Additive Fertigung: Die Zukunft der Produktion?

 

Additive Fertigung ist eine innovative Technologie in der Produktionslandschaft, die Objekte durch schichtweisen Aufbau kreiert. Ursprünglich entwickelt wurde dieses Verfahren 1986 mit der Einführung der Stereolithografie, die flüssigen Kunststoff mittels Laserstrahlen in feste Formen überführt. Seither hat sich die Additive Fertigung rapide weiterentwickelt und umfasst mittlerweile eine Vielzahl von Verfahren und Materialien, die sowohl in der Prototypenentwicklung als auch in der Serienproduktion Anwendung finden.

Additive Fertigung fasst eine Gruppe von Produktionsverfahren zusammen, die Materialien schichtweise auftragen, um dreidimensionale Objekte zu erschaffen. Dieser Prozess, auch bekannt als 3D-Druck oder im Englischen als „additive manufacturing", erfolgt unter computergestützter Steuerung, wobei digitale Vorlagen die genauen Maße und Formen der zu erstellenden Objekte vorgeben. Die Technik nutzt diverse Materialien, darunter flüssige und feste Stoffe, die durch physikalische oder chemische Prozesse gehärtet oder geschmolzen werden. Zu den typischen Materialien zählen Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle, im Bauwesen auch Beton, während in neueren Anwendungen vermehrt Biomaterialien Verwendung finden.

Ein signifikanter Unterschied zu traditionellen Fertigungsverfahren ist das Fehlen spezifischer Werkzeuge, die die Form des herzustellenden Gegenstands vorgeben, wie dies bei Gießverfahren der Fall ist. Stattdessen erlaubt die additive Fertigung eine flexible und schnelle Produktion von Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Ihre Anwendungsbereiche erstrecken sich von der Industrie über den Modellbau bis hin zur Forschung, wobei sie auch zur Reparatur oder Ergänzung existierender Produkte eingesetzt wird.

Die Additive Fertigung bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, von der Erstellung von Prototypen bis hin zu Endprodukten und Werkzeugen. Rapid Prototyping ermöglicht die schnelle und kostengünstige Fertigung von Prototypen, die zwar nicht perfekt sein müssen, aber dazu dienen, Design und Funktionalität zu veranschaulichen und zu testen. Dies trägt dazu bei, die Entwicklungszeiten signifikant zu verkürzen.

Im Bereich des Rapid Tooling ermöglicht die additive Fertigung die Produktion von Werkzeugen und Fertigungshilfsmitteln. Insbesondere im Formenbau, beispielsweise für Spritzgussteile, wird diese Technologie immer häufiger verwendet. Die Vorteile liegen in der Komplexitätsreduktion des Werkzeugbaus und den damit verbundenen Kosten- und Zeiteinsparungen. Die additive Fertigung bietet erhebliche Konstruktionsfreiheiten und ermöglicht eine effiziente Integration von Funktionen, was zu kürzeren Produktionsprozessen und geringerem Materialverbrauch führt.

Rapid Repair verwendet die additive Fertigung zur Reparatur beschädigter Werkzeuge oder Objekte, wobei der Neuaufbau oft kostengünstiger ist als eine komplette Neuherstellung. Diese Technik bietet eine schnelle Lösung zur Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit.

Schließlich ermöglichen die Verfahren Rapid und Direct Manufacturing die schnelle Entwicklung und Herstellung von Endprodukten. Der Fokus liegt dabei auf der Beschleunigung des gesamten Produktionsprozesses, von der Entwicklung bis zur Fertigung.

Im Gegensatz zur substraktiven Fertigung, bei der Material durch Zerspanen aus einem Block entfernt wird, baut die additive Fertigung das Werkstück schichtweise auf. Diese Methode führt zu einer effizienteren Materialverwendung, da nahezu nur so viel Rohstoff eingesetzt wird, wie für das Endprodukt benötigt ist. Trotz geringer Reststoffmengen, die bei diesem Prozess anfallen, bietet sie gegenüber der herkömmlichen Bearbeitung erhebliche Vorteile.

