3D-Druck

Unter 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, versteht man Verfahren zur Fertigung von Bauteilen durch schichtweisen Auftrag von Material aus formlosem Rohstoff. So wie man ein Schriftstück mithilfe eines Druckers ausdrucken kann, lassen sich mit einem 3D-Drucker also auch dreidimensionale Gegenstände anhand eines 3D-Modells „drucken“. [1]

Was kann man drucken?

Der Technologie sind scheinbar keine Grenzen gesetzt. Durch den schichtweisen Auftrag des Materials, kann je nach Fertigungsverfahren theoretisch in beliebiger Form gefertigt werden.

Hauptanwendungsgebiete sind das Rapid Prototyping, also das Erstellen eines Prototypen oder Musters, und das Rapid Manufacturing – die Herstellung von fertigen Produkten oder Bauteilen.

Auch die verarbeitbaren Materialien sind von erstaunlicher Vielfalt. Neben Kunststoffen und Metallen können auch Keramiken, Beton, Carbon, Lebensmittel und Biomaterialien zum Einsatz kommen. Weitere Materialien werden von Forschern fortlaufend erschlossen. [1, 2]

Welches Potenzial steckt im 3D-Druck?

Zwischen den Jahren 2019 und 2023 wird der Markt für 3D-Druck um etwa 18,2% bis 27,2% jährlich wachsen und weist damit eine jährliche Durchschnittsrate von 23,5% auf. Auch Investitionen im 3D-Druckmarkt scheinen rapide anzusteigen. Allein zwischen 2016 und 2017 stieg die Risikokapitalfinanzierung um 86% an. Im Jahr 2018 überstiegen die VC-Finanzierungen für Start-Ups im Bereich 3D-Druck  300 Millionen US-Dollar. [4]

Die Möglichkeit, Teile aller denkbaren Geometrien aus einer nahezu unerschöpflichen Bandbreite an Materialien in beliebiger Stückzahl ohne produktbezogene Werkzeuge herzustellen, kann bisherige Produktionsmuster und etablierte Geschäftsmodelle aufbrechen bzw. ganz neuen Geschäftsmodelle hervorbringen. Das Drucken von Ersatzteilen nach Bedarf birgt enorme Zeitvorteile und kann darüber die Logistik entlasten. [1]

 

 

 

 

Der weltweite Markt im 3D-Druck wird in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich zwischen 18,2% und 27,2% wachsen. 

Quelle: The Additive Report

Was sind die Anwendungsfelder?

Generell lässt sich sagen: Es gibt keine Branche, für die der 3D-Druck nicht relevant ist. Die Einsatzfelder sind bereits beachtlich, werden aber Tag für Tag erweitert. Von der Automobil- und Luftfahrtindustrie mit ihrer Anforderung der Leichtbauweise über die Medizintechnik und Architektur bis hin zur Spielzeug- und Konsumgüterindustrie, Kunst und Kultur und weit darüber hinaus reichen die Anwendungsfelder der additiven Fertigung. [1, 2, 3]

Die Herstellung von Ersatzteilen birgt auch in der Automobilindustrie großes Potenzial. In Australien wurde für einen Oldtimer ein nicht mehr erneuerbarer bzw. in der Reparatur nahezu unbezahlbarer Motor mithilfe von 3D-Scanner und 3D-Drucker wieder fahrtüchtig gemacht. [5] Der McLaren P1 wurde jüngst mit Titanrädern aus dem 3D-Drucker bestückt. Diese sind nicht nur leichter als die Originalteile, sondern verringerten auch die Materialverschwendung bei der Herstellung im Vergleich zum Fräsvorgang um 80%. [6]  

Beispiele : 

Gerade der Leichtbau ist ein entscheidender Faktor im FLugzeugbau. Flugzeugen müssen heutzutage leicht und stabil sein. Leichtbau ist gerade durch additive Fertigung einfach umzusetzen. Sobald das Gewicht der einzelnen Bauteile reduziert wird, kann der Betreiber Treibstoff einsparen und gleichzeitig die Zuladung. steigern. [7]

Beispiele:  

  • Landeklappenführung aus Titan im Airbus A350XWB 
  • Bionisch optimierte Bauteile (z.B. Armlehnen)
  • Hydraulikkomponenten, Eisdetektorensonden
  • Roboter für unbemannte Weltraummissionen
  • Drohnen
  • Zukünftig: Hochgeschwindigkeitsturbinenschaufeln

Beispiele: 

  • Prostata-Attrape 
  • Implantate (künstliche Kniegelenke, Kreuzbänder, Kieferimplantate, Teile vom Beckenknochen)
  • Prothesen & Orthesen
  • Modelle zur Vorbereitung von chirurgischen Eingriffen
  • 3D-gedruckte Oberflächen
  • Zukünftiges Ziel: funktionsfähige Organe herzustellen

 

D3D-Druck in Zeiten der Corona Krise

Während der Corona Krise steht vor allem das Gesundheitssystem vor großen Herausforderungen. Neben personellen Kapazitäten ist es vermehrt die Materialversorgung mit Verbrauchsgegenständen, wie bspw. Masken oder Gesichts- und Augenschutz, welche eine kritische Rolle einnehmen. 

