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Ratgeber
Herstellung von Prototypen, Kleinserien oder Ersatzteilen: Mit dem 3D Druck, auch 3D Printing, lassen sich viele Prozesse in Betrieben beschleunigen und kostengünstiger gestalten. Denn Unternehmen müssen heute flexibel und schnell reagieren, um mit der Entwicklung ihrer Branche mitzuhalten. Beispielsweise beim Entwurf neuer Produkte oder bei komplexen Produktionsprozessen, in denen eine kaputte Maschine sofort zu einem höheren finanziellen Risiko führen würde.
Chuck Hull entwickelte bereits 1983 einen Weg, um Photopolymere von ihrem flüssigen Zustand durch eine punktuelle UV-Bestrahlung in eine feste Masse umzuwandeln. Diese so genannte Stereolithografie stellte die Basis für die Entwicklung des 3D Drucks dar, die im gleichen Jahr ihren Anfang nahm.
Seit der ersten Anwendung des 3D Drucks hat sich einiges getan. Die Auswahl der druckbaren Materialien ist größer geworden. Mittlerweile lässt sich neben Kunststoffmaterialien auch Beton, Papier, Metall oder organisches Gewebe verwenden. Möglich machen das verschiedene Herstellungsverfahren wie selektives Lasersintern oder Fused Deposition Modeling.
Auch die 3D Drucker verbessern sich in ihrer Qualität und in ihren Ergebnissen weiter. So ist es seit 2014 möglich, mehrere flüssige Materialien in einem Druck zu kombinieren. Hinzu kommt, dass die Modelle als Leichtbaukonstruktion weniger Gewicht haben als Objekte aus klassischen Herstellungsmethoden wie dem Spritzgussverfahren.
Diese rasante Entwicklung weckte das Interesse der Wirtschaft. Zunächst startete die Automobilindustrie mit der Herstellung von Prototypen. Dieses Verfahren weitete sich rasch auf andere Industrien aus. Mittlerweile ist das 3D Printing einer der Standards in der Prototypenherstellung, da er die Zeit für Planung, Entwicklung und Fabrikation eines neuen Produktes verkürzt (Rapid Prototyping).
Für die Fabrikation von Kleinserien, Einzelteilen oder Ersatzteilen ist der 3D Druck ebenfalls geeignet. Gerade dann, wenn die industrielle Fertigung zu aufwändig und teuer wäre, stellt der 3D Druck eine gute Alternative dar. Darüber hinaus können unterschiedliche Serien oder Teile direkt hintereinander produziert werden. Ein Austausch von beispielsweise Gussformen ist nicht nötig.
Ein weiterer Bereich, in dem sich das Verfahren bewährt hat, ist der Werkzeug- und Formenbau. Statt auf externe Lieferanten zurückzugreifen, lässt sich ein Werkzeug oder eine Form, beispielsweise eine Sprizgussform, in kurzer Zeit und im eigenen Unternehmen herstellen.
Vermeidung von Fehlern
Gerade in der Entwicklungsphase neuer Produkte sind Fehler in Design und Funktion normal. Die 3D Modelle können kurzfristig und schon im Frühstadium der Entwicklung genutzt werden. Auf diesem Weg lassen sich Fehler früher erkennen und beseitigen als bei der Herstellung von Objekten per Hand oder Gussformen. Da diese klassischen Herangehensweisen zeitaufwändig sind, kommen Prototypen oftmals zu einem späteren Zeitpunkt zum Einsatz, sodass Fehler erst auffallen, nachdem Arbeit und Zeit investiert wurden. Gleiches gilt für die anderen Möglichkeiten, den 3D Druck einzusetzen. So kann die Produktion einer kleinen Auflage von Teilen zwischendurch gestoppt und nachgebessert werden und nicht erst am Ende der Herstellung.
Je hochwertiger ein 3D Drucker ist, desto präziser und originalgetreuer ist das produzierte Teil. Beispielsweise ist es möglich, Objekte aus verschiedenen Materialien herzustellen und die Eigenschaften des Produktes nachzubilden. Egal ob mehrfarbig oder transparent, gummiartig oder fest, mit beweglichen Teilen oder ohne. Thermoplaste, Photopolymere und Verbundwerkstoffe sind in der Lage, nahezu jede Materialeigenschaft bereitzustellen. Nachbearbeitungsprozessen wie Lackieren oder Polieren halten sie problemlos stand. Auf diese Weise entsprechen Modelle im Gegensatz zu digitalen Entwürfen am Computer in ihrer Optik und Haptik dem Endprodukt. Durch Tests mit den Objekten werden Fehler sichtbar, die beim Endprodukt einen hohen Kosten- und Zeitaufwand für die Verbesserung mit sich bringen würde. Das bedeutet, dass sich bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Entwicklung Prototypen drucken und Fehler ausmerzen lassen.
Darüber hinaus sind die einmal erstellten Modelle am Computer beliebig veränderbar und reproduzierbar. Weist der erste Entwurf des Prototyps Fehler auf oder soll beispielsweise etwas am Design verbessert werden, ist nur das Nötigste zu ändern. Im Anschluss können die Drucker sofort die nächste Generation des Prototyps produzieren.
Reduzierung des Materialverbrauchs
Durch die exakte Herstellung der gewünschten Form reduziert sich der Materialverbrauch. Der 3D Drucker baut die Modelle in der benötigten Größe und Form auf. Das ist ein wesentlicher Unterschied zu den Teilen, deren Urformen durch Schneiden, Schleifen oder Bohren erst ihre endgültige Form erhalten. Durch den geringen Materialverbrauch und den geringeren Energie- und Arbeitseinsatz ist die Fertigung kostengünstiger.
Reduzierung des Arbeitsaufwands
Der Arbeitsaufwand lässt sich an verschiedenen Stellen reduzieren. Zum einen verringern sich der Kosten- und Zeitaufwand während der Entwicklung, da Prototypen frühzeitig getestet werden. Bei der Produktion entfallen der Bau von Gussformen und deren Wechsel, sobald eine neue Produktserie beginnt. Die gedruckten Teile sind fertig, die Nachbearbeitung ist innerhalb kurzer Zeit abgeschlossen oder entfällt. Zudem sind die Kosten unabhängig von der gedruckten Stückzahl und frei von Skaleneffekten. Das bedeutet, dass die Erzeugung von Kleinstmengen beim 3D Druck nicht teurer ist als die von großen Mengen. Bei der klassischen Fertigung sinken die Produktionskosten in der Regel bei steigender Produktionsmenge.
Beschleunigung der Produktion
Der kurzfristige und flexible Einsatz des 3D Drucks führt am Ende zu einer Beschleunigung der Produktion. Dazu gehören die Reduzierung des Entwicklungsaufwands und des Arbeitsaufwands. Dies gilt besonders für die Herstellung von Ersatzteilen. Ohne 3D Printing muss die Erzeugung im schlimmsten Fall ruhen bis ein Ersatzteil geliefert wird. Ein 3D Drucker produziert die benötigten Teile hingegen vor Ort nach dem Just-In-Time-Prinzip.
Umweltfreundliches Verfahren
Zusätzlich ist der 3D Druck in vielen Bereichen umweltfreundlicher als die herkömmlichen Beschaffungswege. Zum einen ist der Materialverbrauch geringer, sodass weniger Abfall entsteht. Zum anderen minimieren sich Transportwege oder entfallen vollständig, da die benötigten Teile direkt vor Ort gedruckt werden können. Dies leistet einen Beitrag zur Einsparung von CO2.
Nachteile des 3D Drucks
- