Alphacam: 3D-Druck erobert breites Anwendungsspektrum 3D-Druck eignet sich für mehr als Prototypen

Redakteur: Konrad Mücke

Additive Fertigung galt lange als exotisches Verfahren, um Prototypen herzustellen. Inzwischen zeigen sich allerdings umfassende Vorteile auch für eine (Klein-)Serienfertigung. Über die Gründe sprachen wir mit Martin Folie von alphacam swiss in Winterthur.

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Für unterschiedliche Forderungen konzipiert: Inzwischen steht ein breites Spektrum an 3D-Druckern für eine Vielzahl an Werkstoffen und Bauteildimensionen zur Verfügung.
Für unterschiedliche Forderungen konzipiert: Inzwischen steht ein breites Spektrum an 3D-Druckern für eine Vielzahl an Werkstoffen und Bauteildimensionen zur Verfügung.
(Bild: Stratasys)

SMM: Herr Folie, 3D-Druck, synonym Additive Fertigung, ist derzeit in aller Munde. Dabei kennt man aufbauende Herstellverfahren im Bereich Kunststoffe schon seit vielen Jahren. Handelt es sich bei den aktuellen Diskussionen um einen vorübergehenden Hype oder steckt mehr dahinter?

Martin Folie: Begonnen hatte die Entwicklung bereits in den 1980er Jahren mit der Stereolithografie. Seinerzeit ging es tatsächlich primär einzig um Prototypen. Mit diesen konnte man das Design und – soweit möglich – die Funktion, die Haptik und die Ergonomie für künftig in grossen Serien herzustellende Spritzgiessteile aus Kunststoff vorab prüfen und verifizieren. Der heutige 3D-Druck mit Kunststoffen und Metallen unterscheidet sich allerdings deutlich von diesen Verfahren. Deshalb kann und muss man darin wesentlich mehr sehen als einen vorübergehenden Hype.

Worin sehen Sie die Unterschiede?

M. Folie: Aktuelle 3D-Druckverfahren können in Verbindung mit Kunststoffen ein grosses Spektrum an Werkstoffen nutzen. Häufig genutzte 3D-Drucker arbeiten mit Filamenten, die in nahezu allen Kunststoffen und Farben zur Verfügung stehen. Die Geräte sind einfach aufgebaut und ebenso zu programmieren und zu bedienen. Um Bauteile für Designstudien, als Anschauungsobjekte oder etwa im semiprofessionellen Bereich als Einzelstücke und in kleinen Serien zu fertigen, gehören solche 3D-Drucker beinahe zum Standard. Je nach Bauart, Konstruktion und Kosten unterscheiden sie sich allerdings deutlich in der Qualität und in der Zuverlässigkeit.

Aber auch im industriellen Anwenderkreis haben sich 3D-Drucker inzwischen fest etabliert. Ein Verfahren arbeitet mit einem Pulverbett und einem exakt fokussierenden Laser. Es gibt diese Verfahren für Kunststoffe und Metalle. Der Werkstoff wird in dünnen Schichten als Pulver aufgetragen, der Laser schmilzt ihn dort auf, wo feste Strukturen entstehen sollen. So können innerhalb einiger Stunden selbst komplexe Bauteile hergestellt werden. Diese lassen sich als vollwertige Konstruktionsbauteile einsetzen.

Für industrielle Anwendungen ist aber auch das FDM-Verfahren etabliert. Es arbeitet mit Thermoplasten, die als Filamente durch Heizdüsen aufgetragen werden. Heute stehen dafür sogar hochfeste Kunststoffe zur Verfügung, deren Festigkeit Aluminium gleichkommt. Zudem gibt es hoch wärmebeständige Werkstoffe, bis 216 °C, sowie hoch chemisch beständige Kunststoffe. Derzeit erobern FDM-3D-Drucker zum Verarbeiten von Metallen den Markt. Sie sind tauglich für den Einsatz in einer Büroumgebung. Bei wenig Aufwand kann man auf ihnen Prototypen und Kleinstserien aus Metall herstellen.

Warum haben solche Verfahren besondere Vorteile gegenüber den bisher üblichen urformenden, umformenden oder zerspanenden Verfahren?

M. Folie: Besonderer Vorteil ist, dass man gewissermassen aus dem Nichts beliebige Strukturen erstellen kann. Man benötigt keine Rohlinge und ausser dem 3D-Drucker keinerlei Werkzeuge, Vorrichtungen und weitere Betriebsmittel. Also arbeitet man sehr viel kurzfristiger an dem geforderten Bauteil. Dazu trägt auch bei, dass es inzwischen bereits weitgehend ausgereifte CAD/CAM-Software gibt.

