Einsatzgebiete von 3D-Druckern im Mittelstand

Gehört dem 3D-Druck die Zukunft?

Obwohl die 3D-Druck-Technik bereits seit mehr als 30 Jahren existiert, erlebt sie momentan geradezu einen Hype: Neue Hersteller strömen auf den Markt und promoten ihre Geräte als vielseitige „Alleskönner“. Was leisten moderne 3D-Drucker wirklich und welche Einsatzgebiete existieren vor allem im Mittelstand?

3D-Drucker im Einsatz

3D-Drucker können heutzutage verschiedenste Modelle entwerfen.

Gerade in letzter Zeit tauchten verstärkt Pressemeldungen bezüglich 3D-Druck auf, die im ersten Moment recht skurril klangen. So gaben Hersteller bekannt, dass sie eine fahrtaugliche Autokarosse oder sogar ein ganzes Haus „gedruckt“ hatten. Wie kann man sich dieses Verfahren vorstellen und woher stammt die Technologie?

3D-Druck: Ursprung in den 80ern


Die Geschichte des 3D-Drucks geht auf das Jahr 1984 zurück, als Charles W. Hull von dem US-amerikanischen Unternehmen 3D Systems Corporation den ersten funktionierenden 3D-Drucker fertigte und ihn 1986 zum Patent anmeldete. Sheldon Nazaré, Repräsentant der RGF-Initiative 3Dion (Ring Grafischer Fachhändler), die Herstellern, Dienstleistern, Händlern und Anwendern die Vision des dreidimensionalen Drucks näher bringt, erinnert sich: „Die 3D-Drucker wurden damals hauptsächlich für die Prototypenerstellung genutzt. Der Einsatz erfolgte aufgrund der hohen Anschaffungskosten nur in bestimmten wenigen Bereichen wie im Militär oder im Automobil- und Werkzeugbau.“

Ein weiterer Meilenstein in der Evolution des 3D-Drucks ereignete sich laut Alberto Valero, Codirektor der Abteilung für Innovation und Robotik beim 3D-Drucker-Hersteller BQ, vor zehn Jahren, als der britischer Ingenieur und Mathematiker Adrian Boyer eine sich selbst replizierende Maschine herstellte. Diese produzierte Teile, die bei ihrer eigenen Konstruktion verwendet wurden. „Wirklich bahnbrechend an diesem Prozess ist, dass Boyer alle seine Schritte öffentlich machte und nur freie Software verwendete. Er stellte sein gesamtes Wissen der Community zur Verfügung.“ Viele Enthusiasten folgten seinem Beispiel und verbesserten sein Model. „Es kam zu einem exponentiellen Wachstum.“

Doch der eigentliche Hype im 3D-Drucker-Segment entstand erst, als 2009 ein entscheidendes Patent für diese Fertigungsform abgelaufen war. „Erstmals konnten nun Nachbauten der Systeme gewagt werden“, weiß Sheldon Nazaré von 3Dion.

Mehrere Druckverfahren


Generell existieren mehrere Druckverfahren, wobei das „gängigste“ wie folgt funktioniert: Die vorher am Computer entworfenen virtuellen 3D-Objekte werden in mehrere horizontale Scheiben „unterteilt“ und als CAD-Daten (computergestütztes Konstruieren, d.h. Produktentwürfe mit computerunterstützter Grafikerstellung) an den 3D-Drucker gesendet. Dieser verarbeitet die Daten automatisiert und erstellt das 3D-Modell im sogenannten Additive-Manufacturing-Verfahren (AM) durch schichtweises Auftragen von Material. So wird z.B. ein flüssiger Klebstoff (Bindemittel) über einen beweglichen Druckkopf (Extruder) auf eine Pulverschicht aufgetragen. Schicht für Schicht werden einzelne Scheiben in das Pulverbett gezeichnet und entsteht aus der Summe der zusammengeklebten Pulverteilchen entsteht ein 3D-Modell.
Die kostengünstigste und verbreitetste 3D-DruckTechnik (Fused Deposition Modeling (FDM)  verwendet Kunststoffe – hier wird der Kunststoff als Faden von einer Rolle in den Extruder geführt und erhitzt. Anschließend werden auch hier die verschiedenen Schichten peu á peu aufgetragen. Um mehrfarbige Objekte zu entwerfen, werden zwei Extruder und verschiedenfarbiges Material benötigt. Möchte man überhängende Strukturen oder Hohlräume erzeugen, können (wasserlösliche) Stützmaterialien eingesetzt werden, die nach dem Fertigstellen des 3D-Modells ausgewaschen oder – ähnlich wie bei einer Schablone – ausgebrochen werden können. (Weitere Druckverfahren: siehe Kasten auf Seite 42)

