Additive Fertigung: Was mit additiver Fertigung machbar ist

Business mit 3D-Druck

Von Franz Grieser, All3DP.com

Die EOS GmbH hat sich auf dem ehemaligen Pionierübungsplatz im Kreuzlinger Forst vor den Toren Münchens niedergelassen. Das passt. Denn die Gründer Hans J. Langer und Hans Steinbichler waren in den 90er Jahren wahre Pioniere der additiven Fertigung, genauer: der Stereolithografie. Heute sind die Kraillinger Electro Optical Systems weltweit SLS-Markführer. Selektives Lasersintern härtet ein lichtempfindliches Polymerpulver Schicht für Schicht auf einer Arbeitsfläche – das hat den unschlagbaren Vorteil, dass SLS zum Beispiel auch Bauteile mit komplexen Hohlräumen und Binnenformen schaffen kann, wie sie mit Gussverfahren gar nicht möglich wären. Und an genau solchen Geometrien, die auch kaum aus einem Stück zu fräsen oder zu drehen sind, war der ursprüngliche Auftraggeber BMW für seine Motoren interessiert.

Vom Motorblock zum Filament

Liegen die Anfänge der 3D-Drucktechniken bei der Luftfahrt- und Automobiltechnik, so liegt auch heute noch der Schwerpunkt der industriellen Anwendung in diesen Branchen. Aus Einzelstücken, Prototypen und Modellen wurde immer schnelleres Rapid Prototyping und schließlich serienproduktionstaugliche Fertigung. Dass sich dafür das plakative Label 3D-Druck durchgesetzt hat, liegt nicht zuletzt am alternativen Verfahren der Schmelzschichtung, das die meisten einfacheren Geräte verwenden: Fused Deposition Modeling entstand Ende der 80er bei der Firma Stratasys. FDM-Geräte erhitzen das Druckmaterial und pressen es durch eine Düse (einen Extruder) im Druckkopf. Die erste Schicht kommt direkt auf das Druckbett, danach geht es Schicht für Schicht nach oben; die Schichten sind je nach Drucker und Einstellung 0,2 oder 0,3 mm dick. Als Material kommen typischerweise Thermoplaste zum Einsatz – die meisten Modelle verarbeiten PLA (Polylactide), Industriegeräte können auch mit ABS (Acrylnitril-Butahdien-Styrol) umgehen, mit Wachs, Porzellan oder Holz- und Metall-Kunststoffmischungen.

Gemeinsam ist allen additiven Fertigungsverfahren, dass das Werkstück nicht von einem Rohling abgetragen, gefräst oder ausgeschnitten, sondern computergesteuert Schicht für Schicht aufgebaut wird. Während das FDM-Druckmaterial als sogenannte Filamente vorliegt, in dünnen Strängen von 1,75 oder 3 mm Stärke, arbeitet die Stereolithografie mit lichtempfindlichem Spezialharz, das ein Laser oder ein Projektor aushärtet. Bei diesen SLA-Verfahren befindet sich flüssiges Kunstharz (Resin) in einem Tank. Der Laser „zeichnet“ Schicht für Schicht des Objekts in das Harz und härtet es so, man spricht hier von „kurieren“; bei SLA-Druckern mit Projektor wird das Bild schichtweise in das Harzbad projiziert. Zugleich wird das gedruckte Objekt Schicht für Schicht aus dem Harztank gezogen. Anders als bei FDM druckt man hier also von oben nach unten.

SLA arbeitet deutlich präziser als FDM und die Details sind sichtbar feiner. Nachteilig ist, dass die Harztanks und die Auflage auf dem Druckbett sehr schnell verschmutzen und häufig ausgetauscht werden müssen. Der Marktführer Formlabs gibt an, dass bei seiner Form-1-Reihe der Tank nach 2 bis 3 l Harz ausgetauscht werden muss. Bekannte SLA-Drucker sind Form 1 und Form 2 von Formlabs, Autodesk Ember und WASP Top DLP. Die Preise für diese Geräte beginnen bei 3500 Euro. Form 1 und Form 1+ sind bei 3D-Druckdienstleistern sehr beliebt, wie Umfragen von 3D Hubs zeigen. 3D Hubs ist ein internationales Netzwerk, in dem sich derzeit fast 2300 Besitzer von 3D-Geräten zusammengeschlossen haben und Endkunden 3D-Services anbieten. Die Ergebnisse dieser Modelle erhalten von den Kunden sehr hohe Noten: im Schnitt 4,76 von 5 möglichen Punkten. Das sagt allerdings mehr über die Endkundenerwartungen als über die Technologie.