Deutlicher Vorteil ist zudem, dass der Konstrukteur zunächst völlig frei ist von den bisherigen Restriktionen. Er kann seine Designideen völlig frei entfalten und beliebig alle denkbare Geometrien und Strukturen konzipieren und konstruieren ohne die Einschränkung, ob sich das Erdachte auch fertigen lässt. Im 3D-Druck lässt es sich fertigen!

Hinzu kommen einige technische Vorteile. Im 3D-Druck kann man exotische Legierungen verarbeiten. Somit können spezielle, beispielsweise besonders warmfeste oder korrosionsbeständige, Bauteile unter anderem für die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik hergestellt werden, die bisher nicht zu fertigen waren. Auch Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe mit differierenden Eigenschaften in einem Bauteil sind realisierbar. Was man bei Tailored Blanks im Bereich Blech seit einigen Jahren kennt, lässt sich mit 3D-Druck auf jedes Bauteil übertragen. So können Bauteile verwirklicht werden, die in einigen Bereichen eher duktil, in anderen besonders hart oder verschleissbeständig sind. Das gelingt in einem Arbeitsablauf, ohne nachträgliche Wärmebehandlung mit allen einhergehenden Schwierigkeiten und Einschränkungen.

Allerdings sind 3D-Druckanlagen kostenintensiv und zum Beispiel die Logistik für die Pulver gilt als sehr aufwendig und erfordert spezielles Know-how. Wie kann 3D-Druck also wirtschaftlich bestehen?

M. Folie: Man muss dabei den gesamten Prozess betrachten. Für eine herkömmliche Fertigung benötigt man auch eine umfassende Logistik, Rohmaterialbeschaffung und Lagerhaltung, es entstehen gebundene Kosten für eventuell sehr kostenintensive Werkstoffe, beispielsweise in der Medizintechnik und für aufwendige Nacharbeit, zum Beispiel Wärmebehandlung. Diese Kosten und den erforderlichen Zeitaufwand vernachlässigen viele, weil man ihn vermeintlich ohnehin leistet. Beim wirtschaftlichen Vergleich mit dem 3D-Druck muss man aber Gesamtprozesse betrachten und nicht nur die direkten Kosten des formgebenden Verfahrens, zum Beispiel Stundensätze für beispielsweise ein Bearbeitungszentrum.

Bisher hat das 3D-Druckverfahren allerdings nach wie vor den Charakter, sich einzig für Prototypen oder kleinste Serien zu eignen. Was beurteilen Sie das?

M. Folie: Aktuell gibt es einige richtungsweisende Innovationen rund um die 3D-Druckverfahren und die 3D-Drucker. Dazu gehören unter anderem Geräte mit mehreren Lasern und deutlich grösseren Arbeitsplattformen. Diese können parallel mehrere Werkstücke generieren ohne längere Laufzeiten. Beim FDM-Verfahren haben Versuche gezeigt, dass man den Werkstoff bis zu 2,5 m/s schnell zuführen und dabei zuverlässig drucken kann. Zudem stellen einige Hersteller Lösungen zur Automation der 3D-Drucker vor. Somit können mehrere Geräte parallel bedienerlos und unbeaufsichtigt produzieren. Das ermöglicht, wirtschaftlich auch in Serien zu fertigen. Unbenommen ist, dass 3D-Druck sicher auch künftig zu den typischen Massenherstellungsverfahren – zum Beispiel Mehrspindeldrehautomaten und Stanzautomaten – eher nicht als Wettbewerb auftritt. Nach meiner Einschätzung sollten sich Fertigungsbetriebe dennoch unbedingt mit den Chancen und Möglichkeiten des industriellen 3D-Drucks vertraut machen. Denn es werden von Auftraggebern sicher Forderungen nach Bauteilen mit ungewöhnlichen Strukturen und Geometrien kommen, auf die man eine Antwort geben muss. Das betrifft nicht nur Nischenbranchen, wie die Luft- und Raumfahrt, sondern auch den allgemeinen Maschinenbau, den Fahrzeugbau überwiegend für Sonderfahrzeuge, die Verfahrenstechnik und den Anlagenbau.

Herr Folie, vielen Dank für Ihre Einschätzung der aktuellen Situation rund um den 3D-Druck.

Das Interview führte Konrad Mücke. SMM

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