Die 3D-Druck-Branche entwickelt sich weiterhin dynamisch. Dies liegt am Wettbewerb verschiedener Verfahren und dem Fortschritt in Maschinen- und Prozesstechnik. Generell kann man attestieren, dass die industrielle Reife von Additive Manufacturing (AM) in Relation zu den klassischen Fertigungsstrategien Gießen und Fräsen weiter zulegt. Die Kriterien dieses „Wettbewerbs“ sind Aufbaugeschwindigkeit, Teilegröße und Wirtschaftlichkeit (Stückkosten). Sie bestimmen die Investitionsentscheidungen der Anwender.
Trend: Produktivere Maschinen und günstigere Materialien
Es gibt sehr viele neue Ansätze beim additiven Herstellen von Bauteilen im Marktsegment von Klein- und Mittelserien (bis zu 100.000 Teile/Jahr). Dies gilt sowohl im Metall- als auch im Polymer-3D-Druck bis hin zu keramischen Anwendungen. Die Anwender fragen daher verstärkt nach produktiveren Maschinen und preisgünstigeren Materialien nach. Dieser Wettbewerbsdruck zwingt die Anbieter von 3D-Druckdienstleistungen, jeweils auf die neueste Maschinen- und Anlagengeneration zu schauen – insbesondere bei anstehenden Investitionsentscheidungen.
Viele Tier-1– und Tier-2-Zulieferer haben inzwischen ein gutes Wissen über die Möglichkeiten und Grenzen der AM-Prozesse entwickelt. Und Anwender, die neu in die AM-Welt einsteigen oder ihre Prozesse optimieren, erhalten Unterstützung von Forschungseinrichtungen, Hochschulen und auf Start-up-Begleitung spezialisierte Unternehmen. Das Expertenwissen ermöglicht den schnelleren Einstieg, verkürzt aber auch den Time-to-Market-Zyklus. Das zeigt das Beispiel der Wissenschaftlerin Faye Mills vom Manufacturing Technology Center (MTC) in Coventry. Mit Industriekunden schlägt sie die Brücke zwischen neuen Fertigungsstrategien und Anwendungen. Sie nutzt unsere CEM-Anlage (Composite Extrusion Modeling)*, um neue Materialien zu erproben und Bauteil-Design-Richtlinien zu erarbeiten.
Trend: 3D-Druck als Teil der Prozesskette
Industrie und Forschung verfügen inzwischen über das Know-how, um Stützstrukturen zu vermeiden und die Teile kostengünstig nachzubearbeiten. Daher ist AM mehr und mehr zum Prozessschritt innerhalb der Produktionskette geworden und wird nicht mehr als einziger Prozessschritt angesehen. Schlagwort ist die integrierte, digitale 3D-Prozesskette.
Der Industrie ist es auch gelungen, dieses Wissen von der Prozess- und Prototypenebene in die Designphase und in die Kommunikation mit den Endkunden zu übertragen. Mit Pellet-3D-Druckern [wie denen von AIM3D*, die Red.] können Unternehmen ihre Prototypen von Grund auf bis zur Serienreife entwickeln mit identischen, marktgängigen Materialien und Maschinen. Bei den Polymeren schließt sich damit erstmals der Entwicklungskreis vom Prototypen bis zur Serie. Dies ermöglicht wachsende Stückzahlen in AM-Serienproduktionen auch in Zukunft.
Trend: Zahl der Polymermaterialien steigt rasant
Diese Pellet-MEX-Drucker* sind hinsichtlich des Verfahrens dem bekannten Filament-MEX/FFF-Druck sehr ähnlich und lassen sich leicht in den Branchen einführen. Sie werden die Stückkosten senken und die Anzahl der verfügbaren Polymermaterialien in der AM-Welt von mehreren 100 auf über 10.000 erweitern.