Ein wesentlicher Vorzug der additiven Fertigung ist die Möglichkeit, Produkte exakt auf individuelle Bedürfnisse zuzuschneiden. Ein Beispiel hierfür sind maßgeschneiderte Herzklappen, die spezifisch an die anatomischen Gegebenheiten eines jeden Patienten angepasst werden können. Diese kundenorientierte Produktion ist oftmals nicht nur kosteneffizienter, sondern auch schneller, was zu kürzeren Prozessketten führt. Während traditionelle Herstellungsprozesse Tage oder Wochen in Anspruch nehmen können, ermöglicht die additive Fertigung eine deutlich schnellere Lösungsumsetzung.

Zusammenfassend lassen sich die Vorteile der additiven Fertigung in vier Schlüsselbegriffen darstellen: Geschwindigkeit, Individualisierung, Materialersparnis und die Fähigkeit, komplexe Geometrien herzustellen.

Die additive Fertigung weist spezifische Herausforderungen auf, insbesondere in Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit der hergestellten Teile. Bauteile, die schichtweise aufgebaut werden, erreichen oft nicht die gewünschte Oberflächengüte, besonders wenn sie aus Metall sind. Die Nachbearbeitung solcher Teile kann recht aufwendig und kostenintensiv sein.

Ein weiteres Problem ist die Integration der additiven Fertigung in die Massenproduktion. Aktuell ist es oftmals nicht möglich, Produkte in großen Mengen effizient herzustellen, da der Druckprozess in der Regel zeitaufwendig und kostspielig ist. Obwohl es Bauteile gibt, bei denen sich die additive Fertigung aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften lohnt und diese sogar während ihrer Nutzungsdauer Treibstoff einsparen können, bleibt die Herausforderung der Skalierbarkeit bestehen. Solche Vorteile finden sich vor allem im Automobil- und Flugzeugbau.

Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von Objekten, die mit traditionellen Methoden nur schwer oder gar nicht realisierbar wären. Dazu zählen medizinische Implantate, Zahnkronen und -brücken, Wärmetauscher mit feinen Gitterstrukturen, die Beschichtung und Reparatur von Verschleißteilen, Maschinen- und Fertigungswerkzeuge, Leichtbaukomponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie das Bioprinting von lebendigem Gewebe. Selbst der Bau von Häusern oder einzelnen Bauteilen wird durch diese Technologie revolutioniert.

Diese Anwendungsfälle illustrieren das breite Spektrum der additiven Fertigung und unterstreichen, dass sie in nahezu allen Bereichen Anwendung finden kann. Insbesondere die Fähigkeit, flexiblere und individuellere Produkte zu erstellen, die weniger Material verbrauchen und Abfall produzieren, sowie die Beschleunigung von Entwicklungs- und Produktionsprozessen sind entscheidende Vorteile.

 

Ein besonders zukunftsweisender Bereich ist das Bioprinting. Forscher der Universität Tel Aviv haben bereits ein menschliches Herz in nur drei Stunden gedruckt, das alle notwendigen Zellen enthält, auch wenn es derzeit nur 2,5 cm groß ist. Hier besteht noch erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um ein vollständiges, transplantierbares menschliches Herz herstellen zu können. Solche Fortschritte könnten die Probleme mit dem Mangel an Organspenden erheblich mindern.

In der Zahnmedizin, einem weiteren Pionierbereich der additiven Fertigung, lassen sich präzise Geometrien erzeugen, die genau auf die Bedürfnisse der Patienten abgestimmt sind. Materialverbrauch und Produktionszeit sind dabei deutlich reduziert. Zum Beispiel kann ein Zahntechniker, der üblicherweise in drei Stunden sechs Zahneinheiten fertigt, mit einem 3D-Drucker 70 Teile in der gleichen Zeit produzieren.

Die Logistik erkennt ebenfalls die Vorteile dieser Technologie und könnte durch den Einsatz leistungsfähiger 3D-Drucker die Notwendigkeit langer Transportwege eliminieren, was zusätzlich der Umwelt zugutekommt. Da die additive Fertigung an Bedeutung gewinnt, steigt laut den Ökonomen von Wirtschaftsnagivator auch der Bedarf an entsprechend geschulten Fachkräften. Der Arbeitsmarkt wird zunehmend Jobs für Experten in diesem Bereich bieten, wobei auch Quereinsteiger, die bereit sind, sich weiterzubilden, gefragt sind.