Zielgruppen und Bedarf

Drei große Segmente lassen sich im 3D-Druckmarkt unterscheiden: Zum einen gibt es die Dienstleister, die sich an Endkunden richten – hier ist FDM in der Regel die Methode der Wahl; die Treiber auf diesem Feld sind Individualisierung und, zu keinem geringen Teil, der Reiz der Innovation. Zweitens sind da die Bildungseinrichtungen, die nicht nur der Wohlers Report als wichtigste Kunden sieht. Im Zuge der weltweiten Förderung der MINT-Kompetenzen (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft, Technik) an Schulen und Universitäten ist der 3D-Druck der perfekte Brückenschlag zwischen CAD-Studium und handfester Arbeitswelt. Auch für dieses Segment setzt allerdings die Gartner-Marktprognose 2015 hauptsächlich Modelle unterhalb von 2500 US$ an.

Der dritte, der wichtigste Bereich sind schließlich die Unternehmen. Hier geht es vor allem um die zeitkritische Erstellung von Prototypen, um die schnellere Produktentwicklung und um die Arbeit an Innovationen. Dieses Segment umfasst die Industrie ebenso wie die Medizintechnik, den Bau und sogar die Lebensmittelproduktion. In den meisten Fällen kommt hier das Lasersintern zum Einsatz, teils deshalb, weil es die Materialeigenschaften erfordern, teils weiterhin aus der Logik der Formgebung heraus – SLS kann Metall, Keramik oder Kunststoffe verarbeiten und Werkstücke nahezu beliebiger Geometrie erzeugen.

SLS-Maschinen sind anders als FDM- oder SLA-Modelle keine Geräte, die auf den Schreibtisch passen, sondern zumeist schrankgroße Maschinen, die um die 100.000 Euro kosten. Den Gartner-Zahlen zufolge entscheidet die Mehrheit der Unternehmen (37 %) nach der Qualität des Endprodukts, doch zugleich halten die hohen Kosten entsprechender Geräte bislang noch viele Unternehmen von der Anschaffung ab. Groß war daher das Aufsehen, als die Schweizer Firma Sintratec 2014 eine SLS-Entwicklung für unter 5000 Euro ankündigte. Seit Mitte 2015 gibt es das etwa kühlschrankgroße Sintratec Kit tatsächlich für 4999 Euro zu kaufen. Für die anspruchsvolle Lasersinter-Techonologie ist aber auch umfangreiches Know-how erforderlich, sodass sich ein eigener, florierender Markt für professionelles B2B-Prototyping herausgebildet hat. Große SLS-Maschinen stehen aber auch hinter dem Publikumsgeschäft von Online-Druckdienstleistern wie Shapeways, Sculpteo oder i.materialise, die damit zum Beispiel Schmuck in Edelmetallen anbieten können.

Mehr Logistik, weniger Versand?

Materialtechnisch scheint 2016 nahezu nichts mehr unmöglich. Und nahezu jede Einsatzmöglichkeit wird im Moment daraufhin getestet, ob sie als Grundlage eines Geschäftsmodells taugt. Der niedrigpreisige Markt für Zubehörteile, Gadgets und Nerd-Spielzeug, entwickelt sich zwar stark in Richtung Open-Source-Vorlagen, wie das Beispiel der Halterung für die GoPro zeigt, doch hat er eine wirtschaftlich interessante Folgeentwicklung. „Was gedruckt wird, wird verschickt“ gibt die US-Post als Devise aus. Sie schätzt in ihrer 2015er-Studie den Erlös aus dem Transport mit 3D-Produkten auf 323 bis 646 Millionen US$, je nach Szenario – und dabei geht die Untersuchung noch von den relativ bescheidenen Marktzahlen 2013 aus.

Auf dem Postweg läuft schon jetzt eine Unmenge an ausgefallenem Design und Schmuck, vom Lampenschirm bis zum 3D-BH von Mesh Lingerie aus Delft. Eine innovative Kombination stellt der Eco-Bikini dar, mit dem Mihri Ozkan den ersten Preis bei der Reshape 15 Wearable Technology Competition errang: Das Bikini-Oberteil besteht aus einer 3D-gedruckten Struktur, in die ein schwammartiges Material eingesetzt wird, das beim Schwimmen Verunreinigungen aus dem Wasser aufnimmt. Der Körper selbst kommt nicht mit dem Schwamm in Kontakt; die Verunreinigungen lösen sich erst bei hohen Temperaturen aus dem Material.

