. In einem aktuellen
Forschungsprojekt geht es nun um die Herstellung des
Knochenmaterials durch Tissue Engineering mit additiven
Fertigungsverfahren. Die Geometrie des Kiefers wird
durch Computertomografie zunächst erfasst und das
benötigte Knochengerüst dreidimensional aufgebaut.
Anschließend erfolgt der Druck aus der Biokeramik. Der
so genannte Scaffold kann dabei mit Knochenzellen und
Wachstumshormonen angereichert werden und auch
Mikro-Blutgefäße enthalten. Am Kieferknochen stimuliert
der Scaffold anschließend das Knochenwachstum, soll
mit den natürlichen Geweben verwachsen und sich nach
wenigen Monaten abbauen. Danach kann der Einsatz
des Implantats erfolgen.
Prof. Knabe-Ducheyne verfolgt diese Zielsetzung seit
nunmehr 25 Jahren. Im Rahmen einer vom Hanauer
Unternehmen Heraeus-Kulzer mit einer Million Euro
finanzierten Stiftungsprofessur wird die Vorgehensweise
aktuell im Tierversuch getestet. Blutgefäße enthaltene
Scaffolds werden in den Oberschenkelknochen implantiert
und anschließend der Gewebeaufbau überprüft sowie
die Resorptionseigenschaften der Biokeramik getestet.
„Wir untersuchen in der Versuchsreihe unterschiedliche Scaffolds, um die Materialien und Bedingungen
zu optimieren. Den besten Scaffold wollen wir dann
im Rahmen eines Großtierversuchs testen“, beschreibt
Christine Knabe-Ducheyne die Vorgehensweise im Forschungsprojekt. „Wie schön wäre es, wenn ich Patienten
in Zukunft die unangenehme Knochenentnahme ersparen
könnte.“ (www.uni-marburg.de/aktuelles/unijournal/uj44/
muj44herbst2014.pdf)
Kontakt
Philipps-Universität Marburg
Prof. Dr. Christine Knabe-Ducheyne, DDS, PhD
Georg-Voigt-Str. 3, 35039 Marburg
www.med.uni-marburg.de
57
4.6 4D Concepts:
Mit generativer Fertigung zur ‚Customized‘
Sportschuh-Einlage
Unter dem Motto ‚Your sport is our mission‘ hat die Firma
SEE Sport Equipment Eichinger in Mitterskirchen ein Gerät zur Herstellung von individuell angepassten Einlagen
für Sportschuhe entwickelt. Entstanden ist der Vaku-Fit,
der heute in erster Linie von Spezialsportgeschäften und
Orthopädieschuhmachern eingesetzt wird.
Um einen individuellen Fußabdruck zu erhalten, stellt sich
der Kunde auf die mit Mikrokugeln befüllten Silikonkissen.
Über Vakuum verfestigen sich die Mikrokugeln und in die
so entstandene Form wird die erwärmte Einlage gelegt.
Durch erneute Anpassung durch den Kunden entsteht
eine perfekte Einlage. Diese wird anschließend in den
Schuh eingepasst und bietet den perfekten Tragekomfort
ohne Schmerzen und Druckstellen beim Sport.
Formen für das Vakuumgießen werden durch Einformen
eines Urmodells aus dem 3D-Druck mit einem Silikonkautschuk gefertigt. Durch Anlegen eines Vakuums wird eine
perfekte Formfüllung und Abformung der Oberflächenqualität des Urmodells erreicht. Das Vakuumgießen eignet
sich insbesondere zur Herstellung von Kunststoffteilen mit
serienähnlichen Materialeigenschaften bei kleineren bis
mittleren Stückzahlen und hat sich auch für den Vaku-Fit
als das geeignete Produktionsverfahren etabliert.
4D Concepts ist ein innovatives Unternehmen rund um
die additive Fertigung von Kunststoffteilen im RheinMain-Gebiet und fertigt seit 1995 mit unterschiedlichen
generativen Verfahren wie Lasersintern, Stereolithografie oder dem MultiJet für nahezu alle Branchen. Die
generativen Fertigungsprozesse werden ergänzt durch
weitere Dienstleistungen wie das 3D-Scannen, die digitale Modellierung und die 3D-CAD Konstruktion sowie
konventionelle Fertigungsverfahren wie Fräsen, Vakuumgießen, Laserschneiden und verschiedene Prozesse
zur Oberflächenveredelung für Kundenprojekte von der
ersten Idee bis zum Serienteil.
Kontakt
4D Concepts GmbH
Peter Volz (Geschäftsführer)
Frankfurter Straße 74, 64521 Gross-Gerau
Telefon: +49 (0)6152 92310
E-Mail: mail@4dconcepts.de
www.4dconcepts.de
Abformen des individuellen Fußabdrucks mit Silikonkissen, die mit
Mikrokugeln befüllt sind (Quelle: 4D Concepts)
Auf Basis der Idee hat 4D Concepts für SEE die 3D-CADKonstruktion realisiert. Seit Abschluss der Entwicklung
fertigt 4D Concepts die Silikonkissen für die Vaku-Fit Geräte per Vakuumguss in Serie. Auf Grund der benötigten
Stückzahlen und der unterschiedlichen Farbvarianten hat
sich das Vakuumgießen mit einem medizinisch geeigneten
Silikonwerkstoff als effizientes Produktionsverfahren für
dieses Produkt etabliert. Die Vorteile für SEE liegen dabei
in der schnellen Verfügbarkeit von kleineren Stückzahlen
und der flexiblen Realisierung von unterschiedlichen
Farbvarianten.
58
ADDITIVE FERTIGUNG
4.7 Universität Kassel:
3D-Druck zementgebundener Formteile
In der Architektur, wo großformatige und geometrisch
komplexe Bauteile oft ebenfalls in kleinen Losgrößen
benötigt werden, sind 3D-Druck-Technologien bislang
noch weitgehend ungenutzt. Ein bekanntes und für
diese Fertigungstechnologie interessantes Material ist
der kostengünstige und damit auch für großformatige
Teile geeignete Zementwerkstoff.
Im Rahmen eines von der Universität Kassel initiierten
Forschungsprojektes mit Partnern aus der Industrie wurde
2012 und 2013 ein Verfahren zur additiven Herstellung
von zementgebundenen Formteilen entwickelt und die
Verwendbarkeit der daraus resultierenden Produkte im
Architektur- und Baubereich im Rahmen einer Dissertation am Fachgebiet Tragkonstruktion und Massivbau
untersucht.
