Image: 3D-Druck schafft neue PerspektivenFERCHAUFERCHAUAdditive Fertigungsverfahren werden zunehmend auch für den Automobilbau interessant. | Riccardo_Mojana
TrendAdditive Fertigung

3D-Druck schafft neue Perspek­tiven

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Die additive Fertigung ist an der Schwelle zum Einzug in die Serienpro­duk­tion angekommen. 3D-Drucker der neuesten Generation drucken wesentlich schneller als bisher. Daher eignet sich diese Fertigungs­technik für immer mehr Anwendungen, unter anderem auch im Automobilbau.

21. Juni 2016

Ein Kettenglied, das aus dem Drucker kommt und eine Last von mehr als zwei Tonnen tragen kann – bei einem Eigengewicht von gerade einmal 113 Gramm. Hergestellt als Einzelstück in weniger als 30 Minuten: Mit solchen Stunts verblüfft gerade der 3D-Drucker-Hersteller Hewlett Packard die Fachwelt. Am meisten dürfte die Geschwin­dig­keit der neuen Drucker für Erstaunen sorgen, galt vielen Marktteil­neh­mern doch der 3D-Druck bisher als nervtötend langsam. Gerade in diesem Bereich tut sich in jüngster Zeit jedoch viel. Die Unterneh­mens­be­ra­tung Roland Berger prognosti­ziert eine Zunahme der Aufbaurate – der Geschwin­dig­keit also, mit der sich bei diesem Verfahren die gewünschten Formen bilden lassen – um 800 Prozent für die nächsten acht Jahre. Damit stünde einem Durchbruch der Technik als Standard­ver­fahren nicht mehr allzu viel entgegen.

Verwirrende Begriffs­viel­falt

Allerdings ist der Begriff „3D-Druck“ keineswegs ein einheitli­cher Begriff für eine einzige, genau definierte Technik. Wer sich dem Thema nähert, dem tritt ein ganzer Zoo von Begriffen entgegen, eine verwirrende Vielfalt von Verfahren, die zwar alle unter der Flagge des 3D-Drucks segeln, sich dabei aber manchmal nur auf spezielle Untermengen oder Teilaspekte beziehen: etwa die generative Fertigung, die additive Fertigung, das Additive Manufactu­ring, das Rapid Prototyping und vieles mehr. Diese Vielzahl der Begriffe ist dem Umstand geschuldet, dass die additive Fertigung aus vielen verschie­denen Wurzeln gewachsen ist. Gemeinsam ist den Verfahren, dass das Material schichtweise aufgetragen und ausgehärtet wird – einer der Gründe für die eher gemächliche Arbeitsweise der 3D-Drucker. 

Das Prinzip ist keineswegs neu: Der Autohersteller BMW setzt es schon seit 25 Jahren ein, wie er kürzlich in einer Pressemit­tei­lung wissen ließ. Das Unternehmen nutzt additive Fertigungs­ver­fahren für die Produktion von Teilen für Konzeptfahr­zeuge, Prototypen und Kleinserien. Ein weiteres Anwendungs­ge­biet ist die Herstellung von Werkzeugen zur Handhabung von Fahrzeug-Bauteilen in der Serienpro­duk­tion. BMW-Konkurrent Opel baut im 3D-Verfahren Gerätschaften, mit denen die Werker am Fließband den Typenschriftzug leichter einpassen können. Die Vorteile dieser Vorgehens­weise gegenüber herkömmli­chen Verfahren: Die so hergestellten Handhabungs­werk­zeuge sind bei gleicher Stabilität durchweg leichter als entsprechende Äquivalente aus Metall. Vor allem aber bietet das Herstellungs­ver­fahren eine größere Flexibilität als die klassischen Verfahren mit Bohren, Drehen und Fräsen. Ändert sich ein Produkti­ons­pro­zess oder einer der involvierten Bauteile, so lässt sich ein neues Handhabungs­werk­zeug direkt aus dem Drucker erzeugen, ohne dass dafür eine komplizierte Werkzeug­fer­ti­gung bemüht werden muss.

Hohe Belastbar­keit bei geringem Gewicht

Ein weiterer Vorzug additiver Fertigungs­ver­fahren liegt in der Möglichkeit, komplexe Formen herzustellen, die sich mit konventio­nellen Verfahren überhaupt nicht oder nur mit unverhält­nis­mä­ßigem Aufwand fertigen ließen. Beispiele sind Wasserpum­pen­räder oder Turbinen­schau­feln mit Kühlkanälen im Inneren, etwa für den Rennsport. In diesem Anwendungs­be­reich kommt es weniger auf die Kosten an als vielmehr auf hohe Belastbar­keit bei geringem Gewicht; gleichzeitig ermöglicht diese Fertigungsart dem Konstruk­teur, flexibel auf Änderungs­an­for­de­rungen zu reagieren. BMW beispiels­weise hat bisher mehr als 500 solcher Wasserpumpen für seine DTM-Rennfahr­zeuge gebaut, keines davon sei jemals ausgefallen, teilt das Unternehmen stolz mit.