Potential im Mittelstand vorhanden


Heute ist die 3D-Druck-Technik bereits bis in den Konsumentenbereich vorgedrungen – selbst bekannte Elektrofachgroßhändler haben schon entsprechende Modelle im Angebot. Doch ist für viele Hersteller die Industrie „die“ relevante Zielgruppe, wenn es um den Vertrieb ihrer Geräte geht, denn das Potential von 3D-Druckern ist laut Manfred Stein, Director Marketing & Corporate Communications bei Freudenberg IT, gerade in der industriellen Produktion enorm. „Die mittelständische Fertigungsindustrie in Deutschland hat die vielversprechenden Möglichkeiten dreidimensionaler Werkstücke erkannt und ist sehr daran interessiert.“ Dies bestätigt die Umfrage „IT Innovation Readiness Index“, die das Marktforschungsinstitut Pierre Audoin Consultants (PAC) im Auftrag des IT-Dienstleisters durchgeführt hat. Danach stimmen 23 Prozent der befragten mittelständischen Fertigungsunternehmen der These zu, dass durch 3D-Drucker Kosten- und Effizienzvorteile in der Produktion realisiert werden können. Doch wie genau?

Insbesondere dort, wo kleinste Losgrößen oder individuelle Sonderanfertigen gefragt sind, eröffnen 3D-Drucker neue Möglichkeiten. So besitzen kleine und mittelständische Unternehmen den Vorteil, dass sie entsprechende Teile lokal herstellen und dadurch kurze Lieferzeiten bieten können. Kosten werden laut Garry Shu, Senior Manager of Market Development beim 3D-Drucker-Anbieter XYZprinting, vor allem in der Produktentwicklung (Prototyping) gespart. „Unkompliziert können Modelle erstellt werden, die perfekt auf den Kunden zugeschnitten sind.“ Das fertige Produkt könne auch in geringer Auflage produziert werden ohne dabei den Kostenrahmen zu sprengen. Ähnlich sehen es die mittelständischen Anwender – zumindest was den Einsatzbereich von 3D-Druckern anbelangt. So nannten sie in einer von IT-MITTELSTAND in Auftrag gegebenen Techconsult-Umfrage zuvorderst die Forschungs- und Entwicklungsabteilung (70,3 Prozent) als den Unternehmensbereich, in dem 3D-Drucker am effektivsten eingesetzt werden können. Die Produktion nannten knapp zwei Drittel der 200 befragten Unternehmen als weiteres Haupteinsatzgebiet.

Auswahl des passenden Gerätes


Wie bei jeder neuen Technologie dreht sich vieles um die Investitionskosten. Worauf sollten Mittelständler bei der Auswahl des passenden Drucksystems achten und welches Budget sollten sie einplanen? Anbieter antworten darauf gerne dass dies natürlich auf die individuellen Anforderungen ankommt. So weit, so gut. Doch was könnten Anhaltspunkte sein, an denen sich interessierte Mittelständler orientieren könnten? Thomas Meurers, ebenfalls 3Dion-Repräsentant, rät: „Noch vor der Investition sollten Mittelständler ihren Kundenstamm und ihr Produktangebot überprüfen.“ Danach sollten sie abwägen, ob ein 3D-Zusatzangebot an bestimmte Kunden Sinn ergibt. Ist dies der Fall, raten Anbieter, bei der Auswahl eines 3D-Druckers in erster Linie auf den zur Verfügung stehenden Druckbereich, die Qualität und Schnelligkeit des Drucks zu achten. Auch die unterstützten Druckmaterialien spielen eine entscheidende Rolle, „denn einige 3D-Drucker erlauben nur die Verwendung bestimmter Materialien, oft die des Herstellers“, weiß Alberto Valero von BQ. Auch der technische Service, den der Hersteller oder Vertrieb anbietet, sowie Schulung, Beratung und Sicherheit sind relevante Entscheidungskriterien vor der Investition.

