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Was ist additive Fertigung?

Auf 13. Mai 2021 von Isabell I. veröffentlicht
additive Fertigung

Weit davon entfernt, nur ein Gadget oder eine Spielerei für Hobbyisten zu sein, ist die additive Fertigung viel mehr eine technologische Revolution. Wie das Adjektiv „additiv“ bereits andeutet, funktioniert dieses Verfahren durch das Hinzufügen von Materialien. Schichten von Materialien werden solange aufeinander gestapelt, bis das gewünschte Objekt entsteht. Dieses so genannte additive Verfahren ermöglicht es, Teile auf Anfrage nach einem präzisen 3D-Modell zu fertigen. Logischerweise steht diese Technologie im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren (Fräsen, Zerspanen, Spritzgießen usw.), bei denen Material verändert und entfernt wird, um ein Teil zu erhalten.

1986 von Charles Hull mit dem Stereolithographie-Verfahren erfunden, ist die additive Fertigung heutzutage eine Technologie, die in vielen Bereichen eingesetzt wird. Ob in der Automobil-, Luftfahrt-, Medizin- oder Konsumgüterbranche – der 3D-Druck ist nicht mehr wegzudenken. Die vielen Patente, die seit seiner Erfindung angemeldet wurden, haben dazu geführt, dass sich die Technologie weiterentwickelt hat und in verschiedenen Märkten anwendbar ist. Die additive Fertigung bietet ihren Anwendern mehrere Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungsmethoden – insbesondere in Bezug auf Flexibilität, Kostenreduzierung und Zeitersparnis – und hat seit 1986 viele Fachleute in ihren Bann gezogen. Dank der vielen verschiedenen Möglichkeiten an Verfahren und Materialien, die auf dem Markt verfügbar sind, gestalten sich die Anwendungen vielfältig.

additive Fertigung

Mit der FDM-Technologie erstellte Modelle (Bildnachweis: OneMaker Group)

Die Anfänge der Technologie

Eines ist sicher: Der Markt der additiven Fertigung hat sich seit seinen Anfängen stark weiterentwickelt – darunter wichtige Meilensteinen und Innovationen, die ihre Geschichte geprägt haben. Einer der Wichtigsten ist selbstverständlich die Kommerzialisierung des ersten 3D-Druckers Ende 1988 durch die von Charles Hull mitbegründete Firma 3D Systems. Es folgten viele weitere Entdeckungen, wie das erste bewohnte 3D-gedruckte Haus, der erste 3D-Drucker, der ins All geschickt wurde, oder das erste erfolgreiche Bioprinting-Projekt im Jahr 2011, das den 3D-Druck einer Niere ermöglichte.

Obwohl die additive Fertigung heutzutage demokratisiert ist, war das nicht immer der Fall. Zu Beginn waren die meisten 3D-Druckverfahren patentiert, wodurch die Möglichkeiten und die verfügbaren Maschinen eingeschränkt waren. Im Laufe der Zeit wurden diese verschiedenen Technologien für die Öffentlichkeit zugänglich, und so begannen mehr Anwender, sie zu übernehmen. In diesem Sinne spielte die RepRap-Bewegung (Rapid Replication) eine große Rolle, die die Einführung der additiven Fertigung ab 2005 beschleunigte. Hierbei handelt es sich um ein Projekt, bei dem die verschiedenen Elemente eines 3D-Druckers mit dem 3D-Drucker selbst gedruckt werden können. Zu diesem Zeitpunkt entstand eine der wichtigsten Gemeinschaften der additiven Fertigung: die Maker-Community. Diese Community versammelt Heimwerker, DIY- und 3D-Druck-Enthusiasten und wird nun durch 3D-Drucker als Bausätze symbolisiert.

Materialien in der additiven Fertigung

Obwohl es viele verschiedene additive Fertigungsverfahren gibt, beginnen sie alle mit dem gleichen Schritt: Ein digitales Modell, das entweder erstellt oder wiederhergestellt wurde, wird mit einer CAD-Software in das STL-Format umgewandelt, bevor es von einem 3D-Drucker verwendet werden kann.

Je nach Technologie variieren die von 3D-Druckern verwendeten Materialien. Am beliebtesten sind zweifelsohne Kunststoffe, die mit verschiedenen Verfahren, wie FDM, Stereolithographie oder Lasersintern, kompatibel sind. Diese verwenden das Material in unterschiedlichen Ausführungen: FDM benötigt ein thermoplastisches Filament, SLA ein flüssiges Harz und SLS ein Polymerpulver. Andere Materialien, wie z. B. Metall im Laserschmelzverfahren, sind ebenfalls weit verbreitet. Außerdem „konkurrieren“ Kunststoffe mit einigen Metallen. PEEK und PEKK zum Beispiel gelten als Hochleistungsthermoplaste und haben ähnliche mechanische Eigenschaften wie Metalle. Mit der Zeit entdecken Unternehmen zudem neue Materialien, die im additiven Fertigungsprozess eingesetzt werden können, wie z. B. menschliche Zellen oder Verbundwerkstoffe. Wenn Sie mehr über die verschiedenen Technologien und Materialien im Bereich der additiven Fertigung erfahren möchten, können Sie unsere ausführlichen Leitfaden konsultieren.

