Im letzten Jahrzehnt hat die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, die Art und Weise, wie wir Teile und Produkte entwerfen und herstellen, revolutioniert. Nach BS EN ISO/ASTM 52900 ist die additive Fertigung definiert als der Prozess des Verbindens von Materialien zur Herstellung von Teilen aus 3D-Modelldaten, in der Regel Schicht für Schicht, im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung und zu formativen Fertigungsverfahren. Als Fertigungstechnologie findet sie in verschiedenen Branchensegmenten Anwendung, u. a. in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, im Gesundheitswesen, in der Öl- und Gasindustrie, im Energiesektor, bei der Stromerzeugung, in der Modebranche, im Bauwesen, im Bildungswesen und in der Kreativwirtschaft. Schätzungen zufolge wird der Markt für additive Fertigung im Jahr 2023 ein Volumen von 20,37 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer prognostizierten CAGR von über 20 % in den nächsten zehn Jahren.
Warum sollte man die additive Fertigung nutzen?
In absehbarer Zukunft werden konventionelle Fertigungsmethoden wie Gießen, Schmieden, Zerspanen und Herstellung u. a. weiterhin einen bedeutenden Teil der Herstellungsumgebung ausmachen. Die additive Fertigung hat viele ergänzende Vorteile gegenüber der konventionellen Herstellung und wird zunehmend zu einem wichtigen Werkzeug im Werkzeugkasten eines Ingenieurs. Die additive Fertigung bietet von Natur aus viele Möglichkeiten.
1) Prototypenbau – Aufgrund der werkzeuglosen Natur und der schnellen Fertigungsmöglichkeiten ermöglicht die additive Fertigung Ingenieuren eine schnelle physische Visualisierung und Prüfung von Prototypenteilen. Diese beschleunigte Fähigkeit, Entwürfe zu wiederholen, verkürzt den Entwicklungszyklus neuer Produkte erheblich.
2) Anpassung – Additive Fertigung ermöglicht die Gestaltung und Produktion von Einzelstücken ohne teure Werkzeuge. Vor allem die Gesundheitsbranche profitiert von diesem Ansatz, da einzigartige Patientenimplantate nahtlos erstellt und angepasst werden können.
3) Ersatzteile – In der Ersatzteil- und Dienstleistungsbranche ermöglicht die additive Fertigung die kostengünstige Produktion von Kleinserien und komplexen Teilen mit kurzen Vorlaufzeiten vor Ort, wo diese benötigt werden. Bei der Überalterung von Teilen dient die additive Fertigung als effektive Lösung für das Reverse Engineering und die Beschaffung von Teilen für kritische technische Anlagen, wodurch deren Lebensdauer verlängert wird. Bei Reparaturen und Wartungsarbeiten reduziert die Möglichkeit, Teile bei Bedarf zu beschaffen, den physischen Teilebestand erheblich und ermöglicht es uns, digitale Lagerlösungen einzusetzen.
4) Leistungssteigerung – Additive Fertigung bietet eine beispiellose Designfreiheit, die es Ingenieuren ermöglicht, Teile oder Produkte zu entwickeln, die eine überlegene Leistung und eine Gewichtsreduzierung bieten. Beispiele hierfür sind die Steigerung der Effizienz von Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, die Entwicklung hochkompakter und effizienter Wärmetauscher und die Optimierung konform gekühlter Spritzgussformen. Die additive Fertigung von Spritzgussformen kann zu besseren Produkten, weniger Ausschuss und kürzeren Spritzzykluszeiten führen.
5) Verbesserung der Lebensdauer – Durch die Entwicklung von Teilen, die für bestimmte Arbeitsumgebungen geeignet sind, trägt die additive Fertigung zu einer verbesserten Haltbarkeit bei. Die Teile halten Belastungen, Ermüdung und Verschleiß besser stand. Durch die Integration von Teilen werden Verbindungen und Schnittstellen eliminiert, was zu einer längeren Lebensdauer führt. Die Anpassung von Materialeigenschaften, wie die Verwendung biokompatibler Materialien für medizinische Implantate oder von Hochtemperaturmaterialien für Flugzeugtriebwerke, erhöht die Haltbarkeit zusätzlich.
