ADDITIVE FERTIGUNG DER WEG ZUR INDIVIDUELLEN PRODUKTION - Technologieland Hessen
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ADDITIVE
FERTIGUNG
DER WEG ZUR
INDIVIDUELLEN
PRODUKTION
www.technologieland-hessen.de
INHALT 2
Vorwort . . ................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Die additive Fertigung – Potenziale im Kontext der vierten industriellen Revolution –
Die Vision .................................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Additive Technologien und Fertigungsverfahren .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 Grundprinzipien und Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Datenerzeugung und Prozesskette der additiven Fertigung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Prozessketten unter Integration additiver Fertigungsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3. Neue Wertschöpfung mit additiver Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1 Markteinschätzung ................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Qualitative Wirtschaftlichkeitsbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Anwendungsszenarien und Branchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 3D-Druckdienstleister und Content-Plattformen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5 Rechtsfragen im Kontext der additiven Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4. Additive Fertigung:
Ausgewählte Erfolgsgeschichten, Potenziale und Projekte aus Hessen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1 Technische Hochschule Mittelhessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2 Kegelmann Technik GmbH .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3 EDAG Engineering GmbH .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Heraeus Additive Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5 FKM Sintertechnik GmbH ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.6 sauer product GmbH ............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.7 IETEC Orthopädische Einlagen GmbH Produktions KG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.8 Philipps-Universität Marburg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.9 Technische Universität Darmstadt .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.10 Fraunhofer LBF ........................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.11 Hochschule für Gestaltung Offenbach .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.12 Frame One ................................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.13 Universität Kassel ................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.14 Tatcraft GmbH ......................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.15 Fraunhofer IGD ........................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.16 Fiberthree GmbH .................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.17 Continental Engineering Services GmbH .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5. Im Überblick
5.1 Hessische Unternehmen und Forschungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2 Literatur ..................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Impressum ................................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3
VORWORT
W ir erwarten zahlreiche neue
Geschäftsideen rund um die
additive Fertigung. Im Hochtechnologie-
land Hessen finden Sie ein dichtes
Kompetenznetzwerk dazu.“
Tarek Al-Wazir
Hessischer Minister für Wirtschaft,
Energie, Verkehr und Landesentwicklung
4
Mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich Einzelanferti- Seit dem Aufkommen der ersten additiven Fertigungs-
gungen zu Preisen realisieren, die mitunter schon heute mit technologien Mitte der 90er Jahre haben sich in Hessen
der klassischen Massenproduktion konkurrieren können: einige Innovationstreiber einen Namen gemacht. Am
Dem individuellen Gehörgang angepasste Hörgeräte, Messestandort Frankfurt findet bereits seit Jahren eine
Ersatzteile für Oldtimer – das sind einige Beispiele, bei der Weltleitmessen auf diesem Gebiet statt. Große hessi-
denen sich die additive Herstellung bereits etabliert hat. sche Werkstoffhersteller steigen gerade in den Markt ein.
Sie eignet sich insbesondere für Produkte mit komplexer
Geometrie. Ihr großer Vorteil ist die Ressourceneffizienz. Wir hoffen, dass Sie in dieser Broschüre Denkanstöße für
Anders als bei der Zerspanung wird nicht solange Ma- innovative Vorhaben und neue Geschäftsideen finden.
terial abgetragen, bis nur noch die angestrebte Form Und wir freuen uns, wenn wir Sie bei der Umsetzung Ihrer
übrigbleibt. Beim 3D-Druck wird Material lediglich da Ideen begleiten dürfen.
aufgetragen, wo es benötigt wird. Es entsteht also kein
Überschuss. Ihr
Diese Technologie entwickelt sich mit großer Dynamik Tarek Al-Wazir
und verspricht noch viel. Nicht nur die Anlagenhersteller Hessischer Minister für Wirtschaft, Energie,
profitieren von den hohen Verkaufszahlen, sondern auch Verkehr und Landesentwicklung
Materialproduzenten und Servicedienstleister. Neuen
Akteuren bieten sich große Chancen.
5
1. EINLEITUNG
IE ADDITIVE FERTIGUNG – POTENZIALE
D
IM KONTEXT DER VIERTEN INDUSTRIELLEN
REVOLUTION – DIE VISION
Mit der Entwicklung additiver Fertigungsverfahren (kurz: Fertigungseinheiten sinnvoll erscheint. Nicht die Produkte
AM) seit den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden werden um den Globus geschickt, sondern lediglich die
einige wichtige Grundlagen für die nächste und damit Dateien für ihre Fertigung – individuell anpassbar bis weit
vierte industrielle Revolution geschaffen. Während die in den Produktionsprozess hinein. Die digitalen Fabriken
erste industrielle Revolution seit der zweiten Hälfte des werden sich nicht mehr nur in Fernost befinden, sondern
18. Jahrhunderts die Überführung handwerklicher Tätig- aus dezentralen Produktionseinheiten in regionaler Nähe
keiten in mechanisierte Abläufe mithilfe von Wasser- und bestehen, die ‚Einzelstücke vom Band‘ zu vergleichbaren
Dampfkraft meint, wurde mit der zweiten industriellen Preisen wie bei der Massenproduktion möglich machen.
Revolution arbeitsteilige Massenfertigung an elektrisch
betriebenen Fließbändern möglich. Der dritte große Produkte, Maschinen und Transportboxen sind über Mik-
Entwicklungssprung industrieller Prozesse ging auf den rochips mit dem Web verbunden. Das Internet der Dinge
Einsatz der Informationstechnologien zur Automatisierung wird die Selbstorganisation intelligenter Produktionsab-
der Produktion zurück. Die intelligente Organisation läufe ermöglichen und eine Steigerung der Produktivität
dezentraler Fertigungseinheiten durch Verknüpfung von von bis zu 50 Prozent nach sich ziehen. Zudem wird die
Informations- und Produktionstechnologie im Internet Speicherung von Rohstoffinformationen im Produkt die
der Dinge wird die Grundlage bieten für die vierte indus- Rezyklierbarkeit fördern und geschlossene Materialkreis-
trielle Revolution, in der Experten große Potenziale für läufe ermöglichen. Experten gehen dabei mittelfristig
die deutsche Wirtschaft im globalen Wettbewerb sehen. von Einsparpotenzialen an Energie und Ressourcen in
der Größenordnung von 20 bis 25 Prozent aus.
Es wird erwartet, dass Kunden in Zukunft über Inter-
net-Portale den Kauf eines Produkts auslösen, die Daten Den additiven Fertigungsprozessen wird im Kontext der
für Bauteile abrufen, beeinflussen und archivieren so- vierten industriellen Revolution eine entscheidende Rolle
wie den Status eines Produktionsauftrags überwachen beigemessen. Denn durch den aufbauenden Charakter
können. Der Herstellungsprozess wird mit dezentralen wird das bisherige Verständnis konventioneller, Mate-
Produktionseinheiten dort stattfinden, wo es aus Sicht der rial abnehmender zerspanender Techniken wie Fräsen,
räumlichen Verortung des Kunden und der Auslastung der Bohren oder Drehen vollständig revidiert. Dabei werden
6
nicht nur Ressourcen eingespart und Produktionsabfälle des schwedischen Anlagenherstellers Arcam und des
vermieden, es werden Produktteile mit derart komplexen deutschen Technologieträgers Laser Concept durch den
Geometrien möglich, die auf konventionellem Wege wie US-amerikanischen Triebwerkshersteller GE Aviation im
mittels Gussverfahren gar nicht umsetzbar wären. Jahr 2016 zeigt, welch hohe Bedeutung die additive
Produktion für die USA mittlerweile einnimmt.