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3D-Druckteile gefertigt mit SLS-Technologie (Bildnachweis: BMW)

Vielfältige Anwendungen

Historisch gesehen ist die additive Fertigung eine Technologie für das Rapid Prototyping. Seit mehr als 20 Jahren wird die Technologie jedoch auch zur Herstellung von Werkzeugteilen für Fabriken und andere Montagelinien eingesetzt. In letzter Zeit, mit der Weiterentwicklung von 3D-Materialien und -Prozessen, hat die Industrie begonnen, neben Prototypen auch Endprodukte durch 3D-Druck herzustellen. Dies ist vor allem in der Luft- und Raumfahrt der Fall, in der viele Teile, wie z. B. Turbinen, inzwischen in 3D gedruckt werden. Auch in der Konsumgüter-Industrie findet die additive Fertigung mehr und mehr Anwendung. Das kann man gut an Sportmarken, wie z. B. Adidas erkennen, die mittlerweile Hunderte von Produkten mit dem 3D-Druck herstellen.

Auch die Automobilindustrie ist ein großer Fan von 3D-Technologien. Ford zum Beispiel hat bereits 1988 einen 3D-Drucker angeschafft, um die Prototypenphase zu beschleunigen. Einige Jahre später folgten andere Unternehmen dem Beispiel von Ford, bis die additive Fertigung schließlich zu einer unverzichtbaren Technologie für den Automobilsektor wurde. Passende Beispiele hierfür sind BMW und General Motors, welche beide vor Kurzem Zentren für die additive Fertigung eröffnet haben.

Außerdem ist die additive Fertigung heutzutage vor allem in Branchen präsent, in denen Flexibilität und niedrige Produktionskosten erforderlich oder gewünscht sind. In der Baubranche zum Beispiel nutzen immer mehr Unternehmen den 3D-Druck, um Häuser und andere Gebäude zu errichten. Unternehmen wie beispielsweise ICON und WASP haben sich auf diesen Bereich spezialisiert. Auch in der Medizin spielt die Technik eine sehr wichtige Rolle. Das sogenannte Bioprinting wird von vielen als die Zukunft der Medizin angesehen. Von Prothesen und Operationsschablonen bis hin zu biologisch gedruckten Organen ermöglicht es dem medizinischen Personal, für jeden Patienten die richtige Versorgung zu gewährleisten.

3D-Drucker von Stratasys halfen bei der Bewältigung des Mangels an medizinischen Geräten während der Gesundheitskrise (Bildnachweis: Le Parisien/Damien Licata Caruso)

Wichtige Akteure auf dem Markt für die additive Fertigung

Seit der Gründung durch Charles Hull haben sich mehrere Unternehmen auf dem Markt der additiven Fertigung etabliert. Marktführer ist der israelisch-amerikanische Gigant Stratasys. Das Unternehmen stellt seit 1989 3D-Drucker her, wobei es als erstes den Fused Deposition 3D-Druck entwickelt hat, und bietet heute für jeden Bereich spezielle Maschinen sowie angepasste Materialien an. Natürlich ist auch das von Charles Hull gegründete Unternehmen 3D Systems ein wichtiger Akteur auf dem Markt. Wie Stratasys bietet auch 3D Systems viele Maschinen und Dienstleistungen rund um den 3D-Druck an. Formlabs ist hingegen wahrscheinlich das renommierteste Unternehmen im Bereich des Harz-3D-Drucks, das sich auf SLA-3D-Drucker spezialisiert hat. Ein weiteres großes Unternehmen in diesem Sektor ist HP. Das Unternehmen, das für seine Drucker und andere Computergeräte bekannt ist, ist heute weltweit führend im 3D-Druck und bietet seine Maschinen in vielen Bereichen an. Nicht zuletzt ist auch das 2015 gegründete Desktop Metal äußerst erwähnenswert, welches schnell gewachsen ist und sich zu einem sehr wichtigen Unternehmen in der additiven Fertigungsgemeinschaft entwickelt hat, insbesondere seit der Übernahme von EnvisionTEC, einem der historischen Marktführer im Bereich der additiven Fertigung von Harz.

Auf der anderen Seite des Atlantiks haben sich auch andere Unternehmen zu wichtigen Akteure auf dem Markt der additiven Fertigung entwickelt. Unternehmen wie Prodways, Materialise und Ultimaker setzen ihre Technologien in ganz Europa ein und ermöglichen es vielen Firmen, ihre Produktionsmethoden zu verändern. In Deutschland gehören EOS und Trumpf als etablierte Unternehmen zu den wichtigsten Herstellern im 3D-Druck. Nicht zuletzt verzeichnet Asien schnelle Fortschritte, vor allem China, wo viele Hersteller Desktop-FDM-Maschinen anbieten, wie XYZPrinting und Creatbot. Dies sind nur einige wenige Beispiele von unzähligen Herstellern, Händlern, Resellern und Service in der additiven Fertigung.

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Die Messe Formnext 2018 in Frankfurt (Bildnachweis: Mesago/Thomas Masuch)

*Titelbildnachweis: Symop

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