Einsteigerguide-3D Ist Additive Fertigung immer die richtige Lösung?

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3D-Einsteiger fühlen sich oft wie vor einem Sprung in kaltes Wasser. Im Einsteigerguide-3D erklärt Neil Ballinger von EU Automation, welche Aspekte unbedingt zu beachten sind, damit das Wasser für neue AM-Anwender etwas wärmer wird.

Da additive Fertigung immer erschwinglicher wird, investieren mehr Hersteller in 3D-Drucker, um hochqualitative, kundenspezifische Teile schneller und effizienter fertigen zu können. AM ermöglicht Designern und Herstellern außerdem mehr Flexibilität bei der Einzelfertigung von Einzelstücken mit komplexer Geometrie, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nicht angefertigt werden könnten. Allerdings kann diese Technologie andere Prozesse nicht vollständig ersetzen, und Unternehmen sollten sämtliche Vor- und Nachteile des 3D-Drucks bedenken, damit sie einschätzen können, ob AM sie bei der Schaffung optimaler Produkte unterstützen kann. Im folgenden Einsteigerguide werden die wichtigsten Aspekte der additiven Fertigung für 3D-Einsteiger betrachtet.

Qualität

Rapid Prototyping, also die rasche Entwicklung und Herstellung von Prototypen, ist einer der bedeutendsten Vorteile der 3D-Druck-Technologie. Konstruktionstechniker können Software nutzen, um kundenspezifische Prototypen rasch zu entwerfen, herzustellen und zu testen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das fragliche Bauteil so effizient wie möglich ist, anstatt dafür Material für mehrere Prototypen zu verschwenden.

Um jedoch zu gewährleisten, dass gedruckte Teile den Qualitätsstandards entsprechen, müssen Hersteller bei der Auswahl der verwendeten Materialien sorgfältig auf deren Qualität achten. So können zum Beispiel Partikel aus der Umgebung das zum Drucken verwendete Pulver verunreinigen, was die Eigenschaften des erzeugten Teils verändert und dessen Gesamteffizienz reduziert.

Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen, beispielsweise bei der Fertigung von Flugzeugteilen oder Medizinprodukten, hat die Reduzierung des Kontaminationsrisikos oberste Priorität. Techniker können Computertomographie-Scans (CT) nutzen, um sicherzustellen, dass in solchen Anwendungen eingesetzte Teile nicht kontaminiert sind. CT-Scanner erzeugen hunderte Röntgenbilder, aus denen ein extrem informationsreiches 3D-Bild mit hochpräziser Darstellung der Mikrostruktur des zum Druck verwendeten Pulvers erstellt wird, das Techniker auf Verunreinigung mit Fremdpartikeln überprüfen können, bevor das untersuchte Bauteil die Produktionsanlage verlässt.

Materialien

Herstellern steht für die additive Fertigung eine breite und überaus unterschiedliche Palette von Materialien zur Verfügung – von innovativen Kunststoff- und Metalllegierungen über Polymere, Keramikwerkstoffe und Beton bis hin zu Wachsen und Harzen. Hersteller sollten das zu verwendende Material ausgehend von der Form, Textur und notwendigen Festigkeit des Endprodukts auswählen. So erlaubt zum Beispiel die Verwendung von Titanlegierungen die Fertigung hochfester Produkte, die leichter sind als derartige Teile, die mit herkömmlichen, subtraktiven Methoden produziert werden.

Wenn Hersteller kein für ihre jeweilige Anwendung geeignetes Material finden können, haben sie immer noch die Möglichkeit, neue Kompositmaterialien zu entwickeln, die all jene Eigenschaften aufweisen, die sie benötigen. Ein Beispiel: Sandvik Additive Manufacturing hat das erste jemals im 3D-Druck verwendete Diamant-Kompositmaterial erschaffen, um die Vorteile des härtesten Naturmaterials unseres Planeten für die Industrie zu erschließen.

Prozesse

Abhängig von Material und gewünschter Anwendung können Hersteller auch aus einer Reihe unterschiedlicher Maschinen und Prozesse auswählen. In der Fertigung sind beispielsweise die Schmelzschichtung (Fused Deposition Modelling, FDM) und das pulverbettbasierte Schmelzen (Powder Bed Fusion, PBF) zwei häufig angewendete 3D-Druckverfahren.