Experten gehen davon aus, dass sich die generative
Fertigung zunächst als Ergänzung zu bisherigen Produk- Doch nicht nur in der westlichen Welt wird eine stärkere
tionsprozessen etablieren wird. Auffällig ist schon heute Verwendung additiver Fertigungsprozesse angestrebt,
die große Anzahl von Unternehmensgründungen im auch asiatische Länder bringen sich durch die Bereitstel-
kleingewerblichen Bereich, die durch Weiterentwicklung lung von Fördermitteln in Stellung. In China und Singapur
der additiven Produktionsverfahren ausgelöst wurde. Die stehen dreistellige Millionenbeträge bereit, die die dor-
Möglichkeit zum Betrieb von Mini-Fabriken mit neuen tige Industrie auf den Wandlungsprozess in ein Zeitalter
Geschäftsmodellen und individualisierten Produkten des Internets der Dinge vorbereiten sollen. China geht
haben 3D-Druck-Entrepreneure in nahezu allen größeren bereits von einem Umsatz von 1,12 Milliarden US-Dollar
Städten aktiv werden lassen, die zudem durch Crowdfun- aus, der im Jahr 2016 im Markt rund um 3D-Drucker und
ding- Kampagnen das nötige Kapital über das Internet die additive Produktion erwirtschaftet wurde. Das China
und die sozialen Netzwerke finden konnten (Vergleich Industry Information Institute hat für das Jahr 2020 eine
Horsch, Florian: 3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself- Größenordnung des chinesischen AM-Marktes in Höhe
Guide. München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2014). von 7,68 Milliarden US-Dollar prognostiziert, was etwa ein
Drittel des weltweiten Gesamtmarktes ausmachen würde.
„Es wird massenhaft Nischen geben“, sagt der Internet-
Visionär Chris Anderson und blickt in die Zukunft des Noch ist der Markt rund um die generative Fertigung
3D-Drucks. „Wir werden einfach nur mehr von allem sehen: überschaubar. Dass es einen Wandlungsprozess hin zu
Mehr Innovation, an mehr Orten, von mehr Menschen, einer stärkeren Verwendung additiver Produktionstech-
die sich auf mehr und engere Nischen konzentrieren. nologien geben wird, ist für einige Anwendungsgebiete
Gemeinsam werden all diese neuen Produkte die indus- und Industriebranchen unbestritten. Die Geschwindigkeit
trielle Wirtschaft neu erfinden, oft mit nur wenigen Tau- des Wandlungsprozesses wird von zahlreichen Faktoren
send Stück auf einmal, aber es werden die genau rich- beeinflusst. Vor allem der meist notwendige Aufwand zur
tigen Produkte für einen zunehmend anspruchsvollen Nachbehandlung additiv hergestellter Bauteile macht
Konsumenten sein.“ (Quelle: Anderson, C.: Makers. Das noch große Entwicklungsanstrengungen notwendig. Doch
Internet der Dinge: die nächste industrielle Revolution. immer mehr Anlagenhersteller legen die Verfahren und
München, Wien: Carl Hanser Verlag, 2013) ihre Materiallogistik für die Massenproduktion aus. Für
welche Produkte und Anwendungsfelder sich die additive
Diese Entwicklung scheint auch für Länder attraktiv zu sein, Fertigung am besten eignen wird, ist derzeit Gegenstand
die in den letzten Jahrzehnten einen enormen Abbau der intensiver Diskussionen. Ob wir dem Wandel im Nachhin-
industriellen Produktion hin zum Dienstleistungssektor ein tatsächlich den Charakter einer industriellen Revolution
zugelassen haben. Additive Fertigungstechnologien zuschreiben, bleibt abzuwarten. Die Entwicklungen am
werden als Schlüssel zur Re-Industrialisierung von Volks- Markt in den letzten fünf Jahren lassen jedoch ein großes
wirtschaften erkannt und wahrgenommen. Potenzial vor allem für die deutschen und auch die hes-
sischen Unternehmen vermuten. Daher werden in den
In seiner Rede zur Lage der Nation im Februar 2013 folgenden Kapiteln die wesentlichen technologischen
nannte der ehemalige US-Präsident Barack Obama die Rahmenbedingungen additiver Fertigungsprozesse und
additive Fertigung als Grundlage für ein neues Wachstum ihre Potenziale für die unterschiedlichen industriellen
der US-Produktion. Das Weiße Haus hat insgesamt eine Branchen näher beschrieben.
Milliarde US-Dollar an Fördermitteln bereitgestellt und
ein Netzwerk aus Förderinstitutionen für die amerikani-
sche Wirtschaft etabliert. Mit dem Forschungsprogramm
Horizont 2020 will die Europäische Kommission den
Ausbau additiver Fertigung in Europa unterstützen und
durch Innovationen in diesem Gebiet stärken. Während
US-amerikanische Unternehmen vor allem den Bereich
der Extrusionsverfahren und Filamentdrucker bestimmen,
werden die für die industrielle Produktion im Automobil-
und Luftfahrtbereich wichtigen Metallsysteme weitge-
hend von den deutschen Anlagenherstellern wie EOS,
SLM Solutions und Trumpf bestimmt. Die Übernahme
7
2. ADDITIVE TECHNOLOGIEN UND
FERTIGUNGSVERFAHREN
In der Science-Fiction-Saga Raumschiff Enterprise bezeich- genannte additive Fertigungsprinzipien, die, anders als
nete der ‚Replikator‘ eine Anlage, mit der aus einzelnen bei konventionellen Produktionsprozessen üblich, nicht
Atomen ganze Bauteile und Waffen, Speisen und Getränke Material abnehmen (wie beim Drehen, Bohren, Sägen,
scheinbar beliebig zusammengesetzt werden konnten. Fräsen) oder Werkstoffe umformen (wie beim Biegen,
Marshall Burns nannte seine Idee von der digitalen Ziehen), sondern aufbauen beziehungsweise generieren.
Heimfabrik 1987 ‚Fabber‘, kleine dezentrale Fabrikati- In der Fachliteratur haben sich daher die Bezeichnungen
onsanlagen, mit denen die Vision von der Produktion von additive beziehungsweise generative Fertigungsverfahren
Einzelteilen möglich werden sollte. Seitdem sind über etabliert. Aufgrund der großen steigenden Nutzung und
20 Jahre vergangen und durch die Weiterentwicklung Kommerzialisierung bis in den Consumer-Bereich hat sich
von Produktionstechnologie, Software und Materialien mittlerweile die Bezeichnung ‚3D-Druck‘ als Überbegriff
wird das Zukunftsszenario immer realistischer (Peters für die unterschiedlichen Verfahrensprinzipien durch-
2011). Die Grundlage für die Entwicklung bilden so gesetzt.
8
2.1 GRUNDPRINZIPIEN UND VERFAHREN
Die heute bekannten additiven Herstellungsverfahren und aus, die den schichtweisen Aufbau der Bauteile bewirken.
Anlagentypen lassen sich hinsichtlich der verwendeten So kann die Vielzahl der heute genutzten Anlagen in die
Materialien in fünf generative Fertigungsprinzipien unter- Verfahrensgruppen Stereolithografie, Pulverbettverfahren,
teilen. Dabei geht man von unterschiedlichen Halbzeugen Binder-Druck, Strangablege- beziehungsweise Schicht-
mit verschiedenen Ausgangsstoffen und Wirkprinzipien laminatverfahren eingeteilt werden.
