Die addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­ren und die dabei ein­ge­setz­ten Werk­stof­fe bie­ten so viel­fäl­ti­ge Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten wie nie zuvor. Rund 60 Exper­ten nutz­ten das  4. Pra­xis­fo­rum 3D-Druck an der Hoch­schu­le Lands­hut am 14. Novem­ber 2017, um sich mit dem The­ma „Werk­stof­fe und deren Anwen­dungs­fel­der in der addi­ti­ven Fer­ti­gung“ zu befas­sen.

Der 3D-Druck und sei­ne viel­fäl­ti­gen Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten zei­gen die schnel­le tech­no­lo­gi­sche Ent­wick­lung gera­de im Rah­men der Digi­ta­li­sie­rung. „Die­se wer­den Unter­neh­men revo­lu­tio­nie­ren“, ist Prof. Dr. Stof­fel in sei­ner Begrü­ßung über­zeugt. Umso wich­ti­ger sei­en Platt­for­men wie das Pra­xis­fo­rum 3D-Druck, in dem sich Wis­sen­schaft und Unter­neh­men aus­tau­schen. Die Mög­lich­kei­ten der Addi­ti­ven Fer­ti­gung wach­sen ste­tig, erklärt Prof. Dr. Nor­bert Babel in sei­ner The­men­ein­füh­rung. Ob Piz­za, Orga­ne, Zahn­ersatz oder Turn­schu­he: Es stün­den immer mehr Werk­stof­fe, neue Füll­stof­fe für opti­sche und hap­ti­sche Effek­te für den 3D-Druck zur Ver­fü­gung. Auch Nano-Struk­tu­ren, die Gecko- oder Lotus­ef­fek­te ermög­li­chen, sowie Glas kön­ne mitt­ler­wei­le gedruckt wer­den. Beson­ders der Druck mit End­los­fa­sern wie Koh­le-, Glas- oder Kev­lar­fa­sern, ein­ge­bet­tet in eine Kunst­stoff­ma­trix, die ein Opti­mum an Fes­tig­keit und Stei­fig­keit ermög­li­chen, sowie der Druck von Sili­ko­nen bie­ten der Indus­trie inter­es­san­te Ein­satz­mög­lich­kei­ten.

Doch nur, wenn die Aus­wahl des geeig­ne­ten Druck­ver­fah­rens, das rich­ti­ge Mate­ri­al sowie eine 3D-Druck gerech­te Kon­struk­ti­on, unter Ein­be­zie­hung von moder­nen Simu­la­ti­ons­ver­fah­ren, wie der Topo­lo­gie­op­ti­mie­rung in Kom­bi­na­ti­on mit der Fini­ten Ele­men­te Metho­de, opti­mal zusam­men­spie­len, kön­ne das Poten­zi­al der Addi­ti­ven Fer­ti­gung rich­tig genutzt wer­den. Babel sieht gro­ße Zukunfts­chan­cen u.a. im Druck kom­plet­ter Funk­ti­ons­ein­hei­ten, da dadurch Mon­ta­ge­schrit­te weg­fal­len kön­nen. Auch hybri­de Fer­ti­gungs­struk­tu­ren, die Kom­bi­na­ti­on von unter­schied­li­chen Mate­ria­li­en, bie­te ein gro­ßes Poten­zi­al. Vor allem die Auto­mo­bil­in­dus­trie wer­de dazu bei­tra­gen den 3D-Druck in der Seri­en­fer­ti­gung zu for­cie­ren.

Mit addi­ti­ver Seri­en­fer­ti­gung beschäf­tig­te sich Juli­us Rie­del­bauch (BMW Group). Foto: HS Lands­hut

3D-Druck auf dem Weg in die Seri­en­pro­duk­ti­on
Dass sich das Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring schon längst auf dem Weg zur auto­mo­bi­len Seri­en­pro­duk­ti­on befin­det, beleuch­te­te Juli­us Rie­del­bauch von der BMW Group (Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring Cen­ter) in sei­nem Vor­trag. BWM habe in Infra­struk­tur inves­tiert, pro Jahr wür­den im 3D-Druck weit mehr als 100.000 Tei­le zen­tral gefer­tigt. Bereits 1989 habe man mit der ers­ten SLA-Anla­ge begon­nen, das Seg­ment sei kon­ti­nu­ier­lich gewach­sen und gera­de in den letz­ten Jah­ren habe hier, durch neue Play­er und neue Tech­no­lo­gi­en, eine star­ke Aus­wei­tung statt­ge­fun­den. In Ein­satz kom­me addi­ti­ve Fer­ti­gung vor allem im Pro­toy­pen­bau, im After Sales bzw. Ersatz­teil­be­reich bei gerin­gen Stück­zah­len.