Branchen revolutionieren: Die transformative Kraft der additiven Fertigung
Die Einführung der additiven Fertigung in verschiedenen Industriezweigen unterstreicht ihre Vielseitigkeit und ihr transformatives Potenzial. Sehen wir uns einige bemerkenswerte Beispiele an:
1) Einzigartige Produkte für die Luft- und Raumfahrt:
- Eines der meistdiskutierten durch additive Fertigung hergestellten Teile in der Luft- und Raumfahrtindustrie ist die LEAP-Kraftstoffdüse von GE. Diese Treibstoffdüse wird mit dem Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren hergestellt, bei dem Pulverschichten aufgebaut werden, um ein 3D-Objekt zu erzeugen. Mit 1000 hergestellten Einheiten pro Jahr erzielt dieses Teil beeindruckende Ergebnisse:
i) ca. 25 % Gewichtsreduzierung
ii) ca. 20 Teile zu einem zusammengefasst - Das ausgeklügelte Design der internen Kanäle und der Verzicht auf Fugen tragen zu einer besseren Haltbarkeit und Leistung bei. Seine Umsetzung gilt als Wendepunkt in der additiven Metallfertigung und der Luft- und Raumfahrtindustrie und ebnet den Weg für eine breitere Anwendung.
2) Ersatzteile für Energie, Öl und Gas:
- Die rechtzeitige Lieferung von Ersatzteilen ist für die Energie-, Öl- und Gasindustrie von entscheidender Bedeutung. Sulzer Ltd., ein Erstausrüster von Industriepumpen, entwickelte eine Lösung für die schnelle Herstellung geschlossener Pumpenlaufräder innerhalb von Tagen (im Vergleich zu Wochen). Ihr Ansatz kombiniert das Beste aus additiver und konventioneller Fertigung:
i) Der Kern des Laufrads wird durch 5-Achsen-Fräsen aus einem Stangenmaterial hergestellt.
ii) Anschließend werden der Mantel und die Schaufeln durch iterative Schritte der Pulver-Laser-Metallabscheidung (LMD) und der Bearbeitung hergestellt. - Mit dieser Methode kann ein geschlossenes Pumpenlaufrad in weniger als 2 Wochen geliefert werden (im Vergleich zu 15-20 Wochen bei herkömmlicher Fertigung). Die bearbeitete Oberfläche der Hydraulikflächen führt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads um bis zu 3 %, was zu erheblichen Einsparungen bei den mit dem Pumpenbetrieb verbundenen Emissionen führt.
3) Biokompatible medizinische Implantate:
- Stryker nutzt die geometrische Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung, um poröse Strukturen zu schaffen, die spongiösen Knochen imitieren. Ihr anteriorer lumbaler Cage (Monterey AL Interbody System) wird aus Titanlegierungspulver mit Hilfe der Laser-Pulverbett-Fusionstechnologie hergestellt. Die knochenähnliche poröse Struktur erleichtert die osteogene Aktivität (Knochenaufbau) und verbessert die Implantatintegration.
4) Flexibilität und Innovation in der Lieferkette:
- Während der Covid-19-Pandemie kam es in verschiedenen Industriezweigen zu kritischen Problemen bei der Ersatzteilversorgung. So hat beispielsweise Sulzer Ltd. in den USA Teile für die erste Stufe der Statorringe der Gasturbine GE Frame 3 für eine kritische Gasturbine mithilfe von additiver Fertigung beschafft. Konventionelle Optionen waren aufgrund der Schließung von Gießereien nicht verfügbar. Diese mit Hilfe von additiver Fertigung hergestellten Teile stellten den fortlaufenden Betrieb der Gasturbine sicher und hielten die kritische Infrastruktur während der Krise am Laufen. Dies verdeutlichte, wie die additive Fertigung für Innovation und Flexibilität in der Lieferkette sorgen kann.
Herausforderungen meistern: Entscheidende Faktoren für die Zukunft der additiven Fertigung
Wie viele andere Branchen steht auch die additive Fertigung bei ihrer vollständigen Umsetzung vor mehreren Herausforderungen. Die Ausschöpfung des vollen Potenzials der additiven Fertigung hängt von der Berücksichtigung der wichtigsten Voraussetzungen für ihre zukünftige Weiterentwicklung ab:
1) Wirtschaftlichkeit – Die für die Einrichtung von additiven Fertigungsverfahren erforderlichen Investitionen können hoch sein, insbesondere wenn man alle Nachbearbeitungsschritte berücksichtigt, die zur Fertigstellung der Teile erforderlich sind. Die Kosten für die in der additiven Fertigung verwendeten Materialien können ebenfalls erheblich sein. Andererseits ist es beruhigend zu sehen, dass die Einführung größerer und schnellerer Maschinen die Gesamtwirtschaftlichkeit der additiven Fertigung verbessert.