In diesem Verfahren wird ein Zementwerkstoff mit Zuschlägen versetzt und schichtweise in einen bis zu acht
Kubikmeter großen Bauraum auf einer Anlage der Firma
voxeljet eingebracht. Die Verfestigung des Gemisches
erfolgt dabei ebenfalls schichtweise selektiv mit einer
wässrigen Lösung. Die Verarbeitung eines Zementwerkstoffes in einem 3D-Druck-Prozess bedeutet eine
grundlegende Abkehr von den bisher bekannten Verarbeitungsmethoden, da hier die übliche mechanische
Durchmischung zur gleichmäßigen Vermengung von
Flüssigkeit und Zementpulver nicht stattfindet.
Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die physikalischen Eigenschaften des Endproduktes dadurch sehr
stark verändern. Ein Grund hierfür sind Anisotropien,
welche durch den schichtweisen Aufbau entstehen, die
in der nachstehenden Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zu sehen sind.
Schichtweiser Aufbau eines zementgebundenen Werkstoffes nach
der Verarbeitung in einem 3D-Druck-Verfahren
(Quelle: Universität Kassel, A. Fromm)
In den entwicklungsbegleitenden Versuchen wurden
Festigkeitsabweichungen in Abhängigkeit vom Lastangriffswinkel zur Schicht von bis zu 50 Prozent festgestellt.
Diese unerwünschten Effekte konnten durch eine Nachbehandlung reduziert und gleichzeitig die Gesamtfestigkeiten gesteigert werden. Legt man die DIN EN 1992 für
derartige Produkte im Außenbereich zu Grunde, sind die
einschlägigen Kennwerte noch nicht erreicht. Unabhängig
davon jedoch konnte das Ziel, ein zementgebundenes
Formteil mit einem additiven Verfahren herzustellen,
welches dem Planer ein Höchstmaß an gestalterischer
Freiheit bietet, mit dem 3D-Druck-Verfahren realisiert
werden.
Zur Verwendung dieser neuen Produkte im Architektur- und Baubereich sind weitere Untersuchungen auch
deshalb notwendig, da in Langzeituntersuchungen unerwartete Festigkeitseinbußen bei den eingesetzten
Zementwerkstoffen festgestellt wurden. Darüber hinaus
müssen noch Strategien zur permanenten Kontrolle des
Produktionsprozesses entwickelt werden.
Prototyp eines nicht schalbaren, parametrischen Moduls
(Quelle: Universität Kassel, J. Frankenstein-Frambach, A. Fromm)
Kontakt:
Universität Kassel
FB 6 – Architektur, Stadtplanung, Tragkonstruktion
Dipl.-Ing. Asko Fromm
Henschelstr. 2, 34127 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-2531
E-Mail: fromm@uni-kassel.de
www.uni-kassel.de/fb6
59
4.8 Technische Universität:
CAD / CAM-Prozesskette für die digitale Fertigung
Die Produkte der Medizintechnik bleiben der Öffentlichkeit mit Ausnahme von künstlichen Gelenken weitgehend
verborgen. In der Dentaltechnik wurden im Jahr 2009 circa
63 Millionen Zahnfüllungen sowie etwa zwei Millionen
Brücken und eine Million Kronen in Deutschland dem
Patienten eingesetzt. Ein Drittel der hergestellten Brücken
und Kronen wird bereits teilautomatisiert produziert. Die
gesamte Branche verzeichnet eine Entwicklung von der
Herstellung in Handarbeit zum Einsatz neuester additiver
und abtragender automatisierter Fertigungstechnologien.
Im Leitmarkt der Medizintechnik besteht die Herausforderung, medizinische und technische Kompetenzen
effektiv zu kombinieren, um dem steigenden Kostendruck
im Gesundheitssystem gewachsen zu sein.
Ziel des Forschungsprojekts COMMANDD ist die parallelisierte Entwicklung des Produktes und der simultanen Bereitstellung eines integrierten und hybriden
Produktionssystems für dentale Indikationen. Mit dieser
teilautomatisierten Medizinproduktentstehung werden
bestehende Prozessketten sowie Durchlaufzeiten verkürzt, die Qualität gesichert und die Wertschöpfung
erhöht. Die Betrachtung dieses Wertschöpfungsnetzwerkes führt zu einer verbesserten Patientenversorgung
(Lebensqualität) und zur Senkung der Kosten in der
Gesundheitsversorgung. Die bestehende Prozesskette
wird mit einem einheitlichen, zukunftssicheren sowie
produktivitätssteigernden Datensystem strukturiert und
die Datenübergabe in den Schnittstellen standardisiert. Weiterhin werden generative (aufbauende), wie
auch abtragende Fertigungstechnologien für verschiedene Indikationen (Produktklassen) in einer sequenziellen und wirtschaftlichen Prozesskette verbunden.
Die Projektergebnisse werden dem dentalen Fachpersonal mittels eines Prozesskettendemonstrators an der TU
Darmstadt direkt übermittelt. Das gesamte Fertigungssystem für die individuelle Massenproduktion kann auf die
dezentrale Herstellung von patientenindividuellen Endoprothesen übertragen werden. Auch in anderen Branchen
wie dem allg. Maschinenbau, dem Prototypenbau sowie
der Herstellung von Zerspanungswerkzeugen kommt es
am Schnittpunkt zwischen virtueller Produktentstehung
und der Fertigung zu großen Effizienzverlusten aufgrund
der wechselnden Kompetenzfelder. Dieser Schnittpunkt
wird mittels Integration von speziellem Produktionswissen
auf den Bereich der Produktentstehung zu einer großen
Schnittmenge erweitert. Einzelbereiche des Projektes
werden in der zweiten Projektphase mit einem branchenübergreifenden Anwenderarbeitskreis in die oben
genannten Branchen überführt.
Kontakt
Technische Universität Darmstadt
Institut für Produktionsmanagement, Technologie und
Werkzeugmaschinen (PTW)
Sören Dietz (Gruppenleiter Mikroproduktion)
Otto-Berndt-Str. 2, 64287 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 16-6620
E-Mail: dietz@ptw.tu-darmstadt.de
www.ptw.tu-darmstadt.de
Additiv gefertigtes SLM-Halbzeug (1) und fräsend nachbearbeitetes