Ein höherer Grad an individu­eller Formgebung ist eigentlich nur noch in der Medizin erforder­lich, wo es um Prothesen oder künstliche Körperteile geht. In diesem Sektor ist jedes Produkt ein Einzelstück, vollständig abgestimmt auf die Belange eines einzigen Benutzers; die Konstruk­ti­ons­daten dazu werden direkt aus den bildgebenden Verfahren wie Computer­to­mo­gra­phie oder Magnetre­so­nanz­to­mo­gra­phie abgeleitet. Die Anfertigung von Prothesen und Orthesen aller Art ist daher eine Hochburg der additiven Produkti­ons­tech­niken. Die Hörgeräte­indus­trie der USA hat daher in den letzten fünf Jahren praktisch zu hundert Prozent auf dieses Fertigungs­ver­fahren umgestellt.

Leichter und material­spa­render

Aus der Möglichkeit, sehr komplexe Formen herzustellen, wie sie mit konventio­nellen Verfahren kaum möglich sind, ergibt sich eine weitere Konsequenz: Additive Fertigungs­ver­fahren eröffnen neue Perspektiven für den Leichtbau, denn sie ermöglichen es, bionische Konstruk­ti­ons­prin­zi­pien mit selektiven Dichten, Wandstärken und Formgebungen anzuwenden. Bionisch ausgelegte Bauteile aber lassen sich erfahrungs­gemäß 20 bis 30 Prozent leichter und material­spa­render fertigen als konventio­nell gefertigte. „Das volle Leichtbau­po­ten­tial wird vor allem durch die konsequente Nutzung der Vorteile dieses Verfahrens ausgeschöpft“, sagt dazu Ralf Göttel, CEO der auf Leichtbau­teile für die Autoindus­trie speziali­sierten Firma Benteler Automotive.

Der dritte große Vorzug des 3D-Drucks liegt in seiner Wirtschaft­lich­keit. Das mag auf den ersten Blick verwundern, sind die entsprechenden Fertigungs­ma­schinen doch sehr teuer und arbeiten zudem langsam. Erst auf den zweiten Blick erschließt sich die Dimension dieses Versprechens: Bei der Herstellung mittels additiver Verfahren entsteht im Gegensatz zu zerspanenden Fertigungs­ver­fahren kaum Abfall. Rüstzeiten gibt es nur insoweit, als der Computer eine gewisse Zeit benötigt, um die Konstruk­ti­ons­daten des jeweiligen Produkts auf den Drucker zu übertragen. Fertigungen in kleinen Stückzahlen sind daher ebenso wirtschaft­lich wie Großserien. Die Produkte lassen sich in genau der Menge und zu dem Zeitpunkt produzieren, zu denen sie benötigt werden. Werkzeuge für die Fertigung wie etwa Gussformen, Halterungen oder Passungen erübrigen sich. Anbieter von Equipment für additive Fertigungs­ver­fahren schwärmen daher nicht ganz zu Unrecht von einer werkzeug­losen Fertigung, die zudem „on demand“ abläuft, keine Lagerhallen benötigt und keine Halden überschüs­siger Produkte verursacht.

Stellhebel für die Einführung von Industrie 4.0

Die Aufzählung dieser Vorzüge macht deutlich: 3D-Fertigung ist vor allem dort konkurrenz­fähig, wo komplexe Formen benötigt werden, wo ein hohes Maß an Individua­lität gefordert ist und wo in kleinen Stückzahlen gefertigt wird – bis hinunter auf „Losgröße eins“. Damit wird die additive Fertigung zu einem der Stellhebel für die Einführung von Industrie 4.0. Die Experten von Roland Berger sehen einen riesigen Wachstums­markt entstehen: Gerade weil Systeme für das Additive Manufactu­ring im Markt für Werkzeug­ma­schinen erst einen Marktanteil von weniger als ein Prozent haben, ist das Potential enorm. „Die Vielzahl an Innovationen sowie die große Marktnach­frage lassen in den kommenden Jahren Wachstums­raten von 30 Prozent und mehr erwarten“, so das Beratungs­un­ter­nehmen in einer aktuellen Studie.