In Bezug auf das CEM-Verfahren und den Pellet-Druck mit einem 3D-Multimaterialdrucker* ergibt sich für den Anwender eine breite Palette von Materialen bei hoher Druckleistung. Sie reichen von PA6-GF30 über PEEK bis hin zu TPU und von NE-Metallen und Stählen über Wolfram bis hin zu Inconel und Keramiken – um nur einige herauszugreifen. Wirtschaftlichkeit ergibt sich dabei nicht zuletzt aus der Möglichkeit, klassische Polymer-Granulate anstatt von Filamenten zu verarbeiten. Druckgeschwindigkeiten und Preise verbessern sich teils um Faktor 10 bis 20. Dies erklärt das Potential des MEX-Ansatzes.
Trend: Mehrkomponentiges 3D-Drucken
Zudem können viele dieser Drucker zwei oder drei Materialien gleichzeitig in einem Druckauftrag drucken, sind also Mehrkomponenten-fähig. So lässt sich beispielsweise ein Polyamid-6-Teil mit 50 % Glasfaser (PA6–50GF) und einer TPE-Dichtung mit einem löslichen Trägermaterial absolut wirtschaftlich und wettbewerbsfähig drucken.
Die aktuelle Maschinen- und Anlagentechnik im 3D-Pellet-Druck führt zu einer guten mechanischen Leistung, hoher Gas- und Flüssigkeitsdichtheit bei geringen Wandstärken und einer guten elektrischen Isolierung. Das bestätigen Tier-1-Zulieferer aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Das Marktsegment MEX wird daher auch in 2023 überdurchschnittlich wachsen.
Herausforderung 1: Ausschussquote senken
Doch es gibt für die Branche auch klare Herausforderungen in den nächsten Jahren: Die erste ist die Ausschussquote: Mit dem breiten Einsatz von AM in der Serienproduktion werden die Maschinen- und Anlagenbauer die Situation ändern müssen, dass die Ausschussrate im Vergleich zu konventionellen Produktionsverfahren immer noch relativ hoch ist. Die zentrale Herausforderung für alle AM-Prozesse besteht darin, ihre Ausschussrate deutlich unter 2 % zu stabilisieren, auch bei hohen Durchsätzen. Sie muss sich an die üblichen Quoten klassischer Prozesse angleichen.
Herausforderung 2: Schnellere Prozesskontrolle
Die zweite Herausforderung der AM-Welt ist die hohe Anzahl von Prozess-Parametern, die während des Druckens kontinuierlich überwacht werden müssen. Klassische Strategien, wie die In-Prozess-Teileprüfung mit Lasersensoren, halten mit den dynamischen Aufbauprozessen nicht mit und verbessern nicht deren Wirtschaftlichkeit: Die Laser sind bei der benötigten Auflösung und einer Abtastrate von „nur“ 2.000 bis 4.000 Hz viel langsamer als der Schichtauftrag.
Die Anbieter müssen daher die Prozesssteuerung verändern. Ansätze dazu sind Hochleistungs-SPS und neue Sensortechnologien. Auch komplexe neuronale KI-Prozesssteuerungen könnte man in die Maschinen implementieren, um die hohen Mengen an Prozessdaten und Prozesszustandsräumen zu beherrschen.
Die Lösung beider Herausforderungen wird die AM-Branche maßgeblich beschäftigen. Sie wird entscheidenden Einfluss auf die technischen Potentiale und die Wirtschaftlichkeit von AM-Fertigungsstrategien haben. (os)
* Artikel zum 3D-Multimaterialdrucker
Dr. Vincent Morrison, CEO.Bild: AIM3D
AIM3D und die Gründer
AIM3D ist ein junges Start-up der Universität Rostock und wurde 2017 von Dr. Vincent Morrison (CEO) und Clemens Lieberwirth (CTO) gegründet. Erklärtes Ziel des Unternehmens ist es, die Kosten der additiven Fertigung deutlich zu senken. Die Grundidee stammte von Lieberwirth und mündete in die CEM-Technologie (Composite Extrusion Modeling): verfügbare zertifizierte Werkstoffe wie Standardspritzgieß- und MIM-Granulate für ein 3D-Druckverfahren zu erschließen.