2) Verbesserung der Qualifikationslücke – Für das Wachstum der additiven Fertigungsbranche ist die Aus- und Weiterbildung von Fachkräften unerlässlich. Zwar bieten viele Universitäten und Bildungseinrichtungen inzwischen Kurse zum Thema Additive Fertigung an, doch die praktische Erfahrung entspricht noch nicht ganz dem Wachstumspotenzial der Branche.
3) Geistiges Eigentum und Datenschutz – Geistiges Eigentum (IP) und Datenschutz sind nach wie vor heiß diskutierte Themen in der Branche. Aufgrund des digitalen Charakters des additiven Fertigungsverfahrens sind Daten anfällig für Diebstahl oder unbefugte Nutzung. Da die Branche Lösungen wie digitale Lager entwickelt, werden Fortschritte bei der Lösung dieses Problems erzielt. Bei der additiven Fertigung fallen während der Herstellung auch eine beträchtliche Anzahl digitaler Dateien an, die eine sinnvolle Datenanalyse und -speicherung erfordern. Maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz werden zunehmend eingesetzt, um diese Herausforderung zu bewältigen.
4) Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Harmonisierung – Die Skalierung von additiven Fertigungsverfahren von der Kleinserienfertigung auf größere Stückzahlen ist derzeit aufgrund von Problemen bei der Übertragbarkeit der Verfahren eine Herausforderung. Das Bestreben der Branche, sich mit additiven Fertigungsmaschinen von der Konkurrenz abzuheben, hat zu Problemen bei der Übertragbarkeit von Prozessen und zu einer mangelnden Standardisierung geführt. Die Harmonisierung zwischen verschiedenen Originalgeräteherstellern (OEMs) ist entscheidend, um den Aufwand für die Übertragung und Skalierung von additiven Fertigungsverfahren zu reduzieren. Obwohl es sich bei den Maschinen für die additive Fertigung um komplexe Systeme handelt, verbessern sich ihre Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit allmählich, bleiben aber hinter den konventionellen Verfahren zurück.
5) Rechtlicher Rahmen – Frühanwender der additiven Fertigung, wie die Luft- und Raumfahrtindustrie, haben bei der Entwicklung von Standards und Zertifizierungsrahmen für additiv gefertigte Teile und Produkte erhebliche Fortschritte erzielt. Internationale Standardisierungsgremien arbeiten aktiv daran, Lücken zu schließen. Anwendern von additiver Fertigung stehen derzeit mehrere Standards zur Verfügung, die verschiedene Aspekte der Herstellung und Zertifizierung von additiv gefertigten Teilen abdecken. Der AMT/8-Ausschuss von BSI hat in Zusammenarbeit mit ASTM und ISO die Entwicklung mehrerer Standards vorangetrieben. Zu den wichtigsten veröffentlichten Standards gehören unter anderem:
- BS EN ISO/ASTM 52900 - Terminologie für die additive Fertigung – Allgemeine Grundsätze – Terminologie
- BS EN ISO/ASTM 52901 - Standardleitfaden für die additive Fertigung - Allgemeine Grundsätze - Anforderungen für zugekaufte Teile aus additiver Fertigung
- BS EN ISO/ASTM 52904 - Additive Fertigung - Prozessmerkmale und Leistung: Praxis für Metallpulverbettschmelzverfahren für kritische Anwendungen
- BS EN ISO/ASTM 52925 - Additive Fertigung von Polymeren - Ausgangsmaterialien - Qualifizierung von Materialien für das laserbasierte Pulverbettschmelzen von Teilen
- BS EN ASTM ISO/ASTM 52911 series - Additive Fertigung - Entwurf -Laserbasiertes Pulverbettschmelzen von Metall- und Polymerwerkstoffen
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die additive Fertigung kurz davor steht, die Herstellungsbranche zu revolutionieren, indem sie beispiellose Möglichkeiten für Innovation, Anpassung und Nachhaltigkeit bietet. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, sind jedoch gemeinsame Anstrengungen erforderlich, um technische, wirtschaftliche und regulatorische Herausforderungen zu bewältigen und gleichzeitig eine Kultur der Innovation und Zusammenarbeit über Branchengrenzen hinweg zu fördern.