Abhilfe schafft der 3D-Druck. Die additive Fertigung erlaubt eine schnelle und flexible Produktion, womit in kurzen Vorlaufzeiten dringend benötigte Komponenten angefertigt werden können. Auch die EU-Kommission hat einen Aufruf gestartet, dringend benötigtes Zubehör auch per 3D-Druck herzustellen. [8][9] 

Wie genau dies aussehen kann zeigen die aufgeführten Beispiele. 

Chirurgischer Maskenriemen

Ein 12-jähriger Junge aus Maple Ridge BC in Kanada hat eine Art „Ohrenschutz“ entwickelt, um damit Pflegepersonal das stundenlange Tragen von Atemschutzmasken zu erleichtern. Die Vorlage ist hier frei verfügbar und kann von jedem mit einem 3D-Drucker selbst erstellt werden.

Gesichtsschilder für medizinisches Personal

In Dresden hat sich der Forschungsverbund Dresden-concept mit dem Biotechnologie-Verband Biosaxony e.V. zusammengetan um Gesichtsschilder für medizinisches Personal herzustellen. Auch diese modifizierten 3D-Druckdaten stehen über den Internetauftritt der beiden Einrichtungen kostenlos zur Verfügung. 

Schutzmasken für Halle

Mitarbeiter der Kunsthochschule Burg Giebichenstein sind dabei  Mundschutze im 3D-Drucker herzustellen. Die  Masken werden vom Fraunhofer Institut geprüft und im Anschluss der Stadt kostenfrei zur Verfügung gestellt. Auch mit anderen Herstellverfahren sollen zeitnah Masken hergestellt werden. Hier erfahren Sie mehr.  

Türöffner

Ein 26-jähriger aus Neuss im Rheinland hat ein Werkzeug entwickelt, welches dabei hilft, direkten Berührungskontakt zu Türklinken, Klingelknöpfen und anderen Oberflächen zu vermeiden. Der sogenannten „Porz hook“ sieht ein wenig wie ein Flaschenöffner aus und die Designvorlage kann kostenlos runterladen werden.

Ausblick

Der 3D-Druck steckt noch in seinen Kinderschuhen, bietet aber bereits zahlreiche Möglichkeiten, Produktionsstrukturen zu überdenken oder zu unterstützen. Die rasante Entwicklung der Technologie lässt für die Zukunft noch viele neue Anwendungsfelder erwarten. Insbesondere die Möglichkeit, verschiedene Materialien in einem Druckvorgang zu verarbeiten, birgt noch Potenzial für weitaus tiefergreifendere Änderungen der Produktion.

Aufgrund der stetig wachsenden Anzahl an verfügbaren Maschinen und Materialien ist der 3D-Druck-Markt im ständigen Wachstum und Wandel. Diejenigen Bauteile zu identifizieren, die wirtschaftlich und technisch sinnvoll additiv gefertigt werden können, stellt eine Herausforderung für alle Unternehmen dar. Der eigenen Kreativität sind Dank der möglichen Komplexität und der Designfreiheit aber kaum Grenzen gesetzt. Ein entscheidender Faktor wird daher auch die Bereitschaft sein, sich mit dem Thema zu befassen und offen zu sein für externe Hilfe in Form von Know-how, Dienstleistungen oder Beratung. [1, 3]

Projekte und Einrichtungen der KAT-Hochschulen

Einrichtungen an der HS-Anhalt: 
Die Hochschule Anhalt verfügt in ihrem SpaceLab über aktuell 3 FDM-Drucker unterschiedlicher Größe sowie einen Stereolithosgrafie-Drucker. Die Bauräume reichen von ca. 230 Kubikzentimetern bis einem Kubikmeter. Die Drucker werden überwiegend für studentische Arbeiten im Fachbereich Design genutzt.
Zusätzlich stehen in einer 3D-Werkstatt Workstations zur 3D-Modellierung & Visualisierung durch AR & VR – Brillen, Verknüpfung zu mobilen Endgeräten, 3D-Drucker, 3D-Scanner und 360° Kameras für Anwendungen im Bereich der Landschaftsarchitektur zur Verfügung.

Studentisches Projekt aus dem Bereich der Lebensmitteltechnik: 
Beschaffung und Inbetriebnahme eines Lebensmittel 3D-Druckers 

Es wurden Möglichkeiten des 3D-Drucks von Lebensmitteln eruirt. Dabei entstand die Konzeption von Ideen und Planung der Versuche mit dem Gerät „Procusini“ der Firma Print2Taste GmbH.

Mehr Informationen zum Projekt hier

Welche Experten gibt es im KAT-Netzwerk?

  • Dietmar Glatz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Hochschule Merseburg
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Kontaktieren Sie uns.

Quellen:

[1] Gebhardt, A.; Kessler, J.; Thurn, L.: 3D-Drucken. Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM). 2., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. München: Hanser 2016.

[2] Fastermann, P.: 3D-Druck/Rapid Prototyping. Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg 2012.

[3] Fischer, A.; Gebauer, S.; Khavkin, E.: 3D-Druck im Unternehmen. Entscheidungsmodelle, Best Practices und Anwendungsbeispiele. Am Beispiel Fused Layer Modeling (FLM). München: Hanser 2018.

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