Klassifizierung additiver Fertigungsverfahren
fest flüssig
Draht Pulver Folie / Platte Flüssigkeitsbad
PHYSIKALISCHES GRUNDPRINZIP / TECHNOLOGIE
Aufschmelzen Aufschmelzen Verkleben Ausschneiden Photopoly-
und Erstarren und Verfestigen durch Binder und Fügen merisation
Materialextrusion Pulverbettbasiertes Binderdrucken Platten- / Folien- Materialdrucken
Verbinden laminierung
AM-VERFAHREN
Strangablege- Laser-Sintern Laser-Strahl- Binder-Druck Schicht- Stereo-
verfahren schmelzen laminieren lithografie
Kunststoff Kunststoff, Metall- Gips, Sand, Papier, Harz /
Metall- Keramik legierung Stärke, Kunst- PVC-Folie, Duroplast
legierung stoff, Metall Holz
Einteilung nach Professor Dr.-Ing. R. Anderl, Technische Universität Darmstadt, September 2017
Eine Auswahl der einzelnen Technologien erfolgt in aller
Regel hinsichtlich der verwendbaren Werkstoffe, der re-
alisierbaren Genauigkeit, der möglichen mechanischen
Qualität, des maximalen Anlagenbauraums sowie des
Kostenrahmens. Aufgrund der aktuellen Dynamik im
Markt ändern sich die Rahmenbedingungen ständig.
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1 Wischer verteilt Polymer
2 Laser fährt Schnittfläche ab
3 Bauplattform senkt sich
4 Polymer verfestigt durch Laser
Spiegel
Laser
2 Wischer 1
2.1.1 Stereolithografie (SL oder SLA)
4 Werkstück
Bauplattform
Die Stereolithografie wurde Anfang der 80er Jahre des 3 Harzbehälter
20. Jahrhunderts an der University of Texas in Austin ent-
(Flüssiges Polymer)
wickelt und gilt als ältestes additives Verfahrensprinzip.
Ende 1987 hat die Firma 3D-Systems Inc. erstmals eine
Anlage präsentiert und kommerzialisiert sie seitdem.
Bereits im Jahr 1984 wurde das Stereolithografieverfahren
von Chuck Hall zum Patent angemeldet. Mit der Stereo- Verfahrensprinzip der Stereolithografie
lithografie werden aktuell die höchsten Genauigkeiten
erzielt. Sie ist daher die wichtigste Technik zur Erstellung
von Urmodellen für den Fein-, Polyamid- und Vakuumguss.
2012 brachte FormLabs die erste SL Desktop-Anlage auf Materialien
den Markt.
Bei Anlagentypen der Stereolithografie können ausschließ-
lich flüssige Fotopolymere wie Epoxid- oder Acrylharze
(seltener auf Vinylbasis) verarbeitet werden. Nach der
Verfahrensprinzip Aushärtung weisen diese eine hinreichende Stabilität und
Temperaturbeständigkeit zwischen 50-60 Grad Celsius
Auf Basis von 3D-CAD-Daten entstehen bei der Stereo- auf. Mittlerweile sind unterschiedliche Harzsysteme mit
lithografie Bauteilgeometrien durch lokales Aushärten transparenten, blickdichten, flexiblen, dehnbaren, hitze-
eines lichtempfindlichen Fotopolymers mit Hilfe eines beständigen und biokompatiblen Eigenschaften am
Laserstrahls. Zunächst wird Kunstharz in ein Harzbad Markt erhältlich.
eingelassen, in dem die Bauteilplattform jeweils um eine
Schichtdicke (in der Regel zwischen 50 und 100 Mikro- Ein großer Nachteil der Verfahrenstechnologie ist, dass
meter) unterhalb der Oberfläche versenkt wird. Durch in der klassischen Ausführung samt Harzbad keine unter-
zeilen- beziehungsweise schichtweises Belichten der schiedlichen Materialien in einem Arbeitsschritt verwendet
Formteilgeometrie mit dem Laser härtet das Fotopolymer werden können. Auch stellen Harzsysteme in flüssiger
aus. Es entsteht die erste Schicht des gewünschten Bauteils. Form eine nicht unerhebliche Belastung für die Umwelt
In der Abfolge wird die Bauteilplattform um eine weitere dar und sind zudem nicht unbegrenzt haltbar. Bei der
Schichtdicke nach unten gefahren. Das Harz fließt von der Weiterentwicklung der Harze wird vor allem an der Ver-
Seite auf die Plattform und wird mit einer Wischvorrichtung besserung der Wärmestabilität gearbeitet.
gleichmäßig auf der bereits gehärteten Struktur verteilt,
bevor der Laser die nächste Schicht belichtet. Der Prozess
wiederholt sich so lange, bis das Formteil vollständig
aufgebaut und die gewünschte Bauteilhöhe erreicht ist. Bauteilgrößen, Genauigkeit, Nachbearbeitung
Bei einigen neuen Anlagen fährt das Bauteil im Prozess
nicht mit der Bauplattform nach unten, sondern bewegt Mit Hilfe der Stereolithografie können die höchsten Ge-
sich langsam nach oben aus dem Harzbad. nauigkeiten bei additiven Fertigungsprozessen erzielt
werden. Diese resultieren insbesondere aus den kleinen
Um das Absinken von überhängenden Schichten im Harz- Schichtstärken mit einer Detailauflösung von 0,01 bis 0,02
bad zu verhindern und die Geometrien zu stabilisieren, Millimeter. Die Bauteile weisen heute sehr gute Ober-
werden dünne Stützstrukturen benötigt, die nach der flächen auf, sie sind glatt und der Schichtenaufbau ist nicht
Entnahme von der Bauteilplattform entfernt werden. Zur mehr zu erkennen. Standardanlagen haben einen Bauraum
vollständigen Aushärtung des Materials werden Stereo- zwischen einer Größe von 250 x 250 x 250 Millimeter
lithografiebauteile abschließend unter Einfluss von UV- (LxBxH) und 1000 x 800 x 500 Millimeter. Bei einem
Licht gelagert. Alternativ zum Laser arbeiten einige Anla- Bauraum von 2100 x 700 x 800 Millimeter sprechen die
gen mit UV-Licht-emittierenden Lampen und einer Maske. Hersteller von einer Mammut-Stereolithografieanlage.
Die Maske ist lediglich an den Stellen durchlässig für UV- Größere Bauteile können aus mehreren kleineren zusam-
Licht, an denen das Harz aushärten soll. Beim Arbeiten mengesetzt werden. Eine anschließende Oberflächenbe-
mit Masken wird auf die aufwendige Spiegeleinrichtung handlung durch Lackieren, Streichen oder Metallisieren
zur Steuerung des Laserstrahls verzichtet werden. ist üblich, wodurch allerdings die Semitransparenz des
Materials verschwindet. Die Oberflächenqualität kann
durch anschließendes Polieren oder zerspanende Bear-
beitung weiter verbessert werden.
10Samsonite S’cure Prototyp in Mammut-Stereolithografieanlage
(Quelle: Materialise) Besondere Verfahren und Anlagentypen
PolyJet-Modeling (PJM)
Anwendung
Die Polyjet-Technologie (auch bekannt als Multi Jet
Die Stereolithografie hat eine große Bedeutung für den Modelling MJM) ist vergleichbar mit dem Inkjet-Druck.
