Was ist 3D-Druck?
Der Begriff bezeichnet Verfahren, bei denen Arbeitsmaterialien wie zum Beispiel Kunststoffe, Keramiken oder Metalle schichtweise aufgetragen werden und daraus dreidimensionale physische Objekte entstehen. Das computergesteuerte Auftragen der Schichten erfolgt mittels chemischer und physikalischer Schmelz- und Härtungsprozesse .
In konventionellen Liefer- oder Wertschöpfungsketten erstellen Lieferanten, Hersteller und Handel gemeinsam eine Leistung für die Endkunden. Aufgrund der erhöhten Anzahl an beteiligten Partnern und der Erstellung von Werkzeugen und Formen dauert es relativ lange von der Produktidee bis zum ersten Verkauf. Durch den Einsatz von 3D-Druckern können eine Vielzahl dieser beteiligten Parteien innerhalb einer Wertschöpfungskette umgangen und somit der Prozess der Leistungserbringung effizienter und dezentraler gestaltet werden.
Wie funktioniert 3D-Druck?
Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Gegenstände aus einem oder mehreren Materialien mittels Schmelz- oder Härtungsverfahren aufgebaut. Entscheidendes Merkmal ist der schichtweise (additive) Aufbau, bei dem durch Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material anhand eines digitalen Modells ein Objekt erstellt wird - im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren wie beispielsweise Fräsen oder Bohren, die formgebende Werkzeuge zum mechanischen Abtragen von Material nutzen.
Ein digitales Abbild eines physischen Gegenstands, das sogenannte 3D-Modell, bildet die Basis für den eigentlichen Druck. Anschließend erfolgt die Druckvorbereitung. Dabei wird das Modell von einer Software in die einzelnen Druckschichten zerlegt. Sobald dieser Prozess abgeschlossen ist, kann der eigentliche Druck durchgeführt werden. Dabei lassen sich unterschiedliche Verfahren anwenden, welche sich im Hinblick auf Qualität und Druckgeschwindigkeit unterscheiden. Ebenfalls unterscheidet sich je nach Verfahren die notwendige Nachbereitung - die letzte Prozessphase. Dabei erfolgen Aktivitäten wie Säuberung und Nachbearbeitung des Produktes mit Entfernen von Stützobjekten oder auch Verbesserung der Oberflächenqualität.
3D-Druck Prozess
Welche Potenziale und welche Grenzen birgt 3D-Druck?
3D-Druck ermöglicht individuelle Produkte, mit denen auch kleinste Marktsegmente profitabel bedient werden können, ohne dabei auf hohe Lagerbestände angewiesen zu sein. Eine Stärke des 3D-Drucks sind die Freiheitsgrade beim Produktdesign: Fast alle Formen sind realisierbar, selbst komplexe Geometrien, die mit konventionellen Maschinen schwer oder gar nicht herstellbar sind. Dabei treibt die Produktkomplexität nicht zwangsläufig die Fertigungskosten in die Höhe.
Kleine Stückzahlen spezifischer Produkte werden wirtschaftlich, da keine individuellen Formen und Werkzeuge erforderlich sind - es gibt nur ein anpassbares digitales Modell. Dadurch entfallen Rüstkosten beim Produktwechsel. Montagekosten sinken, da auch Objekte mit mehreren Bauteilen und beweglichen Teilen in einem Zug druckbar sind. Durch weniger Teile und Fertigungsschritte sinken die Herstellkosten. Dies kann so weit gehen, dass die Rückverlagerung lohnintensiver Produktion aus sog. Billiglohnländern wirtschaftlich wird.
Materialeinsatz und Abfallmenge sinken im Vergleich zu materialabtragenden Verfahren. Lager- und Verschrottungskosten sind signifikant niedriger, da am Verbrauchsort nur bei konkretem Bedarf gedruckt wird und statt Endprodukten nur digitale Daten und Rohstoffe vorgehalten werden. Somit bietet sich 3D-Druck insbesondere für Produktportfolios mit hoher Variantenvielfalt bei geringen Stückzahlen wie etwa im Ersatzteilgeschäft an.
Vor allem die geringe Druckgeschwindigkeit und qualitative Grenzen limitieren aktuell die breitere Anwendung. Die Geschwindigkeit bestimmt sich vor allem durch den Zeitbedarf fürs Aushärten der einzelnen Schichten bis zum Aufbringen der nächsten Schicht. Um eine hohe Stückzahl in kurzer Zeit herzustellen, sind konventionelle Verfahren wie Spritzguss vielfach schneller und kostengünstiger.
Eine weitere Herausforderung ist die Nachbearbeitung. So ist bei Objekten, bei denen die erste Schicht als Überhang in der Luft "schwebt", Stützmaterial erforderlich, das es später zu entfernen gilt. Weiteren Zeitbedarf erfordern Oberflächenbehandlung und Reinigung.
Wo wird 3D-Druck bereits angewendet?
Im industriellen Kontext wird der additiven Fertigung eine immer wichtigere Rolle zugeschrieben. Zu Beginn wurde der 3D-Druck hauptsächlich für die Herstellung von Anschauungsobjekten, von Prototypen oder für die Fertigung von Ersatzteilen verwendet. Die Einsatzbereiche werden allerdings stetig erweitert. Beim Bau von Werkzeugen, bei Kleinserienfertigungen oder auch bei der Produktion von Funktionsteilen wird additive Fertigung zunehmend eingesetzt. Der Durchdringungsgrad des 3D-Drucks bei Serien- bzw. Massenfertigung ist allerdings noch relativ niedrig. Durch kontinuierliche Verbesserungen im Hinblick auf die Druckgeschwindigkeit und die Qualität der gedruckten Objekte erschließen sich jedoch laufend neue Anwendungsbereiche.