Einsatzbereiche von 3D-Druck

Es gibt wohl kein besseres Beispiel, mit dem gezeigt werden kann, wie aus digitalen Daten praktisch per Knopfdruck ein greifbares Produkt wird. Dabei wird das Prinzip der Fertigung von Gütern praktisch umgekehrt: Bislang werden Gegenstände vor allem durch das Abtragen von Material geformt, etwa indem ein Stück Metall oder Holz von Maschinen oder Menschen gefräst, geschliffen, gedreht oder gehobelt wird (sogenannte zerspanende oder subtraktive Bearbeitung). Dagegen entstehen Produkte bei den sogenannten additiven Verfahren indem Material schichtweise aufgetragen wird. Darum wird im industriellen Umfeld meistens von Additiver Fertigung gesprochen und formell zum Beispiel in ISO so bezeichnet. Gleichwohl wurde der Begriff 3D-Druck sehr populär, der nun als de facto Standard für diese Fertigungsverfahren in der breiten Öffentlichkeit und den Leitmedien verwendet wird.

Allgemeine Vorteile von 3D-Druck

  • Individualisierung der Produkte („Losgröße 1“)
  • Höhere Designfreiheit
  • Rapid Prototyping: Schnelles Erstellen von hochwertigen Prototypen (ohne Werkzeuge)
  • Umweltfreundlichkeit (weniger Materialverbrauch als bei subtraktiven Technologien, Einsparung von CO2, da Transport bei Vor-Ort Produktion wegfällt/sich verringert)
  • Verwendung von verschiedenen Materialen in einem Druckgang
  • Herstellung von mehreren gleichen Objekten in einem Druckgang
  • Präzision, Schnelligkeit, Qualität und Preis: je nach Produkt und Druckverfahren bietet der 3D-Druck gegenüber klassischen Verfahren deutliche Vorteile. Hier sind weitere Verbesserung der Parameter, insbesondere in der Materialvielfalt, in den nächsten Jahren zu erwarten

Themen

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Julius Katzmareck

Referentin Start-ups & 3D-Druck Bitkom e.V.

3D-Druck in Architektur & Bau

Modelle, z.B. von Gebäuden, werden in der Architektur häufig noch mit viel Zeitaufwand per Hand angefertigt. Da viele Modelle aber inzwischen als Computermodell vorliegen, besteht das Potential, diese in einer kürzeren Zeit in 3D auszudrucken. Bisher ist dies aber nicht immer wirtschaftlich, besonders wenn es sich um einfache Modelle handelt. Die Vorteile des 3D-Drucks liegen darin, dass Modelle einfacher reproduziert und unterschiedlich skaliert werden können. Außerdem zeichnen sie sich durch eine höhere Detailgenauigkeit aus. Abgesehen von Architekturmodellen wird 3D-Druck auch direkt für den Bau von Häusern und Brücken eingesetzt (Druck von Beton oder Stahl).

Beispiele im Bereich Architektur & Bau

  • Architekturmodelle
  • Einstöckige Häuser
  • Brücken (Amsterdam, Madrid)
  • Zukünftig: mehrstöckige Häuser

3D-Druck in der Lebensmittelindustrie

Auch in der Lebensmittelindustrie stehen die Zeichen auf Individualisierung der Nahrung. Medizinisch notwendige Diäten und Ernährungspläne, insbesondere bei einer alternden Bevölkerung, erfordern eine kontrollierte Nährstoffzufuhr, bei der der Lebensmittel-3D-Druck zukünftig unterstützen kann. Aktuell befindet sich der Lebensmittel-3D-Druck noch in einer frühen Phase und kommt beim Showkochen oder im Kontext des Konditorenhandwerks im größeren Maßstab zur Geltung, da es hier eine größere Designfreiheit (z.B. 3D-gedruckte, essbare Logos) gibt.

Beispiele aus der Lebensmittelindustrie

  • Süßes wie Gummitiere, Schokolade, Kuchen/Torten, Kekse, Waffeln, weitere Zuckerkonstruktionen
  • Nudeln
  • Burgerpatties
  • Zukünftig: ganze Gerichte aus dem 3D-Drucker

3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt

Ein Drittel der Betriebskosten eines Flugzeugs hängt mit dem Kerosinverbrauch zusammen. Deshalb ist der Leichtbau, wie er durch additive Fertigung möglich ist, ein entscheidender Faktor im Flugzeugbau. Flugzeuge müssen leicht und stabil sein. Die ingenieursmäßige Herausforderung in der Luftfahrtindustrie besteht darin, die Faktoren Gewicht und Performance (Steifigkeit, Stabilität, Dauerfestigkeit) unter Berücksichtigung der Kosten zu optimieren. Wird das Gewicht der Bauteile reduziert, kann der Flugzeugbetreiber Treibstoff einsparen und die Zuladung steigern.