SLM-Halbzeug im Vergleich (2)
(Quelle: Technische Universität Darmstadt)
60
ADDITIVE FERTIGUNG
4.9 FabLab Darmstadt:
Digitales Produzieren und Gründen
Am 7. April 2014 wurde in Darmstadt ein FabLab eröffnet. Es befindet sich in Räumen des Fraunhofer-Instituts
für Graphische Datenverarbeitung IGD und ist Teil des
Forschungsprojekts Fabbing & Founding (Digitales
Produzieren und Gründen), bei dem die Technische
Universität Darmstadt, das House of IT und das Fraunhofer IGD kooperieren. Das FabLab gibt interessierten
Personen, Kreativen, Tekkies, Forschern und Programmierern Raum, die Möglichkeiten der digitalen Fabrikation
auszuprobieren und in einem geschützten Rahmen die
Potenziale additiver Fertigung zu testen. Die Idee des
FabLabs stammt aus den USA, wo Neil Gershenfeld 2002
am Massachusetts Institute of Technology (MIT) das erste
‚fabrication laboratory‘ gründete.
„Dahinter verbirgt sich ein offener, nicht-kommerzieller
Raum, in dem Privatpersonen unentgeltlich Technologien
nutzen können, die auch in der industriellen Produktion
eingesetzt werden“, erläutert Prof. Peter Buxmann von
der Technischen Universität Darmstadt das Konzept. „Das
Angebot ist vor allem für Startups und junge Entrepreneure interessant, die hier Prototypen und Einzelstücke
fertigen können und vom kreativen Austausch im FabLab
profitieren.“ Auch weniger erfahrene Bastler können
den Umgang mit den neuen Technologien ausprobieren, eigene Ideen entwickeln und sich bei der Umsetzung beraten lassen. Das Know-how, das im Fabbing &
Founding-Projekt erarbeitet wird, soll mithilfe spezieller
Workshops an Unternehmen, Startups, Gründer und
Studierende weitergegeben werden.
Das Hessische Wirtschaftsministerium lobt die Initiative als vorbildliche Unterstützung kleiner und mittlerer
Unternehmen, daher hat es sich an der Umsetzung und
am Aufbau mit einer Förderung in Höhe von 150.000 Euro
aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung
beteiligt. „Mit der Einrichtung des FabLab stellt der
IKT-Standort Darmstadt erneut sein innovatives Potenzial
unter Beweis“, sagte Staatssekretär Mathias Samson bei
einem Besuch des FabLabs. „Hessische Gründer und
Unternehmen erhalten hier die Möglichkeit, durch den
Zugang zu Spitzentechnologie die Chancen der Digitalisierung auszuschöpfen, um aus Ideen möglichst schnell
marktfähige Produkte zu machen.“
Neben dem Betreiben des FabLabs werden im Forschungsprojekts Fabbing & Founding die Auswirkungen der digitalen Produktion auf das Wirtschaftsleben
analysiert und die Potenziale für kleine und mittelständische Unternehmen beschrieben. Diese kommen den
Unternehmern dann zugute, die im FabLab sowohl an
Beratungen als auch Schulungen teilnehmen können.
Kontakt
FabLab Darmstadt
Prof. Dr. Peter Buxmann
Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung
(IGD)
Fraunhoferstraße 5, 64283 Darmstadt, Raum 163/164
Telefon: +49 (0)6151 16-2663
E-Mail: info@fabbing-founding.org
www.fabbing-founding.org
Fabber in Aktion (Quelle: Technische Universität Darmstadt)
61
4.10 Fraunhofer LBF:
Polymerisierbare Drucktinten für den porenarmen
3D-Druck und Piezo-Aktoren mit SLM-Gehäuse
In einer Vielzahl von Projekten wird am Fraunhofer-Institut
für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF an
der Weiterentwicklung additiver Fertigungstechnologien
bzw. an deren Anwendung im Kontext der direkten Produktfertigung gearbeitet. Im Rahmen seiner Dissertation
hat Christoph Kottlorz 2013 ein Projekt zur Entwicklung
polymerisierbarer Tinten und schnell löslicher Pulver
für den 3D-Druck (Three Dimensional Printing 3D-P)
beschrieben. Trotz des einfachen Verfahrensprinzips,
der Ähnlichkeit zu konventionellen 2D-Druckern und
der Möglichkeit zur parallelen Verwendung mehrerer
Druckdüsen werden die Potenziale des 3D-Drucks für
die Herstellung von Kunststoffteilen in kleiner Serie noch
nicht vollständig genutzt. Die Gründe sind vielfältig und
werden insbesondere auf die Porosität der Bauteile und
geringe mechanische Festigkeit zurückgeführt. Ziel des
Projektes war deshalb, die Entwicklung neuer Materialsysteme für den Druck porenarmer Körper mit deutlich
erhöhter Festigkeit.
Im Projekt wurden sowohl neue Tinten auf der Basis von
radikalisch polymerisierbaren Monomeren erprobt als
auch die schnelle, aber kontrollierte Polymerisierbarkeit
mit neuen Pulvermischungen getestet. Bei der Polymerisation der Monomertinte kam ein Zwei-KomponentenInitiatorsystem zum Einsatz. Das Pulver bestand zu einem
großen Anteil aus einem weichen Elastomer und zu einem
kleinen Anteil aus hartem Polymethylmethacrylat (PMMA).
Die besten Ergebnisse wurden mit HEMA (Hydroxyethylmethacrylat) als polymerisierbarem Monomer erzielt.
Beim 3D-Druck konnten die Poren in der Pulverschüttung
durch eine entsprechend hohe Tintenmengen gefüllt
werden, die Porosität wurde deutlich verringert. Dadurch
konnten erstmals porenarme und mechanisch stabile
Prüfteilgeometrien mit hinreichender Transluszenz durch
3D-Drucken hergestellt werden. Im Praxistest wurde eine
ähnliche Festigkeit und Dehnbarkeit festgestellt wie beim
Spritzguss vergleichbarer industrieller Polymere.
62
ADDITIVE FERTIGUNG
Ein anderer Forschungsbereich des Fraunhofer LBF zielt
auf die Entwicklung adaptronischer Systeme ab, um
fortgeschrittene Methoden der Strukturdynamik und
Signalverarbeitung und unter Einbeziehung neuartiger