Ist die Entscheidung zur Anschaffung eines 3D-Druckers gefallen, empfiehlt Thomas Meurers, „zuerst in ein Einstiegssystem zwecks Erfahrungssammlung zu investieren“. Zwar sind Einstiegsgeräte als Bausatz (verarbeiten einen Kunststoff, eher für den privaten Gebrauch geeignet) bereits ab ca. 500 Euro erhältlich, jedoch rät Meurers zu Midrange-Geräten, die mehrere Kunststoffe verarbeiten können und einen beheizbaren Bauraum besitzen. Diese liegen zwischen 2.500 und 8.000 Euro. „Ab 30.000 Euro beginnt der Marktpreis für Profigeräte, die bis zu sieben verschiedene Kunststoffe (hart, weich, durchsichtig, biegsam, undurchsichtig u.s.w.) nutzen können.“ Letztere eignen sich beispielsweise für den Druck von Brillengestellen, die in einem Druckvorgang gefertigt werden.

Apropos Brillengestelle. Dies ist nur eines von vielen Bauteilen, die mittelständische Unternehmen mittels 3D-Drucker bereits herstellen. Selbst auf die Kinoleinwand haben es in Deutschland gefertigte 3D-Druck-Modelle bereits geschafft, was viele Filmfans mit Sicherheit nicht wussten. „Beim Kinohit James Bond 007 Skyfall waren in bestimmten Szenen sowohl der Aston Martin als auch der Hubschrauber, die beide während des Films in die Luft gejagt werden, 3D-Modelle im Maßstab 1:5“, weiß  Sheldon Nazaré. Diese Modelle wurden von der Firma Voxeljet in Freidberg bei Augsburg auf Basis von Modellentwürfen des britischen Unternehmens Propshop Modelmakers gefertigt.

3D-Implantate für den menschlichen Körper


Überdies finden sich in der Medizinbranche vielfältige 3D-Druck-Anwendungsfelder. Zahnkronen, Brücken, Finger- und Wirbelsäulenimplantate können bereits heute dreidimensional ausgedruckt werden – anhand von digitalen Daten, die etwa aus Bildern der Computertomografie stammen, kann ein entsprechendes Gerät individuelle auf die Anatomie des Patienten abgestimmte Modelle produzieren. Dieser Knochen- oder Gewebeersatz auf Polymerbasis wird im Laufe der Zeit im Körper abgebaut, versprechen die Hersteller. Auch menschliche Haut konnte bereits per 3D-Druck erschaffen werden, jedoch hält diese bisher „nur drei Stunden“, so Nazaré. Dass die Entwicklung hier nach oben offen ist, zeigen bereits gefertigte 3D-Modelle von menschlichen Organen, die Chirurgen als Übungsorgan für bevorstehende Operationen nutzen. Auch Herzklappen wurden bereits dreidimensional hergestellt, die laut Medizinforschern künftig mit einer Lösung aus menschlichen Stammzellen umgeben werden können, die dann an dem 3D-Modell anhaften und miteinander verwachsen.

Nicht nur im Medizinbereich scheint die Entwicklungsgeschwindigkeit in Sachen 3D-Druck rasant fortzuschreiten. So wurde in Chicago bereits ein fahrtauglicher Automobilprototyp entwickelt: Hergestellt aus einem Kunststoff-Karbon-Gemisch wurden lediglich Motor, Batterien und einzelne mechanische Teile wie Federn oder Aufhängung separat gefertigt. Das Unternehmen Local Motors möchte dieses Modell jetzt weiterentwickeln und als Elektro-zweisitzer in Zukunft auf die Straßen bringen. Und in China wurde sogar ein ganzes Haus innerhalb von 24 Stunden per 3D-Druck kreiert, das laut dem Unternehmen Shanghai Winsun Decoration Design and Engineering eine Etage und eine Grundfläche von ca. vier mal sechs Metern besitzt. Die genannten Beispiele sind teilweise überdimensioniert und mit Sicherheit noch nicht ausgereift – sie zeigen dennoch auf, welche Architekturmodelle mit 3D-Druck heute schon realisierbar sind.

