Prototypen und Bauteile aus dem Drucker

23.12.2015 | Veröffentlicht in Ausgabe 01-2016 | Druckvorschau

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Vom CAD zum Modell: Entwicklungsingenieure können mithilfe gedruckter Prototyp-Modelle Produkte besser optimieren.
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1 Vom CAD zum Modell: Entwicklungsingenieure können mithilfe gedruckter Prototyp-Modelle Produkte besser optimieren.

Die Generierung von Prototypen und Bau- oder Ersatzteilen per 3D-Drucker spart Zeit, Entwicklungs-, Lagerhaltungs- und Versandkosten. Wie weit ist die additive Fertigungstechnik, wie lässt sie sich im TGA-Bereich einsetzen und wo sind derzeit ihre Grenzen?

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Additive Fertigungsverfahren sind im Flugzeug-, Fahrzeug- oder Maschinenbau, in der Zahn- oder Medizintechnik schon viele Jahre im Einsatz, vor allem in der Prototypen-Fertigung.
Immer bessere und schnellere 3D-Drucktechniken, die neben diversen Kunststoffen auch Metall, Keramik oder andere Materialien, teilweise auch in Kombination verarbeiten können, erweitern das Einsatzspektrum und ermöglichen auch die Herstellung von Endprodukten in Kleinserie.
In der Haustechnik werden 3D-Drucker vor allem in der Produktentwicklung eingesetzt.
Mit weiter sinkenden Hardwarepreisen könnte die Technik auch die Ersatzteile-Produktion und Lagerhaltung vereinfachen, da Ersatzteile zeitnah, vor Ort und bei Bedarf ausgedruckt werden können, was Zeit und Lagerkosten spart.
Die bei Ersatzteilen notwendigen Anforderungen hinsichtlich der Präzision, der mechanischen Festigkeit, Druckdichtigkeit oder der Beständigkeit gegenüber Flüssigkeiten, chemischen Stoffen oder Hitze sind jedoch längst nicht die einzigen Herausforderungen.

Ist ein Bauteil defekt, heißt das bisher: Herstellerkatalog wälzen, Modell, Farbe und Teilenummer suchen, beim Teilehändler telefonisch, per Fax oder E-Mail bestellen, am nächsten Tag per Post erhalten und einbauen. Die Ersatzteilbeschaffung von Morgen ist eleganter: QR-Code des defekten Bauteils mit dem Smartphone scannen, worauf automatisch die 3D-Druckdatei aus der digitalen Ersatzteiledatenbank des Herstellers erscheint. Diese wird an den im Kundendienstfahrzeug montierten 3D-Drucker gesendet und der Druckvorgang selbstständig gestartet. In wenigen Minuten ist das Bauteil ausgedruckt und ausgetauscht.

Science Fiction? Keineswegs – technisch ist das heute schon machbar und hat viele Vorteile: Hersteller sparen Lagerhaltungs- und Versandkosten, Handwerker können ihr Teilelager minimieren, zwischen Ersatzteilanfrage und -einbau vergehen nur wenige Minuten, Fehlbestellungen und -lieferungen werden vermieden.

Wo wird 3D-Druck schon eingesetzt?

Die Additive Fertigung (auch Generative Fertigung, Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing oder 3D-Druck genannt) ist eine allgemeine Bezeichnung für die schnelle, auf CAD-Konstruktionsdaten basierende Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen, Einzelprodukten oder Kleinserien.

Im Unterschied zu konventionellen Herstellungsverfahren werden Objekte nicht durch Gießen / Spritzen bzw. Umformen, Trennen und Zerspanen eines Werkstücks, sondern additiv und ohne die Verwendung spezieller Werkzeuge aus einem flüssigen, pulverförmigen oder festen Ausgangsmaterial aus Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Metall oder anderen Materialien mithilfe chemischer und / oder physikalischer Prozesse schichtweise aufgebaut.