Aktoren und Sensoren zu ermöglichen. Zur Herstellung
widerstandsfähiger Gehäuse für Piezo-Aktoren eignen
sich Verfahren der Massenfertigung wie das Spritzgießen
bislang nicht. Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben
deshalb die Verwendung additiver Techniken angestrebt
und in einem Projekt den Bau eines monolithischen
Gehäuses für einen Piezo-Stapelaktor durch selektives
Laserschmelzen (SLM) erfolgreich getestet.
Beim SLM wird Metallpulver durch einen Laserstrahl auf
seine Schmelztemperatur erhitzt und die einzelnen Partikel miteinander verschmolzen. Auf diese Weise waren
die Fraunhofer Forscher in Zusammenarbeit mit dem
Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt in der Lage,
ein dichtes und widerstandsfähiges Gehäuse zu erzeugen
und die Eigenschaften individuell an die jeweilige Aufgabe
anzupassen. Mit dem Verfahren konnte der Großteil des
Aufwandes für den Werkzeugbau eingespart und die
Herstellungskosten des komplexen Bauteils in kleiner
Stückzahl spürbar gesenkt werden. Als Aktor wählten die
Forscher einen im Handel erhältlichen piezokeramischen
Stapelaktor in den Abmaßen 7 x 7 x 32 Millimeter und
mit einer maximalen Blockierkraft von zwei Kilonewton
bei maximaler Dehnung von 45 Mikrometer.
Die größte Herausforderung bestand darin, den Piezoaktor während des additiven Fertigungsprozesses in
das entstehende Gehäuse zu integrieren. Dazu wurde
der Vorgang des schichtweisen Laserschmelzens unterbrochen, der Aktor eingesetzt und der Prozess weiter
fortgeführt. Dabei musste die Erhitzung des Pulverbetts
beachtet werden. Die Prozesstemperaturen wirkten sich
anschließend positiv aus. Denn die sich nach Abkühlung
einstellende thermische Schrumpfung führte zu einer
mechanischen Vorspannung des Aktors im Inneren, was
sich vorteilhaft auf die Antriebsleistung auswirkte, ohne
die hermetische Abdichtung zu beeinträchtigen.
Laut Professor Dr. Tobis Melz, Leiter des Fraunhofer
LBF, eröffnen generative Fertigungsverfahren zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten und damit optimierte
Topologien von Produkten. Am Fraunhofer LBF wurden
Druckmaterialien entwickelt, die mittlerweile ähnliche
Festigkeiten und Dehnbarkeiten ermöglichen wie beim
konventionellen Spritzguss. Zusätzlich wurde zusammen
mit dem Fachgebiet PTW der TU Darmstadt von Herrn
Professor Abele ein Verfahren zur generativen Fertigung
von gehausten Piezostapelaktoren patentiert, welches
ganz neue Einsatzmöglichkeiten zum Beispiel für die
Schwingungsminderung und das sogenannte Energy
Harvesting erlaubt.
Kontakt
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz (Institutsleiter, komm.)
Bartningstr. 47, 64289 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 705-252
E-Mail: info@lbf.fraunhofer.de
www.lbf.fraunhofer.de
Piezo-Stapelaktor, der in einem SLM-gefertigten monolithischen
Gehäuse untergebracht ist (Quelle: Fraunhofer LBF)
63
4.11 Hochschule für Gestaltung Offenbach:
Projekte rund um additive Technologien
Aufgrund der großen Freiheitsgrade der generativen
Herstellungsverfahren und der Möglichkeit zur schnellen
Umsetzung von Bauteilen mit individuellen Formteilgeometrien ist die Prozesskette der additiven Fertigung an
einer Vielzahl von Gestaltungshochschulen Gegenstand
von Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Vor allem
die Hochschule für Gestaltung Offenbach und die Arbeitsgruppe von Professor Frank Georg Zebner hat sich
mit einigen herausragenden Vorhaben einen Namen für
die Weiterentwicklung generativer Verfahren und die
Entwicklung von Anwendungsszenarien gemacht:
COBOT – 3D-Drucker mit Doppelextruder
Design: Raoul Wilken, Nils Mayer, Marc Schömann
Eines der herausragendsten Projekte, die im Kontext der
generativen Fertigungskette umgesetzt wurden, ist die
Entwicklung eines 3D-Druckers mit Doppelextruder, der
nach den Prinzipien einer FLM-Analge funktioniert. Den
Wunsch nach der Entwicklung eines eigenen 3D-Druckers
begründen die drei Industriedesigner mit dem hohen
persönlichen Qualitätsanspruch an die Umsetzung ihrer
eigenen Gestaltungsentwürfe. „Vergleichbare 3D-Drucker
haben in der Vergangenheit unzuverlässig gearbeitet, die
Bauteile waren nicht stabil genug“, sagt Raoul Wilken.
„Deshalb haben wir eine Lösung mit zwei parallelen
Extruderdüsen entwickelt. Während die eine an der
Stützstruktur arbeitet, setzt die zweite parallel dazu die
Formteilgeometrie um.“ Die wenigen Bauteile machen
den Druckprozess schneller, günstiger und im Vergleich
zu anderen 3D-Druckern genauer. Es können sowohl die
Standardmaterialien wie ABS oder PLA als auch exotische
Werkstoffe wie Laywood, Laybrick, leitfähiges ABS oder
flexibles PLA verarbeitet werden.
Mit COBOT wollen die Designer vornehmlich Ingenieure, Industriedesigner und Architekten als Zielgruppen
ansprechen. Um den hohen Qualitätsansprüchen dieser
Käufergruppe zu entsprechen, hat das Entwicklungsteam
einige technische Innovationen in der Anlage realisiert.
So wurden in der gesamten Konstruktion Hochpräzisionsbauteile verarbeitet. Durch den Einsatz von Polymergleitlagern und Lineargleitführungen aus Aluminium kann
ein wartungsarmer und permanenter Lauf gewährleistet
werden. Um eine hohe Druckgüte und einen größeren
Bauraum zu erreichen, besteht der Entwurf aus einem
unkonventionellen Z-Achsenantrieb, einem unbewegten
64
ADDITIVE FERTIGUNG
Heizbett und einem nur drei Millimeter dicken Gehäuseblech, an dem das Innenleben mitsamt der Achsen
montiert wird. Zur Steigerung der Produktivität können
die Extruder auf einfache Weise getauscht und die
Arbeitsplatte, auf der das Modell entsteht, muss nicht
nach jedem Druckvorgang gewechselt werden. Das
Verhältnis zwischen Bauraum und Gehäuse ist bei der
Anlage ungewöhnlich groß.
Der COBOT 3D-Drucker. Oben: Funktionsfertig zusammengebaut;
Unten: zerlegt in seine Einzelteile (Design: Raoul Wilken, Nils Mayer,
Marc Schömann)
AudioView earplugsystem (Design: Frauke Taplik)
AudioView – Orientierung durch Sound
Design: Frauke Taplik
Ein Beispiel für die Verwendung generativer Techniken
im Bereich der Medizintechnik ist das von der Designerin
Frauke Taplik entwickelte earplugsystem AudioView.
Dieses dient blinden Personen zum akustischen Orten
von RFID markierten Objekten. Es besteht aus einer individuellen Otoplastik, die mit einem 3D-Drucker erzeugt
wird, und einem seriellen Sender bzw. Lautsprecher.
Das System ermittelt die Position von Hindernissen im
Raum und gibt diese durch ein akustisches Signal an die
blinde Person weiter. Die Signale sind nur für den Träger
hörbar und erleichtern ihm die Orientierung. Die Form
des earplugs ist so gewählt, dass die Gehörgänge offen
gelassen werden.
Formetric 4D –
3D-/4D-Wirbelsäulen- und Haltungsvermessung
Design: Stephan Brühl
In Zusammenarbeit mit der Diers GmbH ist Formetric
4D, ein Gerät zur lichtoptischen Vermessung der Wirbelsäule zur Haltungsanalyse, entstanden. Ein von dem
Optikunternehmen entwickeltes grafisches Streifenmuster wird auf den Rücken des Patienten projiziert,
das mit einem Kamerasystem aufgenommen wird. Eine
Software berechnet mittels anatomischer Fixpunkte
die Lage der Wirbelsäule und des Beckens und leitet
ein dreidimensionales Modell ab. Mit diesem ist eine
Diagnose von Fehlhaltungen im Stand ebenso möglich
wie die Überprüfung von Bewegungsabläufen. Für die
Herstellung wurde die von Materialise entwickelte Fertigungstechnik der Mammut-Stereolithografie genutzt, mit
der erstmals Bauteile mit einer Länge von mehr als zwei
Metern additiv erzeugt werden können. Das generative
Fertigungsprinzip ermöglichte es, den Materialbedarf
und die Wandstärke auf ein Minimum zu reduzieren. Als
Verstärkung wurde eine rautenförmige Innengeometrie
in Analogie zur Wirbelsäule gewählt, die aufgrund des
semitransparenten Harzes nach außen sichtbar ist.
Kontakt
Hochschule für Gestaltung Offenbach
Büro für Wissenstransfer
Ulrike Grünewald
Schlossstraße 31, 63065 Offenbach am Main
Telefon +49 (0)69 800 59-166
www.hfg-offenbach.de/transfer
Formetric-4D-System zur Wirbelsäulen- und Haltungsvermessung (Design: Stephan Brühl)
65
4.12 3D Scaper:
Selfies in der dritten Dimension
Berlin, München, Köln… in den letzten Monaten haben in
den meisten großen Städten die ersten 3D-Drucker-Geschäfte eröffnet. Und auch in Frankfurt-Bockenheim gibt es
seit Anfang 2014 ein solches Geschäft in der Ladengalerie
Bockenheimer Warte, den „3D Scaper“. Die Geschäftsmodelle sehen ähnlich aus: Privatpersonen, die keinen
eigenen 3D-Drucker betreiben wollen, aber dennoch die
Möglichkeiten der additiven Fertigung nutzen möchten,
finden eine Anlaufstelle, um die eigenen Entwürfe oder
Downloads aus dem Internet auszudrucken. Die eigens
gestaltete Handyschale, individuelle Schuhmode, ein
besonderes Interior-Accessoire oder ein Ersatzteil für
die Kaffeemaschine: Die Möglichkeiten scheinen nahezu
unbegrenzt zu sein, auch wenn eigene Entwürfe bislang
selten ‚gedruckt‘ werden.
Sehr gut entwickelt sich allerdings das Geschäft mit der
Anfertigung dreidimensionaler Selfies. Gemeint sind
Abbilder von Personen, die Momente oder Augenblicke
ihres Lebens als gedruckte Figur festgehalten haben
wollen. Frauen in der Schwangerschaft, der Enkel bei
der Einschulung oder das Hochzeitspaar, das sich selber
auf der Hochzeitstorte sehen will. Zur Erfassung der Körperdaten gibt es im 3D Scaper Studio einen Scanner zur
Erfassung dreidimensionaler Geometrien, der mit über
60 Kameras ausgestattet ist. Die Person stellt sich in die
Mitte des Raumes und die Kameras machen gleichzeitig
je ein digitales Foto. Diese werden im Computer zu einem
dreidimensionalen Volumenmodell umgewandelt und in
digitale Schichtinformationen übertragen.
Im 3D-Drucker können die menschlichen Miniaturausgaben dann schichtweise aus Gipspulver und einem
Polymerbinder erzeugt werden. Da sich das Bindemittel
während des Druckprozesses einfärben lässt, sind die
Abbilder den Vorbildern am Ende täuschend ähnlich.
Je nach Größe des Drucks muss bei Schichtstärken
von 0,1 Millimeter mit einer Druckdauer von mehreren
Stunden gerechnet werden. Eine 15 Zentimeter hohe
Figur/Skulptur kostet 230 Euro, bei einer Größe von 35
Zentimetern werden 890 Euro berechnet. Günstigere
Varianten aus der FLM-Anlage sind in weiß bereits ab
79 Euro zu haben. Da hier beim additiven Aufbau ein
Kunststoff von der Rolle aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen wird, ist das Abbild aber nicht ganz
so genau und kann nur in einer Farbe erzeugt werden.
Ergänzend bietet 3D Scaper Drucker und Filamente
sowie 3D Objekte ausgewählter Künstler an, ebenfalls
ein stark wachsender Markt.
Gedruckte Selfies
(Quelle: 3D Scaper)
66
ADDITIVE FERTIGUNG
Kontakt
3D Scaper
Thomas Mörsdorf
Leipziger Straße 5, 60487 Frankfurt am Main