Modellbau zur Bereitstellung von Anschauungsobjekten. Mit einem Druckkopf wird ein flüssiges Fotopolymer
Durch die sehr guten Qualitäten eignen sich die Bauteile schichtweise auf der Bauteilplattform aufgetragen und
auch für den Einsatz als Funktionsprototypen oder als durch UV-Licht direkt verfestigt. Das Harzbad kann hier
Urmodelle für den Fein- und Vakuumguss. Durch die entfallen, allerdings müssen zur Realisierung von Über-
geringe Wärmestabilität ist der direkte Gebrauch von hängen Stützstrukturen mitgedruckt werden. Mit dem
Stereolithografie-Bauteilen jedoch meist nicht mög- Polyjet-Modeling werden sehr hohe Genauigkeiten von 16
lich. Mittlerweile können Verfahrensvarianten auch zur Mikrometer in z- und 42 Mikrometer in x- und y-Richtung
Erzeugung von Nano- und Mikrostrukturen eingesetzt erzielt. Es ist zudem die einzige Anlagentechnologie, mit
werden. Biokompatible Harzsysteme finden zunehmend der drei verschiedene Werkstoffe in einem Prozess zur
Verwendung im Dentalbereich und in der Medizintechnik. Realisierung von Multimaterialanwendungen (zum Bei-
spiel von Hart-Weich-Verbindungen) verarbeitet werden
können.
Wirtschaftlichkeit
Digital Light Processing (DLP)
Aufgrund ihrer Historie ist die Stereolithografie die am
häufigsten eingesetzte additive Verfahrenstechnologie. Als weitere Verfahrensvariante der Stereolithografie wird
Die Preise für gängige Stereolithografie-Anlagen sind beim Digital Light Processing mit UV-Licht gearbeitet,
in den letzten Jahren gefallen. Sie liegen aktuell aber um das Fotopolymer schichtweise auszuhärten. Das
immer noch bei über 50.000 Euro. Daher haben sich viele Licht trifft dabei zunächst flächig auf einen Mikrochip, in
Dienstleister am Markt etabliert. Desktop-Anlagen und dem viele bewegliche Mikrospiegel integriert sind. Die
Bausätze mit geringerer Präzision und geringerem Bau- Strahlen werden so auf die auszuhärtenden Bereiche im
raum sind seit 2012 ab 4.000 Euro erhältlich. Das Material Bauraum reflektiert und bewirken den sukzessiven Aufbau
ist allerdings viermal teurer als bei Extrusionsanlagen wie der Bauteilstruktur. DLP-Anlagen sind sehr kompakt, ver-
FLM (Fused Layer Modeling; siehe Kapitel 2.1.3). Da nach gleichsweise preiswert und werden zum Beispiel bevorzugt
dem Fertigungsprozess zudem Überschuss im Bauraum im Schmuckbereich oder der Medizintechnik eingesetzt.
bleibt, muss mehr Verbrauchsmaterial als Bauteilvolumen
einkalkuliert werden.
Mikro-Stereolithografie (MSL)
Mit einem Gewicht von lediglich anderthalb Kilogramm
und den Maßen einer Milchverpackung wurde 2013 an
der Technischen Universität Wien von Professor Jürgen
Stampfl und seinem Team der weltweit kleinste Stereo-
lithografie-Drucker entwickelt. Er arbeitet mit flüssigem
Harz, welches mit LED-Licht von hoher Integrität punk-
tuell ausgehärtet wird. Die Schichtdicken betragen 0,05
Millimeter. Auch an anderen Forschungseinrichtungen
wird an der Mikro-Stereolithografie gearbeitet, da hier
große Zukunftspotenziale gesehen werden.
11Belichtungsprozess beim 3D-Druck von Hochleistungs-
keramiken im LCM-Verfahren (Quelle: Lithoz)
Continuous Liquid Interface Production (CLIP)
Im Frühjahr 2015 wurde in den USA eine neue additive
Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) Drucktechnologie auf Basis der Photopolymerisation
vorgestellt, die 25 bis 100 Mal schneller sein soll als die
Das LCM-Verfahren zur additiven Herstellung von Hochleis- konventionellen Verfahren und keine sichtbaren Schicht-
tungskeramiken wurde zwischen 2006 und 2010 an der TU strukturen hinterlässt. Der additive Prozess findet in einem
Wien entwickelt und wird seit 2011 von der Lithoz GmbH Harzbecken statt, dessen Boden aus einer licht- und
als Ausgründung vermarktet. Es basiert auf der Belichtung sauerstoffdurchlässigen Membran besteht. Ein ultravio-
eines fotosensitiven Harzes, in dem keramische Partikel letter Lichtstrahl beleuchtet den gewünschten Quer-
enthalten sind. Schichtweise entsteht durch Aushärten schnitt des Objekts von unten durch den Beckenboden
des Harzes ein Kunststoff-Keramik-Rohling mit dem Pho- auf einer Plattform, die langsam, aber kontinuierlich aus
topolymer als Binder zwischen den Keramikpartikeln. Das dem Harzbad nach oben gezogen wird. Die Zuführung
Bindermaterial wird anschließend durch Pyrolyse entfernt von Sauerstoff verhindert die Aushärtung der gesamten
und die keramischen Partikel thermisch versintert und fest Fläche des Bauraums. Eine eigens entwickelte Software
miteinander verschmolzen. Beim Entbindern muss ein steuert den ganzen Prozess.
Schwindmaß eingerechnet werden. Im Anschluss weisen
die Bauteile eine Dichte von 99,4 Prozent auf.
Silikondruck
Im Jahr 2016 haben die Chemiekonzerne Wacker und Dow
Corning Anlagen vorgestellt, durch die der schichtweise
3D-Druck mit Silikon möglich wurde. Dies war wegen der
besonderen Vulkanisierungseigenschaften des Werkstoffs
bis dahin nicht realisierbar. In beiden Entwicklungen
wird Silikon tröpfchenweise mit einem Druckerkopf auf
eine Bauplattform aufgetragen und unter UV-Strahlung
vulkanisiert. Schichtweise entstehen homogene Teile-
geometrien mit glatten Oberflächen, die vergleichbare
technische Qualitäten aufweisen wie Standard-Silikonteile
beim Spritzguss. Bei der Festigkeit wird 85-90 Prozent des
Wertes konventioneller Verfahren erreicht. Hohlräume und
Überhänge können mit wasserlöslichen Stützmaterialien
realisiert werden.
Futurecraft 4D – Additiv im CLIP-Verfahren gefertigte Sohle für
einen Sportschuh (Quelle: Adidas)
Gel Dispensing Printing (GDP)
GDP ist ein gelbasiertes Verfahrensprinzip, das zur Reali-
sierung besonders großer Kunststoffbauteile von einem
israelischen Anlagenbauer entwickelt wurde. Mithilfe
eines Extruders wird ein hochviskoses Gel auf Acrylatbasis
schichtweise aufgetragen und unter Einfluss von UV-Licht
ausgehärtet. Die Lichtquelle befindet sich direkt am Druck-
kopf. Die Anlage hat einen Bauraum von 1,17 x 1,5 x 1,8
Meter und erreicht eine Aufbaurate von 0,33 Meter pro
Stunde in z-Richtung bei einem Durchsatz von bis zu zwei
Kilogramm pro Stunde.
12 ACEO 3D-Silikondruck (Quelle: Wacker)2.1.2 Pulverbettverfahren
Aufgrund von erzielbaren Qualitäten nahe der vom Serien-
werkstoff zählt das Selektive Lasersintern (SLS) zum wich-
tigsten Pulverbettverfahren für industrielle Anwendungen.
