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Industrie 4.0 Schlüsseltechnologie 3D-Druck auf dem Vormarsch

Im Rahmen der Digitalisierung der industriellen Produktion, der sogenannten Industrie 4.0, zählt der 3D-Druck zweifelsohne zu den Schlüsseltechnologien. Laut einer Umfrage des Digitalverbandes Bitkom setzen heute bereits 44 Prozent der Industrieunternehmen in Deutschland auf den 3D-Druck, um beispielsweise Prototypen, Modelle, spezielle Werkzeuge oder Ersatzteile zu herzustellen. Zudem planen oder diskutieren etwa 42 Prozent den Einsatz. Fast 80 Prozent der befragten Unternehmen gaben an, dass die sogenannten „additiven Fertigungsmethoden“ ihre Geschäftsmodelle und Wertschöpfungsketten tiefgreifend verändern werden.

Was bedeutet 3D-Druck?

3D Drucker
Durch den 3D-Druck können kostengünstig und flexibel Werkzeuge, Ersatzteile und Modelle realisiert werden, Foto: ZMorph3D / pixabay

Bei herkömmlichen Produktionsverfahren werden Gegenstände vor allem durch subtraktive Bearbeitung, also das Abtragen von Material durch drehen, fräsen, bohren oder schleifen eines Werkstoffes wie Metall oder Holz geschaffen. Im Gegensatz dazu stehen die additiven Produktionsverfahren, bei denen der Werkstoff computergesteuert schichtweise aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Werkstück zu erzeugen. Daher hat sich für diese Fertigungsmethode inzwischen der Begriff 3D-Druck etabliert.

Unterschiedliche 3D-Druck-Technologien

Bei additiven Fertigungsmethoden kommen physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse sowie flüssige oder feste Werkstoffen zum Einsatz, weswegen in verschiedene dreidimensionalen Druckverfahren zu unterscheiden ist. Zu den meistgenutzten 3D-Druck-Technologien im Jahr 2021 zählten laut Statista das Fused Dpeosition Modeling (FDM), gefolgt von Selective Laser Sintering (SLS), Stereolithography (SLA), Digital Light Processing (DLP) sowie Multi Jet Fusion. Diese und weitere Technologien kommen in zahlreichen unterschiedlichen Branchen zum Einsatz. Neben der Automobilindustrie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, dem Maschinenbau, Medizin und Forschung, der Architektur, oder der Lebensmittelindustrie.

Auch Düsseldorfer Unternehmen gestalten die Entwicklung dieser Schlüsseltechnologie mit. So beispielsweise Henkel mit einem europäischen Zentrum für 3D-Druck-Technologie oder der österreichische Stahlkonzern Voestalpine, der in Düsseldorf den Metall 3D-Druck erforscht.

Vorteile des 3D-Drucks

Die Vorteile der additiven Fertigungsmethoden liegen auf der Hand: neben den niedrigeren Produktionskosten ist vor allem die deutlich erhöhte Flexibilität in der Herstellung zu nennen. Zudem kann der 3D-Druck globale Lieferketten entlasten, da benötigte Güter direkt vor Ort hergestellt werden können. Dies gewinnt vor allem im Rückblick auf die Einrschänkungen in der Corona-Pandemie an Bedeutung. Des Weiteren sind Dank der weitgehenden Konstruktionsfreiheit komplexe Geometrien, Hinterschneidungen, innenliegende Hohlräume und Kühlkanäle problemlos umsetzbar, die bei herkömmlichen Produktionsverfahren wie dem Spritzguss nicht realisierbar wären.

Beispiel Selektives Lasersintern

Das selektive Lasersintern ist ein generatives Schichtbauverfahren, bei dem das Werkstück aus einem Kunststoff- Metall- oder Keramikpulver aufgebaut wird. Dabei kommen Laserstrahlen zum Einsatz, durch die komplexe dreidimensionale Geometrien aus dem Werkstoff erzeugt werden können. Um die Produktion zu starten, müssen lediglich die Geometriedaten des gewünschten Produktes als dreidimensionales CAD-Modell vorliegen, das in Schichtdaten gegliedert ist. Mit diesen Daten kann der SLS-Drucker seine Arbeit beginnen und das Werkstück Schicht für Schicht auf eine Bauplattform auftragen.

Von Prototypen bis zur Serienproduktion

Auf diese Weise lassen sich binnen kürzester Zeit beliebige Einzelstücke oder auch Kleinserien erzeugen. Vor allem entwicklungsbegleitend ist das SLS-Verfahren für Kunststoffprodukte von Vorteil. Schnell entstehen Prototypen, anhand derer unter Realbedingungen getestet werden kann, wie sich ein Produkt verhält und wo gegebenenfalls nachoptimiert werden muss. Änderungen können in einem solchen Fall ohne großen Aufwand im CAD-Programm umgesetzt werden, so dass erneut ein angepasster Prototyp gedruckt werden kann.

Dabei stellt sich vielen Unternehmen jedoch die Frage, welche Investitionen notwendig sind, um ein solches Verfahren anzuwenden. Neben dem notwendigen SLS-Drucker und dem Druckmaterial, Filament genannt, weden vor allem Software und entsprechend geschultes Personal benötigt. Daher ist es je nach Anforderung und Produktionsumfang sinnvoll, diesen Bereich einem spezialisierten Outsourcing-Partner für das selektive Lasersintern anzuvertrauen. Dort realisieren Spezialisten mit viel Erfahrung und modernsten Druckmaschinen die gewünschte Druckidee. Soll zudem im Anschluss an den Druck eine Komponente mit bestimmten Eigenschaften ausgestattet werden, die nur im Rahmen einer Nachbearbeitung möglich sind, eignen sich auch hier externe Services. Denn diese verfügen in der Regel über die notwendigen Bearbeitungstools und Veredelungsoptionen.

Wie verhilft man dem 3D-Druck zum endgültigen Durchbruch?

Der 3D-Druck befindet sich in Deutschland bereits auf einem guten Weg. Jedoch benötogt die Technologie nach Einschätzung des Digitalverbandes Bitkom eine gezielte Förderung durch die Politik. So wird etwa die Beschleunigung von Zulassungsverfahren gefordert, um mit dem Tempo der Innovatoren mithalten zu können. Zudem muss die Vermittlung von entsprechendem Know-how vorangetrieben werden, um die Integration der 3D-Druck-Technologien weiter zu steigern. Laut Bitkom-Präsident Achim Berg kommt es zudem darauf an, Deutschland bei der additiven Fertigung international wettbewerbsfähig zu halten. Er mahnt, dass insbesondere kleine und mittlere Unternehmen bei der Einführung des 3D-Drucks gefördert und unterstützt werden sollten.

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