Es können sowohl Objekte aus unterschiedlichen Materialien oder Farben als auch bewegliche Funktionsmodelle in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Die Objekte können auch transparent oder elastisch sein. Die Fertigungsqualität hängt von der Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit und diese wiederum von der dreidimensionalen Druckauflösung in X-, Y- und vor allem in Z-Richtung (Schichtdicke) des Ausgabegeräts ab.

Gängige Schichtdicken liegen zwischen 0,2 bis 0,5 mm (Heimdrucker) und 0,05 bis 0,001 mm (Profidrucker). Die Modelldaten werden meist über CAD-, Modellierprogramme oder 3D-Scanner generiert. Zu den zahlreichen Anwendungsgebieten zählen vor allem der Flugzeug-, Fahrzeug- oder Maschinenbau, die Zahn- und Medizintechnik, aber auch Architektur, Kunst oder Lifestyle. Es gibt fast nichts, was man nicht auch dreidimensional drucken könnte: mechanische oder elektrische Bauteile, medizinische oder zahnmedizinische Implantate, Schuhe, Kleidungsstücke, Schmuck, Musikinstrumente, ja sogar essbare Lebensmittel oder mehrstöckige Häuser.

Welche Vorteile hat der 3D-Druck?

Die additive Fertigung hat viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren: 3D-Druckobjekte können schnell und preiswert hergestellt, modifiziert, individualisiert und sofort ausgedruckt werden. Sie sind mehrfach reproduzierbar und in Kleinserien bis zu einer bestimmten Stückzahl, je nach Druckverfahren, wirtschaftlicher als konventionell hergestellte Produkte.

Das gilt insbesondere für komplexe Objekte, denn im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsverfahren erhöht sich bei der additiven Fertigung die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie. Auch in punkto Nachhaltigkeit kann der 3D-Druck punkten: Es wird nur das für den Druck benötigte Material verbraucht, was Ressourcen schont. Werden die Objekte vor Ort produziert, entstehen weniger Transportkosten und CO₂-Emissionen. Zudem können Objekte hergestellt werden, die mit konventionellen Produktionsmethoden nicht oder nur sehr aufwendig herzustellen sind.

Die additive Fertigung ermöglicht nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheiten und eröffnet für Produktdesigner neue Möglichkeiten: So können etwa Bauteile bei Bedarf auch partiell mit passenden mechanischen oder thermischen Eigenschaften versehen werden, damit Spannungen im Bauteil optimal abgeleitet werden. Von biologischen Strukturen inspirierte Leichtbauteile, die bis zu 80 % leichter sind als konventionell gefräste oder gegossene Bauteile, lassen sich einfacher fertigen.

Grenzen setzen der additiven Fertigung die Produktionszeiten, die nicht mit der Massenproduktion herkömmlicher Fertigungsverfahren mithalten können. Die Baugeschwindigkeiten liegen derzeit bei etwa 10 cm³/h, allerdings werden für die nächsten zehn Jahre bis zu achtfache Steigerungsraten prognostiziert.

Auch die Druckkosten sind hoch. Zwar fallen insbesondere für Home- und Desktopdrucker die Preise derzeit, die hohen Druckmaterialkosten von 60 bis 400 Euro/kg dürften sich allerdings kaum ändern. Werden besondere Ansprüche an Oberflächenqualitäten gestellt, ist eine manuelle oder maschinelle Nachbearbeitung erforderlich (Schleifen, Lackieren etc.), denn die Oberflächenstruktur ist immer mehr oder weniger rau. Bei bestimmten Druckverfahren erfordern auskragende Teile eine Stützkonstruktion, die später entfernt werden muss. Auch besondere Anforderungen an die Festigkeit oder Hitzebeständigkeit können 3D-Druckerzeugnisse nur bedingt erfüllen.

Einsatzmöglichkeiten im TGA-Bereich

Vor allem auf zwei Bereiche fokussieren sich die Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks im TGA-Bereich: auf das Rapid Prototyping – also die additive Fertigung von Prototypen im Rahmen einer Produktentwicklung – sowie die Ersatzteilfertigung „on demand“. In der Produktentwicklung spielen Prototypen, die bisher meist auf numerisch gesteuerten Maschinen (CNC) hergestellt wurden, eine wichtige Rolle. Sie ermöglichen eine Optimierung des späteren Produkts im Frühstadium seiner Entwicklung.