Es wurde Mitte der 80er Jahre an der University of Texas
von Joe Beaman und Carl Deckard entwickelt. Beim
Lasersintern wird mit pulverförmigen Ausgangsstoffen
gearbeitet, die unter Einfluss eines Lasers aufgeschmolzen
Prozess des Lasersinterns (Quelle: EOS)
werden. Lange wurde es vor allem für den Prototypen- und
Werkzeugbau eingesetzt. Aktuell zählt es zu den bedeu-
tendsten additiven Produktionsverfahren für die direkte
Fertigung von Bauteilen (Direct Digital Manufacturing). Verfahrensprinzip
Anfang 2014 sind einige grundlegende Patente für das
Selektive Lasersintern ausgelaufen. Es ist zu erwarten, Das Selektive Lasersintern basiert auf dem lokalen Sin-
dass das immer noch hohe Preisniveau für Bauteile und tern und Verschmelzen pulverförmigen Materials unter
Anlagen in den nächsten Jahren sinken wird. Wärmeeinwirkung eines Laserstrahls ausgehend von
3D-CAD-Daten. Mit einer walzenförmigen Beschichtungs-
Für die Verarbeitung von Metallpulvern haben sich die einheit wird eine dünne Pulverschicht gleichmäßig auf
Bezeichnungen des Selektiven Laser-Meltings (SLM) be- dem Druckbett verteilt und geglättet. Durch schicht- oder
ziehungsweise Laserstrahlschmelzens (LBM) durchgesetzt. zeilenweises Belichten der entsprechenden Bereiche
Durch den Einsatz mehrerer Laser in einer Anlage wird für wird das Pulvermaterial aufgeschmolzen und verfestigt
die nächsten Jahre die 100 bis 1.000-fache Steigerung der dort zu einer Formteilschicht. Ist die Belichtung einer
Produktivität erwartet. Mit der pulverbasierten Multi-Jet Bauteilschicht abgeschlossen, fährt das Druckbett um
Fusion-Großanlage ist der Hersteller für PC-Drucker eine Schichtdicke nach unten, es wird erneut Material-
Hewlett Packard im Jahr 2016 in den Markt des 3D-Pro- pulver aufgetragen (Materialstärke zwischen 0,001 bis
duktdrucks eingestiegen. GE Additive hat auf der formnext 0,2 Millimeter) und der Sinterprozess für die nächste
2017, der internationalen Messe für additive Fertigung, Schichtstruktur wiederholt sich. Da der verfestigte Mate-
unter dem Namen A.T.L.A.S. eine SLM-Großraumanlage rialverbund von losem Pulver umgeben ist, wird für die
vorgestellt. Im Jahr 2016 sind die ersten Desktop SLS- Realisierung von Überhängen keine Stützstruktur benö-
Anlagen für einen Anschaffungspreis von 5.000 bis 10.000 tigt. Allerdings sind zusätzliche Strukturen nötig, um das
Euro am Markt erschienen. Bauteil beim Arbeiten mit hochenergetischen Lasern in
Position zu halten. Zur Reduzierung der Prozesszeit wird
der gesamte Druckraum bei den meisten Anlagen auf
einen Temperaturbereich unterhalb der Schmelztempe-
ratur des zur Anwendung kommenden Materialpulvers
erhitzt. Vor der Entnahme des fertigen Bauteils aus dem
Spiegel Pulverbett muss der gesamte Druckraum über mehrere
Laser
Stunden gleichmäßig abgekühlt sein. Nicht genutztes
Pulver kann erneut verwendet werden.
2
Walze
1
4 Werkstück 1 Walze verteilt Pulver
Bauplattform 2 Laser fährt Schnittfläche ab
3 3 Bauplattform senkt sich
Pulver
4 Pulver verschmilzt durch Laser
Pulvervorrats- bzw. Pulverauffangbehälter
Verfahrensprinzip des Selektiven Lasersinterns
13Materialien
Grundsätzlich eignet sich jeder schmelzbare und als
Pulver herstellbare Werkstoff für das Selektive Laser-
sintern beziehungsweise Lasermelting. Kommerziell
verfügbar sind zahlreiche Kunststoffe (zum Beispiel PA
22, PA 12, PS, PEEK, thermoplastische Elastomere), Kera-
miken, Metalllegierungen (Werkzeug- und Edelstähle,
Aluminium-, Titan-, Kobalt-Chrom-, Bronze-, Edelmetall-,
Nickelbasislegierungen) und Quarz-Sand. Da die Pulver
gleichmäßige Korngrößen aufweisen müssen, werden sie
meist auf synthetischem Wege erzeugt. Beim Umgang
mit Pulvermaterialien mit Korngrößen zwischen 20 und
100 Mikrometer greifen die bestehenden Rechtsvorschrif-
ten hinsichtlich Arbeitssicherheit. Fachleute wie beispiels-
weise Vertreter der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und
Arbeitsmedizin BAuA weisen grundsätzlich auf die vor-
Bauteilentnahme aus dem Pulverbett
sichtige Handhabung der Pulver hin, da die ultrafeinen (Quelle: Evonik Industries)
Partikel in die menschliche Lunge eindringen können.
Daher empfiehlt sich die Verwendung eines Mundschut-
zes. Bei der Verarbeitung metallischer Pulver wird zur
Vermeidung von Oxidation meist ein Schutzgas wie Bauteilgröße, Genauigkeit, Nachbearbeitung
Stickstoff oder Argon im Bauraum verwendet.
Beim Lasersintern liegen die Bauräume der Anlagen derzeit
Forschern am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) zwischen 150 × 200 × 150 Millimeter und 1100 x 1100 x 450
in Aachen ist es durch Integration eines Lasersystems Millimeter. Die großen Anlagen arbeiten dabei teilweise
mit 1.000 Watt Leistung in eine bestehende SLM-Anlage mit bis zu vier Lasern, um die Prozessdauer zu verkürzen.
gelungen, Bauteile aus verschiedenen Kupferlegierungen Die Aufbaurate für Metallsysteme liegt aktuell zwischen
mit einer Dichte von 99,9 Prozent generativ zu fertigen. 2 und 100 Kubikzentimetern pro Stunde. An Anlagen
Außerdem ermöglicht das Verfahren auch die Herstellung mit bis zu acht Lasern wird derzeit gearbeitet. Aufgrund
von Objekten aus hochfester Zirkonoxid- und Aluminium- der Korngrößen der Pulver weisen lasergesinterte Bau-
oxid-Keramik. Durch die Dynamik im Markt wird das teile raue Oberflächen auf. Die Genauigkeiten liegen
Portfolio druckfähiger Metallpulverlegierungen ständig standardmäßig bei +/- 0,1 Millimeter. Bei Metallbautei-
erweitert. Heraeus etwa hat sich auf die Bereitstellung von len werden mittlerweile Werte von +/- 0,02 Millimeter
Edelstahlpulver für das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) erzielt. Die Schichtdicken können zwischen 1 bis 200
und Laserstrahlschmelzen (LBM) spezialisiert. Es werden Mikrometern liegen. Übliche Schichtdicken bei Metal-
Platingruppenmetalle (PGM), Gold- und Silberlegierungen, len wie Edel- und Werkzeugstahl sind 20 Mikrometer
Refraktärmetalle, amorphe Metalle, Titan, Titanaluminide oder 40 Mikrometer, bei Aluminium beträgt sie 30 bis
und kundenspezifische Legierungen angeboten. Hinzu 50 Mikrometer. War noch bis vor einigen Jahren für die
kommen besondere Entwicklungen wie intermetallische Realisierung hochdichter Metallbauteile eine Infiltration
Legierungen, bioresorbierbare Materialien, Gradienten- mit niedrigschmelzenden Metallen erforderlich, werden
werkstoffe und amorphe Metalle (metallische Gläser). heute beim Laserstrahlschmelzen (LBM) hochdichte
Der Hersteller stellt für jedes Metallpulver die optimalen Bauteile (>99,5 Prozent) mit sehr guten mechanischen
Verarbeitungsparameter im Kontext zum additiven Fer- Qualitäten erzielt. Die Festigkeiten liegen teilweise sogar
tigungsprozess zur Verfügung. über denen konventionell produzierter Bauteile. Vor
allem beim Laserstrahlschmelzen muss durch den ther-
mischen Einfluss des Lasers je nach Bauteilgeometrie
ein nicht unerheblicher Verzug einkalkuliert werden. Die
rauen Oberflächen können anschließend mit Hilfe von
abtragenden Verfahren, wie zum Beispiel Fräsen, bis
zum Hochglanz geschliffen werden. Vor dem Start eines
neuen LBM-Prozesses muss die Bauteilplattform in der
Regel plangefräst werden.