Telefon: +49 (0)69 79 53 33 37
E-Mail: info@3dscaper.com
www.3dscaper.com
4.13 Europäische Weltraumbehörde:
Lunare Raumstation aus gedrucktem Gestein
Die Europäische Weltraumbehörde (ESA) testet derzeit
in Zusammenarbeit mit dem britischen Architekturbüro
Foster+Partners aus London die Möglichkeit, additive
Techniken für den Bau einer Raumstation auf dem Mond
zu nutzen. Es ist angedacht, Gesteinsmaterial des Mondes für den Bau zu verwenden und unter Zugabe eines
bindenden Salzes in einen steinartigen Festkörper zu
überführen. Mit 3D-Druckverfahren werden auf der Erde
bereits komplexe Gebäudestrukturen erzeugt. Das Projektkonsortium untersucht derzeit, ob diese Technik in
ähnlicher Weise für den Bau eines Mondhabitats genutzt
werden könnte.
dreieinhalb Meter pro Stunde erzeugen und ein Gebäude in einer Woche fertigstellen können, so die ESA.
Der Hersteller der Drucktechnologie, das britische Unternehmen Monolithe, setzt das Fertigungsverfahren
bislang ein, um Skulpturen umzusetzen und künstliche
Korallenriffe zu erzeugen. Additive Fertigungsverfahren
arbeiten äußerst ressourceneffizient. Denn es wird nur
dort Material eingesetzt, wo es auch benötigt wird. Die
Anzahl der Fertigungsschritte wird reduziert. Zudem
kann überschüssiges Material erneut verwendet werden.
Auf diese Weise werden Gewichtseinsparungen in einer
Größenordnung von 50 Prozent bis 95 Prozent erreicht.
3D-Ausdruck einer Mondstation (Quelle: ESA, Foster+Partners)
D-Shape-Drucker (Quelle: Enrico Dini, London)
Design einer Mondstation im 3D-Druck (Quelle: ESA, Foster+Partners)
Ein zylindrisches Modul soll als Ausgangspunkt für den
Bau dienen und von der Erde mitgeführt werden. Die
Räume würden anschließend durch aufblasbare Kuppeln
entstehen, die mit dem Modell verbunden sind. Auf der
Kuppel soll eine Schicht aus lockeren Sedimenten des
Mondes (Regolith) entstehen, die mit einem Salz zu
einem Festkörper gebunden werden. Der 3D-Drucker
würde die Strukturen mit einer Geschwindigkeit von
Zu Testzwecken hat ein Team bei Foster eine Kuppelkonstruktion aus zellenförmig strukturierten Wänden
entwickelt, die mit Druckdüsen auf einem sechs Meter
großen Rahmen aus sandartigen Partikeln und einem
hochfesten Bindemittel schichtweise aufgesprüht werden können. Das Ergebnis ist eine hohle, geschlossene
Zellstruktur, vergleichbar mit der von Vogelknochen,
um eine gute Kombination aus Stabilität und Gewicht
zu erhalten. Bislang konnte bereits ein anderthalb Tonnen schwerer Block aus simuliertem Regolith gedruckt
werden. Das vulkanische Gestein stammt aus einem
See in Mittelitalien und ähnelt den Sedimenten auf der
Mondoberfläche zu 99,8 Prozent.
Im Rahmen der Initiative ‚Clean Space‘ untersucht die
ESA additive Schichttechnologien, um die Auswirkungen
der Raumfahrtindustrie auf die Umwelt zu reduzieren.
Kontakt:
ESA/ESOC – European Space Operations Centre
Robert-Bosch-Straße 5, 64293 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 900
67
5. Unternehmen, Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Verbände zum Themengebiet
der additiven Fertigung aus Hessen
5.1 Hessische Unternehmen und
Forschungseinrichtungen
3D Scaper
Thomas Mörsdorf
Leipziger Straße 5, 60487 Frankfurt am Main
Telefon: +49 (0)69 7953 3337
E-Mail: info@3dscaper.com
www.3dscaper.com
Evonik Industries AG
Sylvia Monsheimer (PP-HP-GL-AT Director)
Paul-Baumann-Straße 1, 45772 Marl
Telefon: +49 (0)2365 49-5911
E-Mail: info@evonik.com
www.evonik.com
3D Systems
Deniz Okur (Marketing Manager)
Guerickeweg 9, 64291 Darmstadt
Telefon: + 49 (0)6151 357 300
E-Mail: info@3dsystems.com
www.3DSYSTEMS.com
Häffner 3D Media
Achim P. Häffner
Bollbergstr. 18, 35614 Aßlar
Telefon: +49 (0)6443 777 18 770
E-Mail: 3d-druckleistung@gmx.de
www.3d-druckleistung.de
4D Concepts GmbH
Peter Volz (Geschäftsführer)
Frankfurter Straße 74, 64521 Groß-Gerau
Telefon: +49 (0)6152 92310
E-Mail: mail@4dconcepts.de
www.4dconcepts.de
FabLab Darmstadt
Prof. Dr. Peter Buxmann
Fraunhoferstraße 5, Raum 163/164, 64283 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 16-2663
E-Mail: info@fabbing-founding.org
www.fabbing-founding.org
Adam Opel AG
Andrew Marshall (Direktor Kommunikation Technik)
Telefon: +49 (0)6142 773-815
E-Mail: andrew.marshall@de.opel.com
www.de.opel.com
FKM Sintertechnik GmbH
Jürgen Blöcher (Geschäftsführer)
Zum Musbach 6, 35216 Biedenkopf
Telefon: +49 (0)6461 9551-0
E-Mail: info@fkm-sintertechnik.de
www.fkm-lasersintering.de
DeguDent GmbH
Dr. Bernd Meier (Vice President Production & Engineering)
Rodenbacher Chaussee 4, 63457 Hanau
Telefon: +49 (0)6181 59-5800
E-Mail: info@dentsply.com
www.dentsply.com
EDAG Engineering AG
Johannes Barckmann (Head of Designstudio)
Reesbergstr. 1, 36039 Fulda
Telefon: +49 (0)661 6000-610
E-Mail: info@edag.de
www.edag.de
68
ADDITIVE FERTIGUNG
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und
Systemzuverlässigkeit LBF
Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz (Institutsleiter, komm.)
Bartningstr. 47, 64289 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 705-252
E-Mail: info@lbf.fraunhofer.de
www.lbf.fraunhofer.de
German RepRap GmbH
Jan Giebels
Wilhelm-Leuschner-Str. 29, 64354 Reinheim
Telefon: +49 (0)89 2488 98642
E-Mail: info@germanreprap.com
www.germanreprap.com
Stratasys GmbH
Christoph Lindner (Marketing Deutschland)
Weismüllerstraße 27, 60314 Frankfurt am Main