Rie­del­bauch zeig­te am Bei­spiel eines Was­ser­pum­pen­rads für die DTM, dass der 3D-Druck in der Klein­se­rie güns­ti­ger ist und den hohen Anfor­de­run­gen sogar bes­ser ent­spricht als das ursprüng­li­che Spritz­guss-Teil. Auch bei Mon­ta­ge­hilfs­mit­teln in der Pro­duk­ti­on, wie z.B. zum Arre­tie­ren von Zahn­rä­dern bei der Mon­ta­ge sowie bei indi­vi­du­ell ange­pass­ten Dau­men­stüt­zen, kommt die Addi­ti­ve Fer­ti­gung zum Ein­satz. Neben der Kos­ten­fra­ge ste­hen laut Rie­del­bauch die Repro­du­zier­bar­keit und die Schaf­fung eines „added Values“ im Fokus. Beson­de­re Chan­cen bie­ten dabei die Mög­lich­kei­ten der Indi­vi­dua­li­sie­rung, z.B. bei Pre­mi­um­fahr­zeu­gen durch indi­vi­du­ell vom Kun­den mit­ge­stal­te­te Design­tei­le. Beson­ders bei der Seri­en­fer­ti­gung stei­gen die Mate­ri­al­an­for­de­run­gen, hier sieht er noch Hand­lungs­be­darf, es bestehe Bedarf an abge­si­cher­ten Werk­stoff­ei­gen­schaf­ten.

Im Design wer­de es weg von der Sub­sti­tu­ti­on, hin zu dezi­dier­tem Design für die addi­ti­ve Fer­ti­gung gehen. Über die höhe­ren Pro­duk­ti­ons­vo­lu­mi­na erwar­tet er ein Sin­ken der Mate­ri­al­prei­se. Ins­ge­samt sei­en bereits heu­te bei BMW vie­le ver­schie­de­nen AM-Tech­no­lo­gi­en und -Pro­duk­te im Ein­satz, dies wer­de sich aber in den nächs­ten Jah­ren noch deut­lich erhö­hen.

Qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge Fila­men­te für anspruchs­vol­le 3D-Druck-Pro­duk­te
Als Spe­zia­list für die Her­stel­lung von Fila­men­ten für das Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring beton­te Sven Woh­kit­tel (Rhe­ne­on Mate­ri­als), die Bedeu­tung von Kennt­nis­sen über die ein­ge­setz­ten Mate­ria­li­en und deren Eigen­schaf­ten. Die­se sei­en grund­le­gend, um die 3D-Tech­no­lo­gie wei­ter zu eta­blie­ren. Ins­ge­samt müss­te man gera­de in der indus­tri­el­len Pro­duk­ti­on dar­auf ach­ten, hoch­wer­ti­ge Mate­ria­li­en zu ver­wen­den. Dies beinhal­te exzel­len­te Farb­mit­tel, die auch Ursa­che für die Schrump­fung und den Ver­zug von gedruck­ten Bau­tei­len sein kön­nen, hoch­wer­ti­ge Poly­me­re, eine hohe Lich­techt­heit und UV-Sta­bi­li­tät. Zusätz­lich müss­ten die Fila­men­te eine gute Repro­du­zier­bar­keit ver­spre­chen, einen gerin­gen Was­ser­an­teil auf­wei­sen und natür­lich den tech­ni­schen Anfor­de­run­gen ent­spre­chen. Um opti­ma­le Ergeb­nis­se erzie­len zu kön­nen, sei die indi­vi­du­el­le, auf die jewei­li­gen Anfor­de­run­gen ange­pass­te Ver­wen­dung bzw. Ent­wick­lung von Fila­men­ten not­wen­dig.

Eine stark stei­gen­de Nach­fra­ge stellt er für den Bereich der faser­ver­stärk­ten Mate­ria­li­en fest. Für den 3D-Druck müss­ten ande­re Fila­men­te als beim Spritz­guss ein­ge­setzt wer­den. Unter ande­rem sei die zu ver­ar­bei­ten­de Füll­stoff-Teil­chen­grö­ße zu berück­sich­ti­gen und die Abnut­zung der Anla­gen infol­ge des Füll­stoff­ein­sat­zes müs­se eben­falls berück­sich­tigt wer­den. Ein Füll­grad von 20-40 Pro­zent CFK-Fasern sei mög­lich und bereits umge­setzt wor­den.

Im Ver­bund zwi­schen For­schung und Wirt­schaft neue und beson­ders auch faser­ver­stärk­te Mate­ria­li­en für den 3D-Druck umzu­set­zen, hat sich das Koope­ra­ti­ons­netz­werk 3D-CP zum Ziel gesetzt, das Mar­kus Kafa­ra (Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pro­duk­ti­ons­tech­nik und Auto­ma­ti­sie­rung) vor­stell­te. Geför­dert durch das Zen­tra­le Inno­va­ti­ons­pro­gramm Mit­tel­stand (ZIM) des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Ener­gie, sol­len spe­zi­ell für den Ein­satz bei KMUs neue Fila­men­te ent­wi­ckelt wer­den.