Steht der 3D-Drucker neben dem CAD-Arbeitsplatz des Entwicklungsingenieurs, ist das Prototyp-Modell schneller verfügbar, Modellvarianten lassen sich einfacher entwickeln. Das beschleunigt Optimierungsprozesse und senkt Entwicklungskosten. Passformprüfungen, Funktions- und Durchflussprüfungen, Einbau- und Montagetests können schon in früher Projektphase durchgeführt werden, sodass Probleme und Fehler früher erkannt werden.

Auch nachfolgende Phasen werden unterstützt, etwa die Produktdokumentation, das Marketing oder der Produktvertrieb. So können passformgenaue Produktverpackungen schneller entwickelt oder Demo-Objekte für Messe- oder Vertriebsveranstaltungen früher und kostengünstiger zur Verfügung gestellt werden.

Höhere Ansprüche an das 3D-Druckprodukt stellt der Ersatzteiledruck. Die Anforderungen reichen von dauerhafter mechanischer Festigkeit und Druckdichtigkeit, über Beständigkeit gegenüber Flüssigkeiten und chemischen Stoffen, bis zur thermischen Belastbarkeit. Dadurch wird die Auswahlmöglichkeit von Druckverfahren und -werkstoffen zwar etwas eingeschränkt, die Möglichkeiten sind aber vielversprechend: Produzierende Unternehmen müssen Ersatzteile über viele Jahre vorhalten. Das bindet Kapital und Fläche für die Lagerung. Zudem werden manche Ersatzteile nach langer Lagerung unbrauchbar oder passen aufgrund von Modelländerungen nicht mehr.

Diese Probleme lassen sich vermeiden, wenn Ersatzteile genau dort und genau dann produziert werden, wo und wenn man sie braucht. Auch für nicht mehr lieferbare Ersatzteile, spezielle Einzelartikel oder Kleinserien, die eine individuelle Anpassung erfordern, sind 3D-Druckverfahren prädestiniert. Zukünftig müssen anstelle von Ersatzteilen nur die entsprechenden CAD-Modelldaten vorgehalten werden.

Jedoch kann nicht jedes Ersatzteil gedruckt werden, weil bestimmte Anforderungen an das Material-, Materialkombinationen, die Festigkeit oder Präzision mit additiven Fertigungsverfahren nicht oder nicht wirtschaftlich zu erzielen sind. Außerdem entstehen rechtliche Fragen: Wer haftet für das Produkt – derjenige, der das Ersatzteil ausdruckt oder derjenige, der die CAD-Daten zur Verfügung stellt? Werden CAD-Modelldaten aus dem Netz heruntergeladen, wirft das zudem Fragen zum Schutz des geistigen Eigentums auf. Kollisionen mit dem Urheber-, dem Patent-, dem Marken- und Designrecht etc. sind vorprogrammiert.

Welche Verfahren und Drucker gibt es?

Seit der 3D-Druck 1983 durch den US-Amerikaner Chuck Hull erfunden wurde, entstanden im Laufe der Jahre zahlreiche neue additive Fertigungstechniken. Diese werden grob in die Kategorien Pulverbett-, Freiraum- und Flüssigmaterialverfahren unterteilt. Zu den Pulverbettverfahren zählen beispielsweise das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), zu den Freiraumverfahren das Fused Deposition Modeling (FDM) oder das Contour Crafting (CC). Prominente Beispiele für Flüssigmaterialverfahren sind das Digital Light Processing (DLP) und vor allem die Stereolithografie (SLA), mit der 1983 alles begann.