Telefon: +49 (0)69 42099430
www.stratasys.com
Hochschule für Gestaltung Offenbach
Büro für Wissenstransfer
Ulrike Grünewald
Schlossstraße 31, 63065 Offenbach am Main
Telefon: +49 (0)69 800 59-166
E-Mail: transfer@hfg-offenbach.de
www.hfg-offenbach.de/transfer
invenio GmbH Engineering Services
Eisenstraße 9, 65428 Rüsselsheim
Thomas Repp (Bereichsleiter Geschäftsentwicklung)
Telefon: +49 (0)6142 899-266
E-Mail: contact@invenio.net
www.invenio.net
JM Kunststofftechnik GmbH
Jürgen Merschroth (Geschäftsführer)
Akazienweg 25-27, 64665 Alsbach-Hähnlein
Telefon: +49 (0)6257 96997-0
E-Mail: info@jm-kunststofftechnik.de
www.jmkunststofftechnik.de
Fachbereich Maschinenbau
Prof. Dr.-Ing. Reiner Anderl
Petersenstr. 30, 64287 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 16-6001
E-Mail: anderl@dik.tu-darmstadt.de
www.dik.tu-darmstadt.de
Werkzeugmaschinen (PTW)
Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele
Telefon: +49 (0)6151 16-2156
E-Mail: abele@ptw.tu-darmstadt.de
Kegelmann Technik GmbH
Stephan Kegelmann (Geschäftsführer)
Gutenbergstraße 15, 63110 Rodgau-Jügesheim
Telefon: +49 (0)6106 8507-10
E-Mail: info@ktechnik.de
www.ktechnik.de
Sören Dietz (Gruppenleiter Mikroproduktion)
Telefon: +49 (0)6151 16-6620
E-Mail: dietz@ptw.tu-darmstadt.de
Philipps-Universität Marburg
Prof. Dr. Christine Knabe-Ducheyne, DDS, PhD
Georg-Voigt-Str. 3, 35039 Marburg
Telefon: +49 (0)6421 58636-00
E-Mail: knabec@med.uni-marburg.de
www.med.uni-marburg.de
Umicore AG & Co. KG
Andreas Brumby (Innovationsmanager)
Rodenbacher Chaussee 4, 63457 Hanau
Telefon: +49 (0)6181 59-4886
E-Mail: info@eu.umicore.com
www.eu.umicore.com
RTC Rapid Technologies & Consulting GmbH
Michael Eichmann (Geschäftsführer)
Südhang 2, 65719 Hofheim
Telefon: +49 (0)2104 141998-0
E-Mail: info@rtc-germany.com
www.rtc-germany.com
Universität Kassel
FB 6 - Architektur, Stadtplanung, Tragkonstruktion
Dipl.-Ing. Asko Fromm
Henschelstr. 2, 34127 Kassel
Telefon: +49 (0)561 804-2531
E-Mail: fromm@uni-kassel.de
www.uni-kassel.de/fb6
sauer product GmbH
Martin Sauer (Geschäftsführer)
Frankfurter Straße 73, 64807 Dieburg
Telefon: +49 (0)6071 2070-0
E-Mail: info@sauerproduct.com
www.sauerproduct.com
HESSISCHE UNTERNEHMEN UND FORSCHUNGSEINRICHTUNGEN
69
5.2 Hessische Netzwerke und Arbeitsgruppen
Kultur- und Kreativwirtschaft Hessen
HA Hessen Agentur GmbH
Susanne Stöck
Konradinerallee 9, 65185 Wiesbaden
Telefon: +49 (0)611 950 17-8329
E-Mail: kreativwirtschaft@hessen-agentur.de
www.kulturwirtschaft-hessen.de/kultur-und-kreativwirtschaft
Hessen-Design e.V.
Cornelia Dollacker (Geschäftsführerin und Fachliche
Leiterin)
Eugen-Bracht-Weg 6, 64287 Darmstadt
Telefon: +49 (0)6151 1591 911
E-Mail: dollacker@hessendesign.de
www.hessendesign.de
Industrie- und Handelskammer Offenbach am Main
Frank Irmscher (Projektmanager)
Frankfurter Straße 90, 63067 Offenbach am Main
Telefon: +49 (0)69 8207-342
E-Mail: irmscher@offenbach.ihk.de
www.offenbach.ihk.de
70
ADDITIVE FERTIGUNG
6 Literatur
Abele, E.: Einordnung und Ausblick von additiven Fertigungsverfahren aus produktionstechnischer Sicht. Vortrag
anlässlich der Veranstaltung „Additive Manufacturing“ des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung, Hanau, 23. September 2014.
Anderson, C.: Makers. Das Internet der Dinge: die nächste industrielle Revolution. München,
Wien: Carl Hanser Verlag, 2013.
Anderl, R.: Additive Manufacturing oder generative Fertigungsverfahren – vom Prototypen zur Massenfertigung? Vortrag anlässlich der Veranstaltung „Additive Manufacturing“ des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landesentwicklung, Hanau, 23. September 2014.
Breuninger, J.; Becker, R.; Wolf, A.; Rommel, S.; Verl, A.: Generative Fertigung mit Kunststoffen:
Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2013.
Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling
– Produktion. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 4. Auflage, 2013.
Fromm, Asko: 3D-Printing zementgebundener Formteile. Grundlagen, Entwicklung und Verwendung.
Kassel, Hessen: Kassel University Press, 2014.
Horscher, Florian: 3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself-guide. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2014.
Lux Research: How 3D Printing Adds Up: Emerging Materials, Processes, Applications, and Business
Models. 30. März 2014.
Peters, S.: Materialrevolution – Nachhaltige und multifunktionale Materialien für Design und Architektur. Basel:
Birkhäuser Verlag, 2011.
Peters, S.: Handbuch für technisches Produktdesign. Hrsg. Kalweit, Paul, Peters, Wallbaum. Berlin:
Springer Verlag, 2. Auflage, 2011.
Peters, S.: Materialrevolution II – Neue Nachhaltige und multifunktionale Materialien für Design und
Architektur. Basel: Birkhäuser Verlag, 2014.
VDI: Statusreport „Additive Fertigungsverfahren“, Verein Deutscher Ingenieure e.V., September 2014.
Warnier, C.; Verbruggen, D.; Ehrmann, S.; Klanten, R.: Dinge Drucken – Wie 3D-Drucken das Design
verändert. Berlin: Gestalten Verlag, 2014.
Wohlers, T.: Wohlers`Report 2013. Wohlers Association, 2013.
LITERATUR
71
Informationsplattform Nano-Sicherheit.de für den
verantwortungsvollen Umgang mit Nanotechnologie
„Deutschland ist in Europa einer der führenden Standorte für
Nanotechnologien. Mit dieser Informationsplattform wollen
wir vor allem kleinen und mittelständischen Unternehmen den