14Wirtschaftlichkeit
Aufgrund der hohen Anlagenkosten (Durchschnittspreis
einer Industrieanlage: 80.000 US-Dollar; Horsch, Florian:
3D-Druck für alle – Der Do-it-yourself-Guide. München,
Wien: Carl Hanser Verlag, 2014) muss die Anwendung
der Pulverbettverfahren gut kalkuliert werden. In einem
Arbeitsschritt werden in aller Regel gleichzeitig mehrere
Bauteilgeometrien parallel gefertigt und die Bauplattform
wird dicht bepackt, damit sich der Betrieb einer Anlage
finanziell rechnet. Die Kosten für lasergesinterte Bauteile
bewegen sich je nach verwendetem Material in einer
Lasergesinterte Griffe der Nikon Metrology Scanner mit Größenordnung von wenigen 100 bis hin zu einigen 1.000
Beflockung (Quelle: Materialise) Euro. Damit liegen die Kosten über denen anderer Verfah-
ren, was die Verwendung im kleingewerblichen Kontext
vielfach noch ausschließt. Mit steigenden Aufbauraten
Anwendung werden die Kosten in der Zukunft sinken. Dienstleister
sind weit verbreitet.
Bis vor einigen Jahren waren SLS- beziehungsweise SLM-
Bauteile vornehmlich als Funktionsprototypen im Einsatz.
Heute werden Pulverbettverfahren für die direkte Herstel-
lung individualisierter Bauteile und von Kleinserien ver- Besondere Verfahren und Anlagentypen
wendet. Typische Anwendungsbereiche sind die Medizin-
technik (zum Beispiel Zahninlays, Implantate, Hörgeräte), Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
der Werkzeug- und Formenbau (zum Beispiel Leichtmetall-
Druckguss und Feinguss), der Maschinenbau, die Luftfahrt Zur Erzielung höherer Leistung (3–10 Kilowatt gegenüber
und die Ersatzteilherstellung im Fahrzeugbau. Im Design- 250–1.000 Watt bei SLS/SLM) wird in einer Verfahrensvari-
und Schmuckbereich findet das Lasersintern seit knapp ante anstelle eines Lasers ein Elektronenstrahl verwendet.
einem Jahrzehnt ebenfalls Verwendung. GE Aviation hat Damit lassen sich selbst hochfeste Stähle bei verkürzter
in Alabama ein Werk mit additiven Produktionsanlagen Prozessdauer verarbeiten. Durch das Elektronenstrahl-
aufgebaut, die Komponenten für Flugzeugtriebwerke her- schmelzen wird die direkte Herstellung metallischer
stellen. Das Unternehmen hat im Jahr 2016 die beiden Bauteile möglich. Daher vermarktet der schwedische
europäischen Anlagenhersteller Arcam und Laser Concept Anlagenhersteller Arcam AB seine EBM-Anlagen unter
übernommen. dem Markennamen ‚CAD-to-Metal‘.
SLS Verlängerungskabel ‚Doppelhelix CABLE‘ (Quelle: CIRP, Design: Yusuke Goto)
15Multimaterial-Laserstrahlschmelzen
Bislang kann in Pulverbettverfahren lediglich ein Werk-
stoff verarbeitet werden. Mit Blick auf die Ausweitung der
additiven Produktion wäre die generative Herstellung von
Komposit-Strukturen beziehungsweise die Kombinationen
verschiedener Werkstoffqualitäten in metallischen Hoch-
leistungsbauteilen von großem Interesse. Wissenschaftler
Desktop SLS-Anlage (Quelle: Sintratec) am Fraunhofer IGCV forschen seit über drei Jahren an der
simultanen Verarbeitung von zwei Metalllegierungen in
Desktop SLS einem Aufbauprozess durch Laserstrahlschmelzen (LBM).
Im Sommer 2017 ist mit einem Angussstutzen das erste
Nach dem Auslaufen grundlegender Patente für das 3D-gedruckte Multimaterialbauteil vorgestellt worden. Der
Selektive Lasersintern sind neue Anlagenhersteller am Erfolg ist Resultat einer neuartigen Auftragsmethode einer
Markt erschienen. Dabei wird unter anderem auf den Markt LBM-Anlage, der soft- und hardwaretechnisch integriert
für kleine und preiswerte Desktop-Lösungen fokussiert. wurde. Dabei konnte ein 3D-Multimaterialbauteil aus dem
Eine der ersten Mini-Lasersinteranlagen wurde Ende Werkzeugstahl 1.2709 und einer Kupfer-Chrom-Zirkoni-
2015 vorgestellt und stammt vom polnischen Start-up um-Legierung (CCZ) additiv erzeugt werden.
„SinterIT“ aus Krakau. Die Anlage hat eine Größe von 66
× 62 × 40 Zentimeter, wiegt lediglich 40 Kilogramm und
weist einen maximalen Bauraum von 150 × 200 × 150 Laser-Pulver-Auftragsschweißen
Millimeter auf. Bei einer Leistung der Laserdiode von 5
Watt können Schichtdicken zwischen 0,075 Millimeter und Das Laserauftragsschweißen (LMD) ist ein seit Jahren eta-
0,175 Millimeter erzielt werden. Die Unternehmen bieten bliertes Verfahren zum Aufbringen metallischer Schichten
mit dem schwarzen Polyamidpulver (PA12) ein Material in großen Dicken als Verschleißschutzschicht oder zur
an, mit dem sich gummiartige, flexible Bauteile umsetzen Reparatur eines Bauteils. Es ist kein Pulverbettverfahren,
lassen. Weitere Anbieter günstiger SLS-Anlagen sind das wird aber im Kontext des metallischen 3D-Produktdrucks
Schweizer Unternehmen Sintratec sowie der italienische heute genutzt. Dabei wird Metallpulver in einen Laserstrahl
Hersteller Sharebot. geblasen. Die hohe Energieleistung des Laserstrahls
schmilzt das Pulver auf und verbindet es metallurgisch
zu einer festen Schicht. Auf der Basis von 3D-CAD-Daten
HP Multi Jet Fusion können 3D-Metallstrukturen entstehen. Die Bauteilgröße
ist beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen nicht limitiert.
Die Pulverbetttechnologie von Hewlett Packard ist eine Die kleinste Strukturauflösung beträgt 30 Mikrometer. Es
Großanlage (Bauraum: 406 x 406 x 305 Millimeter) für können Stähle, Titan-, Aluminium-, Nickel- und Kobalt-
den additiven Produktdruck, die im Jahr 2016 präsen- Legierungen verarbeitet werden. In der Entwicklung be-
tiert wurde. Sie arbeitet nicht mit einem Laser, sondern finden sich intermetallische Titan-Aluminide und Ni-Basis-
einer Infrarot-Energiequelle. Das Kunststoffpulver wird Hochtemperaturwerkstoffe.
schichtweise aufgetragen, mit Hilfe eines Inkjet-Druckkopfs
werden zwei Binderflüssigkeiten mit unterschiedlicher
Wärmeleitfähigkeit eingebracht. Die eine ist thermisch
besonders leitfähig und verstärkt die Schmelzwirkung der
Partikel in den Bereichen des gewünschten Bauteils. Die
andere Flüssigkeit wird an den Rändern der Teilegeome-
trie aufgetragen und wirkt als thermische Blockschicht.