Das FDM-Verfahren eignet sich am besten für Kunststoffe. Dabei werden thermoplastische Kunststoff-Filamente durch eine heiße Düse gepresst. Dann wird das Pulver auf eine Bauplatte geschmolzen, auf der Schicht für Schicht das spezifische gewünschte Muster aufgetragen wird. Die Flexibilität bei den verwendbaren Materialien ist einer der größten Vorteile des FDM-Verfahrens, da Konstruktionstechniker mit nur relativ wenigen Upgrades und Modifikationen zum Drucken eine breite Palette thermoplastischer Materialien einsetzen können. Allerdings ist FDM nicht die optimale Anwendung für hochqualitative Produkte, da durch das Pulver eine Mindestmaterialstärke vorgegeben ist, weshalb das Drucken feiner Details nicht möglich ist und oft Nachbearbeitungsschritte notwendig sind, um die perfekte Form zu erhalten.

Hier finden Sie eine Übersicht weiterer Verfahren:

3D Basics // Additive Manufacturing

Was ist Additive Fertigung? Definitionen, Anwendungen & Potenziale

Gesetzliche Vorschriften

Hersteller müssen nicht nur über die verschiedenen Materialien und Prozesse Bescheid wissen, sondern auch über sämtliche geltende Vorschriften in Bezug auf AM. Manche Gesetzte zum Schutz von geistigem Eigentum können verhindern, dass Hersteller die Vorteile der additiven Fertigung in vollem Umfang nutzen. So können beispielsweise in EU-Mitgliedstaaten CAD-Konstruktionszeichnungen durch Urheberrechtsgesetze geschützt sein. Solche Bauteile können durch Design- bzw. Geschmacksmusterrechte geschützt sein, und wenn eine Komponente eine Erfindung beinhaltet, wird diese in der Regel durch Patente geschützt. Das bedeutet, dass Hersteller, die Zeichnungen herunterladen und Teile mittels AM reproduzieren möglicherweise gegen das Gesetz verstoßen.

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3D-Druck in der Medizintechnik

Anwender müssen auch beachten, ob es in ihrer Branche spezielle Gesetze gibt, die sie in ihrer Verwendung von 3D-Druck einschränken können. So tritt beispielsweise am 26. Mai 2020 die neue Europäische Medizinprodukte-Verordnung (EU MDR) in Kraft, die sich darauf auswirken wird, wie Unternehmen Medizinprodukte herstellen.

Die neue Verordnung sieht vor, dass serienmäßig mithilfe industrieller Verfahren hergestellte Medizinprodukte nicht länger als Sonderanfertigungen definiert werden können. Daher müssen für jedes Medizinprodukt spezifische klinische Nachweise erbracht werden, um seine Nachhaltigkeit zu belegen. Das CE-Kennzeichen ist als Nachweis seiner Überprüfung auf Einhaltung aller relevanter Standards ebenfalls notwendig. Noch ist unklar, wie additiv gefertigte Produkte im Rahmen dieser Anwendung definiert werden – Hersteller produzieren sie in industriellem Maßstab, obwohl jedes von ihnen auf einen einzigen Patienten abgestimmt und damit einzigartig ist.

Obsoleszenz

Kommt es zu einem Geräteausfall und die dafür verantwortliche Komponente ist mittlerweile obsolet, kann der Hersteller sie mithilfe von CAD konstruieren und mittels 3D-Druck produzieren und die Produktionsanlage nach einer minimalen Stillstandszeit wieder hochfahren. Allerdings ist AM kein Allheilmittel für sämtliche Probleme, und Unternehmen sollten sorgfältig bedenken, ob solche Teile tatsächlich mithilfe von AM produziert werden müssen.

Der 3D-Druck von Komponenten wie Ersatzteilen von Maschinen kann in kleinem Maßstab den rascheren Weg zur Wiederaufnahme der Produktion darstellen, doch AM ist nicht automatisch die kosteneffizienteste und praktischste Methode. Durch die Investition in intelligente Technologien zur Verbesserung der prädiktiven Instandhaltung können Hersteller Störungen vorhersagen, bevor sie tatsächlich auftreten, und die entsprechenden Ersatzteile bestellen. Dann kann sich der Hersteller an einen zuverlässigen Zulieferer für Automatisierungsbauteile wenden, um die benötigten Komponenten zu beschaffen – seien diese nun neu, generalüberholt oder obsolet – und sie zur Produktionsanlage liefern lassen, bevor es zu Stillstandszeiten kommt.