sicheren Einsatz dieser Technologien erleichtern.“ Mit diesem
klaren Bekenntnis zur sicheren und friedlichen Nutzung von
Nanotechnologie kommentierte der Hessische Wirtschaftsminister Tarek Al-Wazir den Neustart der vollständig überarbeiteten
Informationsplattform www.nano-sicherheit.de im August 2014.
Nanotechnologie gilt unbestritten als eine Schlüsseltechnologie
zur Lösung aktueller und zukünftiger Herausforderungen in zahlreichen Gebieten. Beispielsweise macht sie Solarzellen effektiver,
ermöglicht neue Behandlungsmethoden in der Medizin und
senkt den Rohstoffverbrauch. Allerdings entwickeln Substanzen
in diesen Größenverhältnissen mitunter neue Eigenschaften oder
ermöglichen Anwendungen, die eine neue Risikobewertung
erforderlich machen.
„Unser Ziel ist größtmögliche Transparenz und Information, damit
durch verantwortungsvollen Umgang die Nanotechnologie im
Dienste des Menschen steht“, so Minister Tarek Al-Wazir. Auf
www.nano-sicherheit.de findet der Nutzer daher alle relevanten
Informationen: nationale und internationale Regulierungen; Leitfäden zum sicheren Umgang mit Nanomaterialien oder Studien zur
Risikoabschätzung. Darüber hinaus bietet die Seite eine Recherche-Box für nationale und internationale Akteure und Projekte an.
Mit einer europaweit einmaligen Schriftenreihe bietet HessenNanotech in verständlicher und attraktiv aufbereiteter Form kompakte Informationen über die unterschiedlichsten Anwendungsmöglichkeiten von Nanotechnologien in den verschiedenen Branchen und Technikfeldern: vom Automobilsektor über Energie,
Medizin und Optik bis hin zur sicheren Verwendung von Nanomaterialien. Die Reihe, deren Bände teilweise auch in englischer
Sprache vorliegen, wird ständig durch neue Themen ergänzt. Die
Publikationen stehen zum Download auf www.hessen-nanotech.de
bereit oder können als Broschüren dort bestellt werden.
72
ADDITIVE FERTIGUNG
❚ Atlas: Kompetenz- und Infrastrukturatlas
Nanotechnologien in Hessen
❚ Band 14: Materialeffizienz
durch den Einsatz von Nanotechnologien
und neuen Materialien
❚ Atlas: Kompetenzatlas Photonik in Hessen
❚ Band 1: Einsatz von Nanotechnologie
in der hessischen Umwelttechnologie
Innovationspotenziale für Unternehmen
❚ Band 2: Nanomedizin
Innovationspotenziale in Hessen für Medizin technik und Pharmazeutische Industrie
❚ Band 3: Nanotechnologie im Auto
Innovationspotenziale in Hessen für die
Automobil- und Zuliefer-Industrie
❚
Band 4: NanoKommunikation
Leitfaden zur Kommunikation von Chancen und
Risiken der Nanotechnologien für kleine und
mittelständische Unternehmen in Hessen
❚ Band 5: Nanotechnologien für die optische
Industrie
Grundlage für zukünftige Innovationen in Hessen
❚ Band 6: NanoProduktion
Innovationspotenziale für hessische Unternehmen
durch Nanotechnologien im Produktionsprozess
❚ Band 7: Einsatz von Nanotechnologien
in Architektur und Bauwesen
❚ Band 8: NanoNormung
Normung im Bereich der Nanotechnologien
als Chance für hessische Unternehmen
❚ Band 9: Einsatz von Nanotechnologien
im Energiesektor
❚ Band 15: Nanotechnologie in Kunststoff
Innovationsmotor für Kunststoffe, ihre
Verarbeitung und Anwendung
❚ Band 16: NanoAnalytik
Anwendung in Forschung und Praxis
❚ B
and 17: Nanotechnologie für den
Katastrophenschutz und die Entwicklungs zusammenarbeit
❚ Band 18: Material formt Produkt
Innovations- und Marktchancen erhöhen
mit professionellen Kreativen
❚ Band 19: Patentieren von Nanotechnologien
❚ Band 20: Nanotechnologie in der Natur –
Bionik im Betrieb
❚ Band 21: Smart Energy Materials
Werkstoffinnovationen für die Energiewende
❚ Band 22: Kompetenzatlas Bionik in Hessen
❚ Band 23: Nanotech in Hessen
Profil und Status des Forschungs- und
Innovationsstandorts
❚ Band 24: Nanotechnische Ideen in der
Science-Fiction-Literatur
❚ Band 25: Additive Fertigung
❚ Band 10: Werkstoffinnovationen aus Hessen
Potenziale für Unternehmen
❚ Band 11: Sichere Verwendung von Nanomaterialien
in der Lack- und Farbenbranche
Ein Betriebsleitfaden
Informationen / Download / Bestellungen:
www.hessen-nanotech.de/veroeffentlichungen
❚ Band 12: Nanotech-Kooperationen
Erfolgreiche Kooperationen für kleine und
mittlere Nanotechnologie-Unternehmen
❚ Band 13: Mikro-Nano-Integration
Einsatz von Nanotechnologie in der
Mikrosystemtechnik
SCHRIFTENREIHE
73
www.haute-innovation.com
Projektträger der Technologielinie Hessen-Nanotech
des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Energie,
Verkehr und Landesentwicklung
Die Technologielinie Hessen-Nanotech wird
kofinanziert aus Mitteln der Europäischen Union.

Additive Fertigung_print.indd - Hessen

Transcription

Similar documents

EKM 200 - Rommelsbacher

Das Werkzeug zählt beim Hochleistungsstanzen

FabLab-Technologien - DiMeB

11 - HfbK

121004_Vakuumgießen Materialien.indd

4Tests - Chommle

Neue Innovationsmodelle

Additive Fertigungsverfahren

Aktuelle Nachrichten zum Large Format Printing (LFP)

Nanotechnische Ideen in der Science-Fiction - Hessen

- CERTA Systems GmbH

Firmengemeinschaftsstand Hessen

ABB about 03-2016

Zum Konzept der Unendlichkeit im Mathematikunterricht am

2. Stand von Wissenschaft und Technik

Programm AUSTRIAN 3D-PRINTING FORUM 2016

Berufskennzahlen der Stellenangebote

Ausgabe 01 Januar 2014

HWG_CERAMIC_Stand_April_2010

Hessen-Umwelttech NEWS 1/2016

Datei herunterladen - neue

pdf GSG Golf - Ausgabe 05.2010 - Golf Senioren Gesellschaft