Ergebnis sind scharfe Kanten, glatte Oberflächen und
ein sauberes Druckergebnis. Schichtdicken von 70-80
Mikrometern sind möglich. Die Anlage ist zunächst für
die Verwendung eines PA 12-Pulvers mit feiner Körnung
von Evonik optimiert. Mit einer Druckgeschwindigkeit von
4.500 Kubikzentimeter pro Stunde und einer möglichen
Auflösung von 1.200 dpi steht die Anlage im Bereich der
Kleinserienfertigung in Konkurrenz zum Kunststoffspritz-
guss.
161 Stütz- und Baumaterial wird
in Druckkopf eingezogen
2 Extrusionskopf erwärmt
Stütz- und Baumaterial
3 Bauplattform senkt sich
4 Bau- und Stützmaterial 1
wird aufgebracht
2
2.1.3 Strangablegeverfahren Extrusionsdüsen
Extrusions-
kopf
Werkstück
Das Auslaufen einiger wesentlicher Schutzrechte im Jahr 4
Stützmaterial
2009 hat für das so genannte Strangablegeverfahren
Bauplattform
einen Entwicklungsschub bewirkt. Mittlerweile zählen
Anlagen dieses Verfahrensprinzips zu den bedeutendsten 3
Techniken für die Verwendung in Kreativberufen und in
privaten Kontexten. Gründe dafür sind der wenig kom-
plexe Aufbau der Anlagen, das einfache Handling und Rolle Rolle
die Bandbreite der zur Verfügung stehenden Materialien. Baumaterial Stützmaterial
Auch die guten mechanischen Qualitäten spielen eine
Rolle. Da die Anlagen in der Regel mit einem aufschmelz- Verfahrensprinzip der Strangablegeverfahren
baren Filament arbeiten, haben sich die Begriffe Fused
Filament Fabrication (FFF) und Fused Layer Modeling
(FLM) durchgesetzt. Die oftmals genannte Bezeichnung
Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine vom amerika-
nischen Unternehmen Stratasys Ltd. geschützte Marke. Verfahrensprinzip
Neben den Filamentdruckern haben sich auch solche
unter Verwendung von Granulat unter dem Namen Fused Die Strangablegeverfahren arbeiten mit einem unter Wär-
Granular Fabrication (FGF) am Markt etabliert. Mit diesen meeinfluss erweichbaren Material. Es wird – vergleichbar
ist der 3D-Druck besonders großer Bauteile in hoher Ge- mit einer Heißklebepistole – durch eine erhitzte Düse
schwindigkeit möglich. Die Cincinnati Inc. (USA) betreibt gepresst und entweder linien- (zum Beispiel FLM) oder
eine BAAM-Anlage (Big Area Additive Manufacturing) mit tröpfchenförmig (zum Beispiel Freeformer) aufgebracht.
einem Bauraum von 6 x 2,3 x 1,8 Meter. Ein Steuermechanismus regelt die schichtweise Verteilung
des Materials auf der Bauteilplattform oder der bereits
entstandenen Struktur, wo der Werkstoff dann unmittel-
bar abkühlt und erstarrt. Das Bauteil entsteht sukzessive
durch das Verschmelzen der jeweiligen Schichten. Das
Druckbett wird nach jeder Schicht um den Bruchteil
eines Millimeters abgesenkt, die Schichtdicke durch
Glättung mit der Düse bestimmt. Übliche Schichtdicken
liegen zwischen 0,025 und 1 Millimeter. Hinterschnitte
und Hohlräume können mit diesem Verfahrensprinzip
allerdings nur bedingt realisiert werden. Daher sind für
die Umsetzung steil ausragender Bauteilgeometrien feine
Stützkonstruktionen erforderlich. Bei neuen Anlagentypen
wird das Supportmaterial gleich auf einer zweiten Spule
mitgeführt und aufgetragen. Nach Beendigung des
Drucks muss die Stützkonstruktion entfernt werden. Dafür
ist die Verwendung eines wasser- oder laugenlöslichen
Thermoplasts hilfreich.
Materialien
Lange Jahre waren die für das Fused Layer Modeling
verwendbaren Materialien auf wenige thermoplastische
Kunststoffe wie ABS, Polyester oder Polycarbonat bezie-
hungsweise auf verschiedene Wachssorten begrenzt.
Mit dem Aufkommen von Biokunststoffen kam PLA als
neues Standardmaterial hinzu. Aufgrund der starken
Verbreitung von Filamentdruckern in der Kreativwirtschaft
und unter Designern hat der Markt mit neuen Materia-
lien und Verbundwerkstoffen reagiert und damit dem
Strangablegeverfahren im Betrieb
(Quelle: Delta Tower, Thorsten Franck) 17Wunsch nach vielfältigeren Gestaltungsmöglichkeiten Anwendung
entsprochen. Mittlerweile sind Filamente erhältlich, mit
denen holzartige (zum Beispiel LAY-Wood), kerami- Wurden additive Extrusionsanlagen vornehmlich zur
sche (zum Beispiel LAY-Ceramic) oder sandsteinartige Erstellung von Anschauungsmodellen genutzt, finden
Oberflächen (zum Beispiel LAY-Brick) erzeugt werden diese Einzug in die direkte Produktherstellung und den
können oder die elektrisch leitfähige, magnetische oder Privatbereich. Immer mehr Unternehmen steigen in den
optische Eigenschaften haben. Auch für die Umsetzung Markt für bürotaugliche Systeme ein. Durch die Entwick-
von 3D-Membranen und porösen Filtern beziehungs- lung höherwertiger Materialien und Anlagen mit großem
weise biegsamen und gummiartigen Objekten sind auch Bauraum erreicht die Nutzung derzeit Möbelindustrie und
solche Filamentlösungen am Markt erhältlich. Im Projekt Interiordesign. Außerdem haben Baumärkte ihr Angebot
BioFabNet werden seit Ende 2013 biobasierte Werkstoff- um 3D-Drucker und Dienstleistungen für den kreativen
lösungen insbesondere für Drucker im Konsumenten- Heimwerker erweitert.
bereich entwickelt. Außerdem befassen sich mehrere
Wissenschaftler und Designer mit der Entwicklung von
Filamentlösungen auf Basis vonAbfallmaterialien und
recycelten Wertstoffen. Im Herbst 2014 hat der US-Ame- Wirtschaftlichkeit
rikaner Mark Forged aus Boston den weltweit ersten Car-
bonfaserfilament-Drucker vorgestellt. Im Jahr 2017 sind Die Preise für filamentbasierte Drucker sind seit der
mehrere Hersteller von Metallfilamenten hinzugekommen, Erwerbsmöglichkeit von Bausätzen im Internet enorm
um die preisgünstige Herstellung von Metallbauteilen gesunken. Mittlerweile können diese im Fachhandel
auch mit Hilfe von Filamentdruckern zu ermöglichen. für einen Preis von 500 bis 800 Euro bezogen werden.
Minianlagen sind bereits für unter 200 Euro erhältlich.
