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Industrieller 3D-Druck bzw. die additive Fertigung - ein kurzer Überblick

Wo in früheren Zeiten Werkzeuge und Bauteile geschmiedet oder gegossen wurden, werden sie mittlerweile oft "einfach" gedruckt. Prototypen, Einzelanfertigungen aber auch bereits kleine Serien werden mit Metall 3D-Druckern oder Polymer- bzw. Keramikdruckern hergestellt. Die Bandbreite reicht von A wie Autoteilen, über medizinische Teile wie Hüftgelenke, individuelle Prothesen oder Zahnersatz, Teile für den Flugzeug- oder auch den Turbinenbau etc. bis hin zu Z wie Ersatzteile für Züge, die vom Ursprungshersteller nicht mehr gefertigt werden. Sogar Lebensmittel lassen sich mit 3D-Druckern ausdrucken, wobei der oft in den Köpfen herum spukende Replikator aus dem Star Trek Universum noch nicht Realität ist.

3D-Druck, wie auch die Additive Fertigung bzw. Additive Manufacturing (AM), sind Oberbegriffe für verschiedene Fertigungsverfahren wie z.B. das Selektive Lasersintern, die Schmelzschichtung oder die Stereolithografie.

Ein Wachstum von rund 14% und höher wird von verschiedenen Analysten wie z.B. Technavio und Reports and Data für den Markt an Materialien, 3D-Druckern und Dienstleistungen zur additiven Fertigung von Teilen (vor allem bei Metall 3D-Druck, aber auch bei Polymeren, Keramiken und weiteren Stoffen) vorhergesagt. Nicht selten wird im Zusammenhang mit der additiven Fertigung bzw. dem 3D-Druck von einer neuen industriellen Revolution bzw. von einer disruptiven Technologie gesprochen.

 

Additive Fertigung - Additive Manufacturing (AM)

Bei der additiven Fertigung wird durch das schichtweise Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material inkl. der jeweils notwendigen Härtungs- oder Schmelzprozesse eine Geometrie erzeugt. Es werden keine speziellen Gussformen oder andere Werkzeuge benötigt. Die Geometrie entsteht aus den 3D CAD Modelldaten. Das Verfahren kann dazu genutzt werden, praktisch beliebig komplexe Strukturen zu entwerfen. Bauteile können entsprechend der jeweiligen Funktion gestaltet werden ohne Rücksicht auf Herstellungseinschränkungen beim Fräsen etc. nehmen zu müssen. So lassen sich beispielsweise Baugruppen, die vorher aus zahlreichen Einzelteilen zusammengesetzt werden mussten, auf ein einziges Teil, das im Ganzen ausgedruckt wird, reduzieren. Für den 3D-Druck können auch unterschiedliche Materialien in einem Druckprozess verwendet werden.

Ein kritischer Faktor bei der additiven Fertigung ist die Zeit für den Druck selbst. Daher sind für größere Serien viele 3D Drucker erforderlich und diese nehmen entsprechenden Platz ein und kosten Geld bzw. weitere Ressourcen.

Interner oder externer 3D-Druck - oder hybrid?

Die Additive Fertigung lässt verschiedene Möglichkeiten zu. Diese Möglichkeiten variieren je nach Anforderung bzw. Projekt. Beim 3D-Druck im eigenen Haus müssen Sie Anschaffungskosten, Verbrauchs- und Arbeitskosten sowie die passenden Räumlichkeiten berücksichtigen. Dies amortisiert sich am ehesten, wenn Sie ein Konzept verfolgen, das den Druck mit nur einem bestimmten Material bzw. Verfahren vorsieht und Sie zudem in der Regel eine ganz bestimmte Art von Teilen drucken wollen.