Wei­ter­ent­wick­lung der addi­ti­ven Pro­duk­ti­ons­ver­fah­ren
Dr. Rai­ner Bec­card vom Laser­an­la­gen­her­stel­ler Lun­o­vu prä­sen­tier­te intel­li­gen­te LMD-Maschi­nen­sys­te­me für das Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring. Der Vor­teil der LMD-Metho­de liegt dar­in, dass die 3D-Werk­stü­cke im indus­tri­el­len Maß­stab theo­re­tisch über­all erzeugt wer­den kön­nen, die Ober­flä­chen­qua­li­tät im Ver­gleich zu Pul­ver­bett-Ver­fah­ren aller­dings nicht so fili­gran ist. Ein Ziel des Unter­neh­mens lau­tet, den Her­stell­pro­zess bzw. die Bedie­nung zu ver­ein­fa­chen. In ihrer aktu­el­len Anla­ge für das Metall­auf­trags­schwei­ßen im indus­tri­el­len Maß­stab wur­de die Pro­zess­steue­rung mit einer Sen­so­rik-Lösung ver­ein­facht, die Werk­stück­ober­flä­chen per Scan erfasst, digi­ta­li­siert und auto­ma­tisch die Bah­nen für das Auf­trags­schwei­ßen berech­net und gene­riert. Ins­ge­samt ste­he die sehr leis­tungs­fä­hi­ge LMD-Tech­nik an der Schwel­le zum Ein­satz im indus­tri­el­len AM; auch Mul­ti-Mate­ri­al-Auf­trag, bei schar­fen Mate­ri­al­über­gän­gen, ist mög­lich. Gera­de für die Luft­fahrt­bran­che, mit ihren klei­nen Stück­zah­len aber vie­len Vari­an­ten, ist die Tech­nik gut geeig­net.

Den opti­mier­ten Pro­zess für die Ersatz­teil­ver­sor­gung mit­tels addi­ti­ver Fer­ti­gung stell­te Joa­chim Kley­lein-Feu­er­stein (Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pro­duk­ti­ons­tech­nik und Auto­ma­ti­sie­rung) vor. Am Bei­spiel einer Fern­be­die­nung für Indus­trie­ro­bo­ter, bei der Tei­le nicht mehr lie­fer­bar waren, zeig­te er, von der Ana­ly­se des gewünsch­ten Bau­teils und der Opti­mie­rung bis zum 3D-Druck, die Vor­ge­hens­wei­se für das Refa­bri­ka­ti­on auf.

Wie mit 3D-Druck neue Geschäfts­mo­del­le ent­ste­hen kön­nen, führ­te Prof. Dr. Tho­mas Lötz­bey­er vom Insti­tut für Lebens­mit­tel­tech­no­lo­gie der Hoch­schu­le Wei­hen­ste­phan-Tri­es­dorf vor. Er zeig­te am Bei­spiel des 3D-Food Prin­ting Sys­tems Bocu­s­i­ni Pro die Ent­wick­lung des vor 3 Jah­ren als Spin off der Hoch­schu­le gegrün­de­ten Unter­neh­mens Print2Taste. Dabei skiz­zier­te er von der ers­ten Idee, über die ver­schie­de­nen Evo­lu­ti­ons­schrit­te, bis zur heu­ti­gen Gene­ra­ti­on des 3D-Food-Prin­ters die Her­aus­for­de­run­gen und Chan­cen der jun­gen Tech­no­lo­gie zur Pro­duk­ti­on von indi­vi­dua­li­sier­ten Lebens­mit­teln. Bereits ein­ge­setzt wird der Dru­cker in pro­fes­sio­nel­len Küchen und bei Cate­rern für den Druck von Scho­ko­la­de- und Mar­zi­pan­des­gin­ele­men­ten für die Erleb­nis­gas­tro­no­mie. Außer­dem wer­den dem Nut­zer über eine Web-Platt­form indi­vi­du­ell gestal­te­te Vor­la­gen zur Ver­fü­gung gestellt. Ent­schei­dend sei das Know-how im Lebens­mit­tel­be­reich gewe­sen. Heu­te sind bereits, neben den schon genann­ten, 15 ver­schie­de­ne Lebens­mit­tel, wie z. B. ver­schie­den­ar­ti­ge Pas­ta-, Fondant- und Cas­sis­ar­ten druck­bar, die ein­fach per Kar­tu­sche in den Dru­cker ein­ge­legt wer­den.