Allerdings werden mit den günstigen Anlagen keine hohen
Genauigkeiten erzielt. Für höherwertige Systeme muss
im Consumer-Bereich ein Anschaffungspreis von 1.500
bis 3.000 Euro und für die Industrie ein Preis von 10.000
Euro kalkuliert werden. Die Filamente werden je nach
Sorte für 10 bis 50 Euro je Kilogramm in verschiedenen
Farben angeboten.
Besondere Verfahren und Anlagentypen
BIG Fused Granular Fabrication (FGF)
Lay-Wood Holzfilament (Quelle: ccproducts) Das Start-up BLB Industries aus Värnamo in Schweden hat
im Jahr 2016 den ersten europäischen FGF-Großdrucker
präsentiert, der Standardgranulat verarbeiten kann und
Bauteilgrößen, Genauigkeit, Nachbearbeitung Kunststoffteile in einem Bauraum mit einer Größe von
1,5 x 1,1 x 1,5 Meter und einem Durchsatz von 6 Kilogramm
Die Größen auf dem Markt befindlicher Anlagen reichen pro Stunde additiv produzieren kann. Die Anlage basiert
von wenigen Quadratzentimetern bis hin zu mehr als einem auf dem Plattformgedanken und kann in Bezug auf die
Quadratmeter. Grundsätzlich ist die Verfahrenstechnolo- Größe angepasst werden. Als Maximalgröße geben die
gie nicht auf einen Bauraum begrenzt, da sich die Düse Entwickler 5 x 5 x 5 Meter und eine maximale Fertigungs-
mit dem Filament auch mit einem Roboterarm bewegen leistung von 35 Kilogramm pro Stunde an.
ließe. Da in der Regel thermoplastische Kunststoffe zum
Einsatz kommen, ist eine Nachbearbeitung aufwendig.
ABS-Oberflächen können beispielsweise mit Aceton Freeformer
bedampft, angelöst und geglättet werden. Vor allem bei
kleinen Bauteilen muss wegen des Düsendurchmessers Der Spritzgussanlagenhersteller Arburg ist mit dem so
eine Ungenauigkeit in z-Richtung einkalkuliert werden. genannten Freeformer Ende 2013 in den Markt generativer
Negativ auf die Bauteilqualität wirkt sich Verzug infolge Fertigung eingestiegen. Das Maschinenbauunternehmen
unterschiedlich schneller Erstarrungsgeschwindigkeiten war der erste Hersteller, der handelsübliches Material in
im gedruckten Teil aus. Außerdem kann es zum Lösen Form von Standardgranulaten verwendet. Dieses wird
einzelner Schichten kommen. in einem beheizten Plastifizierzylinder aufgeschmolzen
18und als Kunststofftröpfchen aufgetragen. Der patentierte
Düsenverschluss ermöglicht unter Verwendung hoch-
frequenter Piezotechnik ein schnelles Öffnen und Schlie-
ßen für bis zu 200 Kunststofftröpfchen pro Sekunde und
einen präzisen Materialauftrag. Unter Verwendung des
Serienmaterials werden 70 bis 80 Prozent der Festigkeiten
vergleichbarer Spritzgießbauteile erzielt. Der Freeformer
hat einen Bauraum von 230 x 135 x 250 Millimeter. Mit
einer zweiten Düse lassen sich auch Bauteile mit unter-
schiedlichen Kunststoffen (zum Beispiel Hart-Weich-
Verbindungen) realisieren.
Hochleistungs-PEEK-Kunststofffilament
Das Start-up Apium Additive Technologies aus Karlsruhe
macht mit seiner Anlage als erstes Unternehmen weltweit Faserverstärkter 3D-Druck (Quelle: Mark Forged)
den Filamentdruck für Hochleistungspolymere wie PEEK
(Polyetheretherketon) für industrielle Anwendungen mög-
lich. Dies war aufgrund der besonderen Materialqualitäten
vorher nicht möglich. Neben dem PEEK-Filament samt
Druckanlage bietet Apium auch eine Filamentlösung mit Composite 3D-Printing
Kohlenstofffasern an. Damit wird der Filamentdruck auch
im Maschinenbau und in der Medizintechnik für hochfeste Das US-amerikanische Unternehmen Markforged hat
Bauteile angewendbar. Ende 2014 die weltweit erste FLM-Anlage präsentiert, mit
der faserverstärkte Bauteile hergestellt werden können.
Die Anlage arbeitet sowohl mit Carbon- als auch mit
Glasfaserverstärkung und hat einen maximalen Bauraum
von 320 x 154 x 132 Millimeter. Die Standardvariante hat
einen Preis von 6.500 Euro. Nach Angaben des Entwick-
lers sollen die carbonfaserverstärkten Bauteile eine um
40 Prozent höhere Stabilität aufweisen als vergleichbare
Bauteile aus ABS. Zudem sollen sie ein deutlich besseres
Festigkeits-Gewichts-Verhältnis haben als solche aus
6061-T6 Aluminium.
3D-gedrucktes Implantat aus PEEK
(Quelle: Apium Additive Technologies)
19Effekt beim Drucken mit retroreflektierendem Filament
(Quelle: Kai Parthy)
Reflect-o-Lay
Das von cc-Products entwickelte Druckfilament enthält
Millionen kleinster reflektierender Pigmente. Mit ihm lässt
sich der optische Effekt der Retroreflektion, den man zum
Beispiel von Warnwesten aus dem Straßenverkehr kennt,
auf 3D-gedruckte Objekte übertragen. Unter normalen
Bedingungen erscheint das Material in seiner typischen
grauen Farbe. Strahlt man es jedoch an, werden die
Mit einem Metallfilament gedrucktes Bauteil Lichtstrahlen immer genau in die Richtung reflektiert,
(Quelle: Fraunhofer IFAM Dresden) aus der sie kommen.
Metallfilament 3D-Druckfilamente aus lokal produzierten Algen
Die XERION Group entwickelt in Zusammenarbeit mit Die beiden niederländischen Designer Eric Klarenbeek
dem Fraunhofer IFAM aus Dresden derzeit ein Verfah- und Maartje Dros haben in den letzten sechs Jahren ein
ren, um metallische Teile im Filamentdruck herstellen für den 3D-Druck nutzbares Biomaterial auf Basis von
zu können. Das kunststoffbasierte Druckfilament wird Algen entwickelt. Im Herstellungsprozess werden die
dabei mit Metallpulvern angereichert; nach dem Druck Algen zunächst kultiviert, getrocknet und mit anderen
werden die überschüssigen Kunststoffanteile thermisch natürlichen sowie lokal verfügbaren Zusatzstoffen und
ausgetrieben. Durch anschließendes Sintern des so einem Biopolymer in ein druckbares Filament transfor-
genannten Grünlings bei höheren Temperaturen wird miert. Antrieb für diese Entwicklung war es, nicht nur
das Bauteil verfestigt und erhält die für Metalle typische eine Alternative zu den klassischen Kunststofffilamenten
Bauteildichte sowie Festigkeit. Dabei muss ein erhebliches anzubieten. Vielmehr steht die CO2-Bilanz im Vordergrund,
Schrumpfmaß einkalkuliert werden. Das Besondere des denn Algen absorbieren CO2 beim Wachstum aus der
Vorhabens ist es, den Drucker, das Ofensystem und eine Atmosphäre.
mechanische Fräse in einer Unit zu platzieren. Alle drei
Systeme erhalten eine gemeinsame Steuerung inklusive
der Rezeptverwaltung.
3D-gedruckte Gefäße aus einem algenbasierten Druckfilament
(Quelle: Eric Klarenbeek und Maartje Dros)
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