Eine Vergabe des 3D-Drucks außer Haus ist meist von Vorteil, wenn Sie mit verschiedenen Materialien und sehr unterschiedlichen Teilen arbeiten wollen. Eine hybride Lösung verbindet die Vorteile beider Möglichkeiten. Drucken Sie Ihre häufigsten Teile selbst und vergeben Sie einzelne Druckteile nach außen.

Welche Vorteile bietet der 3D-Druck?

3D-Druck bzw. die additive Fertigung kann eine ganze Reihe von Vorteilen bieten und neue Geschäftsmodelle erschließen. Mit der additiven Fertigung geht in der Regel eine weitgehende Optimierung und Digitalisierung der gesamten Unternehmensprozesse einher.

Zu den Vorteilen der additiven Fertigung zählen unter anderen:

  • Verkürztes Time-to-Market durch verkürzte Produktentwicklungszyklen
  • Kosteneinsparungen beim Werkzeugbau, der Entwicklung und Fertigung
  • Reduzierung der Lagerbestände, des Logistikaufwands und der Logistikkosten
  • Reduzierung von Einzelteilen in Baugruppen
  • Optimierung des Ersatzteilgeschäfts (Produktion on demand)
  • Innovation von Produkten mit komplexer Gestaltung, hohe Konstruktionsfreiheit
  • Gewichtseinsparungen bei Bauteilen durch komplexe Gestaltung (Leichtbauweise)
  • Abfallvermeidung
  • individuelle Einzelanfertigungen

 

Software für Additive Manufacturing (AM)

Für den 3D-Druck werden entsprechend Teile in einer 3D CAD Software entworfen. Hierbei wird beim Design bereits auf optimierte Oberflächen usw. geachtet. Der Designprozess ist nach wie vor die Grundlage für eine erfolgreiche additive Fertigung. Bereits während des Designprozesses werden die Objekte optimiert und es finden Simulationen statt. 

Die "normalen" Daten des 3D-Modells reichen nicht aus, um sofort auf "Print" zu klicken und diesen Entwurf einfach auszudrucken. Was bei einer 2D-Zeichnung bzw. Plan noch relativ einfach und schnell aus einem Plotter kommt, geht mit 3D Druck nicht "mal eben". Die Objekte müssen mit entsprechenden Schichtdaten für den Druck versehen werden.

Die notwendige Softwarelösungen umfassen u.a. Funktionen für die Positionierung, für Modifikationen, für die Optimierung, die Simulation, für die automatische Kollisionserkennung, die Analyse und z.B. auch für die Programmierung von Nachbearbeitungsschritten.

In der Regel bilden die verschiedenen Lösungen auch einen Workflow für den AM Betrieb an. MES-Software stellt u.a. die benötigte Maschinenkonnektivität sicher. Hier werden dann das Anforderungsmanagement bis hin zur Produktionsplanung abgebildet.

Außer der CAD Konstruktionssoftware bzw. CAD / CAM Lösungen wird beispielsweise auch Software benötigt, die das Monitoring und die Qualitätssicherung sicherstellt. Die je nach Druckverfahren eingesetzten Werkstoffe müssen ebenso kontrolliert werden und einer vorgegebenen Qualität entsprechen, wie die Prozesse und das fertige Teil selbst.

Bei den Softwarelösungen gibt es solche, die sich mit gängigen CAD / CAM Lösungen kombinieren lassen wie z.B. Datenvorbereitungsprogramme, aber auch sogenannte All-in-One-Lösungen, mit denen (fast) die komplette additive Fertigung abgebildet werden kann. 

Fazit:

Der industrielle 3D-Druck wird das Design und die Fertigung weiter verändern. Von Prototypen über Ersatzteilfertigung und kleine Serien wird die additive Fertigung in vielen Branchen zum Alltag auch bei der Serienfertigung werden. So vielfältig wie die Druckmöglichkeiten sind die unterschiedlichen Softwarelösungen, die für die additive Fertigung benötigt bzw. eingesetzt werden.

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Auszug aus der SoftGuide Marktübersicht:
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