Genau entgegengesetzt wirkt das Argument der Logistik im Markt für Ersatzteile, der beste Zukunftsaussichten hat. Hersteller von Geräten oder Fahrzeugen aller Art müssen oft über Jahre Ersatzteile auf Lager halten, um ihre Kunden zu versorgen. Das bindet viel Kapital und Lagerkapazität; außerdem spielen die Versandkosten bei Teilen, die oft nur Centbeträge kosten, eine große Rolle. Marktbeobachter gehen daher davon aus, dass in Zukunft immer mehr Ersatzteile nicht mehr in Masse gefertigt und beim Hersteller vorgehalten werden. Stattdessen senden die Hersteller den Kunden auf Anfrage und gegen Gebühr die 3D-fähigen Dateien zu, sodass die Kunden sie selbst drucken (lassen) können.

Noch weiter, noch größer

Am anderen Ende der Bandbreite stehen additiv gefertigte Raketentriebwerke. So hat die Raumfahrtfirma SpaceX von Tesla-Gründer Elon Musk angekündigt, die Triebwerke für das Raumschiff Dragon V2 im DMLS-Verfahren (Direct Metal Laser Sintering) zu fertigen. Und auch die NASA will mit speziellen SLS-Verfahren die Bauzeit der Einspritzventile künftiger Triebwerke von mehr als einem Jahr auf vier Monate verkürzen und dabei die Kosten um 70 % senken. Schon heute entstehen zahlreiche Bauteile – etwa für neue Mars-Rover – im 3D-Druck, weil diese Art der Fertigung Gewicht spart und gleichzeitig widerstandsfähige Ergebnisse liefert. Bereits erfolgreich getestet wurde die Fertigung von Ersatzteilen im All. So müssen Astronauten nicht mehr zahllose Ersatzteile in eine Raumstation mitnehmen. In Zukunft reichen entsprechende Maschinen, ausreichend Druckmaterial und die 3D-Konstruktionspläne – damit können sie im All Ersatz für defekte Teile anfertigen.

Weltraumorganisationen arbeiten außerdem an 3D-Maschinen, die in der Zukunft Gebäude auf dem Mond oder dem Mars errichten sollen. Auf unserem Planeten funktioniert das bereits. Die italienische Firma WASP hat mit dem BigDelta den weltweit größten 3D-Drucker gebaut, mit dem sich ganze Häuser aus einem Lehm-Pflanzenfasergemisch errichten lassen. Die 12 m hohe Maschine soll zum Beispiel in Drittweltländern kostengünstigen Wohnraum mit Materialien schaffen, die vor Ort vorhanden sind. Die chinesische Firma Winsun baut mithilfe von 3D-Drucktechniken Häuser aus Industrie- und Bauschutt, der als Betonzusatz genutzt wird.

Bioprinting und Medizin

Ein großer Anwendungsbereich, in dem 3D-Druck schon heute erstaunliche Resultate hervorbringt, ist die Medizintechnik. So stellt die Gesundheitsbranche kostengünstig maßgeschneiderte Prothesen her, etwa Hände, Arme oder Beine. Darüber hinaus ist es bereits gelungen, Gewebeteile zu züchten und zum Beispiel Ohrmuscheln oder Luftröhren zu fertigen und Menschen einzusetzen. Und – das ist keine Zukunftsmusik – man ist heute schon in der Lage, „einfache“ Organe wie Blasen aus Stammzellen oder Organzellen des künftigen Trägers herzustellen.

Aufwendiger sind komplexe Organe aus unterschiedlichsten Zellarten wie die Leber, die Nieren oder das Herz. Die Firma Organovo arbeitet gerade an einem 3D-Bioprinter, der Lebergewebe aus menschlichem Gewebe herstellt; ein Gerät, das Blutgefäße ausgibt, hat Organovo bereits gebaut.

Im Vergleich dazu erscheint Essen aus dem Extruder eher als Nudelmaschine 2.0. Das Menü reicht von 3D-gedruckten Pfannkuchen (zum Beispiel in Gestalt eines Firmenlogos) über Schokokreationen bis hin zum Burger aus dem BotBQ Extruder. Tatsächlich könnte sich dieser Zweig angesichts der demografischen Entwicklung als ausgesprochen fruchtbringend erweisen. Seine Vertreter erwarten, dass vorgefertigte Menüs aus dem 3D-Drucker einmal die Mikrowelle ablösen. In jedem Fall zeigt er, dass sich materialtechnisch in wirklich alle Richtung denken lässt. Ernsthaftere Anwendungen könnten in der Versorgung Pflegebedürftiger oder Kranker liegen, die speziell für sie vorbereitete Menüs inklusive Medikation auf Knopfdruck vom 3D-Drucker zubereiten lassen. Das allerdings ist noch Zukunftsmusik.

Nützliche Links

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