Beispiele aus der Luft- und Raumfahrt

  • Bionisch optimierte Bauteile (z.B. Armlehnen)
  • Hydraulikkomponenten, Eisdetektorensonden
  • Roboter für unbemannte Weltraummissionen
  • Drohnen
  • Zukünftig: Hochgeschwindigkeitsturbinenschaufeln

3D-Druck in Maschinenbau & Fertigung

In vielen Branchen ist das Anfertigen spezieller Werkzeuge und Bauteile ein aufwendiger Schritt im Fertigungsprozess. Der Einsatz konventioneller Verfahren ist hier in der Regel teuer, zeitaufwendig und technisch anspruchsvoll. Mithilfe des 3D-Drucks können Produkte und Kleinserien schneller produziert werden. Außerdem können die Werkzeuge Eigenschaften aufweisen, die nur mit 3D-Druck möglich sind (siehe Beispiele unten). Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Einsatzgebiete in der Fertigung, z.B. Ersatzteile für Maschinen oder Werkzeuge, Verbesserung (z.B. leichter, präziser, integrierte Kühlung) von eigenen Produktpaletten oder die werkzeuglose Fertigung von Produkten, für die vorher Formen benötigt wurden.

Beispiele aus Maschinenbau & Fertigung

  • Ersatz- und Sonderteilherstellung on-demand (z.B. für Oldtimer)
  • Druck von Elektroteilen (z.B. 3D-Scanner)
  • Spritzgusswerkzeuge mit konturnaher Kühlung
  • Schaltkreise (schon jetzt z.T. prototypisch möglich, aber Qualitätsverbesserungen zu erwarten)

3D-Druck in der Medizin & Forschung

Zentrale Herausforderung der Medizin ist es, dass jedes Individuum einzigartig ist. Der 3D-Druck bietet eine hohe Design-Freiheit, so dass Medizinprodukte und Hilfsmittel direkt individuell und personalisiert produziert werden können. Dies gilt nicht nur für die eigentlichen prothetischen Produkte (z. B. das künstliche Kniegelenk), sondern zunehmend auch für gedruckte Oberflächenstrukturen, die dafür sorgen, dass beispielsweise ein künstliches Kniegelenk besser einwächst und heilt. Perspektivisch wird es weitergehende Anwendungsbereiche, wie die Herstellung von Organen oder Organteilen geben. So könnten z. B. die Leber oder das Herz bzw. Herzklappen aus DNA-Stammzellen oder Körperteile im Rahmen der plastisch-rekonstruktiven Chirurgie nachgebildet werden (z. B. Wiederherstellung einer Ohrmuschel). Darüber hinaus können bei komplexen chirurgischen Eingriffen individualisierte anatomische Modelle des Operationsgebietes (z. B. komplette Gefäßstrukturen am Herzen) gefertigt werden, die es dem Operationsteam erlauben, sich realitätsnah vorzubereiten und somit das Operationsrisiko für den Patienten deutlich reduzieren. Das Marktforschungs- und Analyseunternehmen Gartner sagt in seinem aktuellen Bericht für 2018 sogar voraus, dass bis 2021 25% aller Chirurgen vor dem eigentlichen Eingriff an 3D-gedruckten Modellen des Patienten üben werden.

Beispiele aus Medizin & Forschung

  • Prothesen & Orthesen
  • Medikamente
  • Modelle zur Vorbereitung von chirurgischen Eingriffen
  • 3D-gedruckte Oberflächen
  • Implantate (künstliche Kniegelenke, Kreuzbänder, Kieferimplantate, Teile vom Beckenknochen)
  • Zukünftiges Ziel: funktionsfähige Organe herzustellen

3D-Druck für Konsumgüter, Mode & Design

Konsumgüter werden in der Regel in sehr großen Stückzahlen unter großem Kostendruck und in Kollektionen produziert, die sich in kurzen Abständen abwechseln. Produkte wie Sportartikel werden darum in den meisten Fällen per Spritzgussverfahren hergestellt, was die wirtschaftliche Fertigung vieler Millionen Teile in kurzer Zeit ermöglicht. Allerdings sind individualisierte Produkte, die in Losgröße 1 gefertigt werden, mit werkzeuggebundenen Fertigungsverfahren kaum umsetzbar. Mittlerweile arbeiten aber z.B. große Sportartikelhersteller daran, mit der additiven Fertigung Endteile zu produzieren. Besonders im Sportschuhbereich gibt es bereits erste Konzepte, in denen alle Formen der Individualisierung vorkommen. Performanceindividualisierung ermöglicht bei Sprintschuhen beispielsweise die optimierte Platzierung von Spikes und die ergonomische Individualisierung passt eine Schuhsohle an den Fußabdruck des Trägers an. Zudem können signifikante Gewichts- und Materialeinsparungen erzielt werden, indem man die massiven Sohlen durch Gitternetzwerke ersetzt.

Beispiele aus dem Bereich Konsumgüter

  • Kleidung (z. B. Schuhe, Kleider, Accessoires wie Ketten, Ringe, Ohrringe)
  • Spielzeug
  • 3D-Selfies
  • Haushaltsgegenstände (Vasen, Lampen)
  • Fahrradrahmen

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