Zukunftsaussichten für mittelständische Fertiger


Zurück nach Deutschland. Für hiesige mittelständische Serienfertiger können sich durch den Einsatz von 3D-Druckern Innovationszyklen verkürzen, denn das nächste neue Produkt liegt laut Manfred Stein von Freudenberg IT quasi nur einen „Druckjob“ weit entfernt. So sei es längst kein futuristisches Szenario mehr, dass aktuell benötigte Teile statt vom Lieferanten direkt am Montageband on demand aus dem 3D-Drucker stammen. „Der Weg zu einer Dezentralisierung der Fertigung in Mikrofabriken und einer signifikanten Verkürzung der Lieferketten scheint damit vorgezeichnet“, blickt Stein in die Zukunft. Auch Garry Shu von XYZprinting glaubt, dass in den Bereichen Prototypen- und Produktentwicklung die Effizienz mittelständischer Industrieunternehmen gesteigert werden kann. „Darüber hinaus wird auch das Risiko von Industriespionage verringert, da die Modelle nicht mehr zur Prototypisierung an andere Unternehmen geschickt werden müssen“, fügt Shu an.

Was die Geräte selbst anbelangt, wird sich laut den verschiedenen Anbietern die Druckgeschwindigkeit weiter verbessern, was auch damit zusammenhängt, dass große Druckerhersteller wie HP den 3D-DruckerMarkt mit eigenen Geräten bereichern und in die Entwicklung investieren werden.

Die Integration neuer Druckmaterialien nennen die Anbieter unisono als weiteren Zukunftstrend. So können demnächst z. B. Imitationen von Holz, Kupfer oder Bronze genau so erzielt werden wie 3D-Modelle aus Lebensmitteln wie Schokolade. Auch hier scheint die Entwicklung noch in den Startlöchern zu stehen, weshalb sich in Zukunft Nischen herauskristallisieren könnten, in die Mittelständler durchaus stechen könnten. Es wird spannend zu beobachten sein, inwieweit der „Hype“ um die 3D-Drucker anhält – das Potential des 3D-Drucks ist jedenfalls vorhanden. Ob sich der flächendeckende Einsatz im deutschen Mittelstand daraus entwickelt, bleibt abzuwarten.



Eine Auswahl an 3D-Druck-Verfahren

  • 3D-Pulver-Druckverfahren: Beim 3D-Druck entsteht ein 3D-Modell additiv aus zwei Komponenten. Gipsartiges Pulver mischt sich mit einem Bindemittel. Das Pulver wird in einer dünnen Schicht verteilt. Mithilfe des Binders (Klebstoff) haftet die nächste überlagernde Schicht mit der darunterliegenden.
  • Selektives Lasersintern (SLS): Unter „Sintern“ wird ein Rapid-Prototyping-Verfahren verstanden, bei dem die Herstellung von 3D-Modellen mithilfe eines Laserstrahls erfolgt. Das Ausgangsmaterial liegt in einer feinen Pulverschicht vor. Der Laser schmilzt die Pulverpartikel entlang der gewünschten Kontur. Die darüber aufgetragene Pulverschicht kann sich so mit den geschmolzenen Partikeln verbinden.
  • Stereolithografie (SLA) – ein Flüssigdruckverfahren: Das Werkstück befindet sich bei diesem Vorgang in einem Flüssigbad aus Photopolymer, in das es nach und nach tiefer abgesenkt wird. Ein Laser fährt bei jedem Schritt über den Ausgangsstoff, um die gewünschte Form zu schaffen.
  • Fused Deposition Modeling (FDM) – Schmelzschichtungsverfahren: In der Herstellung wird Kunststoff erhitzt, bis er einen fast flüssigen Aggregatzustand erreicht und somit durch feine Düsen gepresst werden kann. Der entstehende extrem feine Faden dient dann zur Erstellung der einzelnen Modellschichten.

Quelle: Rapidobject GmbH

Bildquelle: © Thinkstock/iStockphoto

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