Daneben gibt es noch viele weitere Schichtbauverfahren. Die Funktionsweise ist ähnlich: Über einer mit Flüssigkunststoff oder Metall-/Kunststoffpulver gefüllten Kammer wird eine von einem Schrittmotor gesteuerte Laser-einheit geführt. Dort, wo der Laserstrahl die Konturen des Bauteils abfährt, erhärtet das Material schichtweise. Oder das Material wird direkt aus einer Druckkopfdüse schichtweise aufgebracht und erhärtet selbstständig. Eine Vorrichtung senkt die erhärtete Schicht ab. Der Laser oder der Druckkopf fährt die Kontur erneut nach, bis eine neue Ebene fertig ist. Auf diese Weise entsteht schichtweise von unten nach oben das Objekt, das anschließend gegebenenfalls gehärtet, gereinigt, getrocknet oder von einer Stützkonstruktion befreit werden muss.

Das Angebot an 3D-Druckern ist mittlerweile unüberschaubar. Die Spanne reicht von kleinformatigen Feststoffdruckern für Privatanwender mit Baugrößen bis etwa 250 × 200 × 150 mm ab 500 Euro, über Desktopdrucker ab 2000 Euro für Modellgrößen bis etwa 400 × 250 × 200 mm, bis zu industrietauglichen Großformat-Lasersinteranlagen für Metall oder Kunststoff bis etwa 4000 × 2000 × 1000 mm und mehr. Professionelle Gerätetechnik ermöglicht eine schnellere Druckausgabe und bessere Oberflächenqualitäten, kostet allerdings schnell auch mehrere 100 000 Euro.

Druckdaten erstellen und aufbereiten

Zur Modellerzeugung werden die während der CAD-Konstruktion ohnehin entstandenen Bauteil-Geometriedaten genutzt. Das für die rechnergestützte Modellgenerierung relevante 3D-Datenformat STL (STereoLitography) unterstützen vorwiegend designorientierte CAD-, Modellier- und Rendering-Programme, z. B. 3DS-Max, Catia, Cinema4D, FormZ, Maya, MegaCAD, Rhino 3D, SketchUp und SolidWorks. TGA-CAD-Programme unterstützen das STL-Format bisher allerdings nicht.

Weitere kompatible Datenformate sind 3DS, OBJ und VRML. 3D-Druckverfahren setzen nicht nur geometrisch korrekt konstruierte Innen- und Außenflächen voraus, sondern auch eine vollständige und eindeutige Beschreibung der Baukörpervolumina. In vielen Fällen ist eine – je nach Qualität der Daten und dem eingesetzten Modellbauverfahren – mehr oder weniger aufwendige Aufbereitung und Korrektur oder gar eine komplette Neuerstellung der Geometriedaten erforderlich.

Eine weitere Datenquelle für die additive Fertigung ist das 3D-Laserscanning. Damit lassen sich auch bestehende 3D-Objekte (z. B. nicht mehr lieferbare Ersatzzeile) erfassen. Meistens werden dafür mobile Handscanner eingesetzt, mit denen sich innerhalb weniger Minuten auch sehr filigrane und komplexe Objekte dreidimensional erfassen lassen. 3D-Scanner können in der Regel jedoch nicht das komplette Modell mit allen Hinterschneidungen oder gegebenenfalls Innenräumen erfassen. Es enthält meist Löcher, Überlappungen und sonstige Fehlstellen. Deshalb ist praktisch immer eine Nachbearbeitung und Korrektur des manchmal aus mehreren Millionen Messpunkten bestehenden Punktwolken-Modells erforderlich.

Ist der Datensatz nach dieser Bearbeitung druckbar, kann er per STL-Exportfunktion dem 3D-Drucksystem übergeben werden. Vor dem Druck müssen per druckerspezifischer Software verfahrens- und materialspezifische Einstellungen vorgenommen, gegebenenfalls unterschiedliche Modellfarben oder -materialien definiert und das Modell im Druckraum ausgerichtet werden. Anschließend unterteilt die Software die CAD-Geometrie in scheibenförmige Querschnitte, wobei die Scheibendicke der Schichtdicke einer Druckschicht entspricht und diese wiederum die Oberflächenqualität bestimmt. Je kleiner die Schrittabstände, desto glatter die Oberflächen, desto länger sind aber auch die Druckzeiten.

3D-Druck als (Online-)Dienstleistung

Professionelle 3D-Druckaufgaben werden aufgrund hoher Preise für 3D-Drucker in Industriequalität häufig als Dienstleistung vergeben. Die Kosten für 3D-Druckdienstleistungen hängen von vielen Faktoren ab: vom Druckverfahren, von der Datenqualität, der Modellgröße, der Oberflächengenauigkeit, von einem eventuell notwendigen Nachbearbeitungsaufwand und von den Materialkosten.

Für 3D-Druckmodelle liegen die Dienstleistungskosten zwischen 0,10 und 1,50 Euro/cm³ Modellgröße. Da es keine Standards gibt, sind die Preise und Qualitäten von Dienstleistern sehr unterschiedlich. Deshalb sollte man sich vorher Angebote einholen und Referenzmodelle anschauen. Eine Dienstleisterübersicht bietet beispielsweise www.3d-grenzenlos.de/listen/3d-drucker-dienstleister

Zunehmend werden auch Online-Dienst-leistungen offeriert: So kann man unter www.imaterialize.com und www.shapeways.com sein 3D-Modell in den Datenformaten STL, IGS, 3DS, SKP etc. hochladen und ein im 3D-Druckverfahren generiertes Modell in gewünschter Größe und Materialqualität bestellen.

Es bleibt spannend!

Additive Fertigungsverfahren haben das Potenzial, eine Schlüsseltechnologie im Rahmen der Digitalisierung industrieller Fertigung (Industrie 4.0) zu werden. Studien zufolge ist der weltweite Umsatz mit gedruckten Produkten und entsprechenden Dienstleistungen zwischen 2000 und 2013 von 600 Mio. auf rund 3 Mrd. US-Dollar pro Jahr gestiegen. Bis 2020 wird sogar ein Jahresumsatz von 21 Mrd. US-Dollar prognostiziert.

In einigen Bereichen ist der 3D-Druck schon Standard, etwa in der Zahntechnik. Für bionische Strukturen ist der 3D-Druck ebenso prädestiniert wie für geometrisch komplexe Einzelobjekte oder Kleinserien. Standard- und Massenprodukte werden wohl auch weiterhin gestanzt, gefräst oder gegossen.

Je besser jedoch die 3D-Drucktechnik wird, desto mehr treten digitale Produkte in einen Wettbewerb mit „analog“ hergestellten Produkten. Rapid Prototyping ist auch im TGA-Bereich schon Standard, dagegen steht der Ersatzteiledruck auch in anderen Branchen erst am Anfang. Doch die Entwicklung geht weiter. So gibt es schon erste Versuche, Häuser, respektive Appartement-Zellen inklusive Sanitärobjekten, Wasser- und Elektroleitungen zu drucken ( Webcode 590694). Man darf auf weitere Entwicklungen gespannt sein …Marian Behaneck

Literatur / Infos / Quellen

[1] Berger, U.; Hartmann, A.; Schmid, D.: Additive Fertigungsverfahren – Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing. Haan-Gruiten: Verlag Europa-Lehrmittel, 2013

[2] Expertenkommission für Forschung und Innovation (Hrsg.): EFI-Gutachten: Additive Fertigung („3D-Druck“), Berlin: Eigenverlag, 2015, Download: www.e-fi.de/fileadmin/Inhaltskapitel_2015/2015_B4.pdf

[3] Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren – Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. München: Hanser, 2013

[4] Mallée, T.: Wie 3D-Druck Logistik und Produktion verändert. Burgthann: Markt & Technik Verlag, Markt & Technik 15-2015

www.3d-drucken.de 3D-Druck-Blog

www.3d-grenzenlos.de Online-Magazin

www.3druck.com Online-Magazin

www.thingiverse.com 3D-Druckvorlagen

www.wikipedia.de Suche: 3D-Druck, Lasersintern etc.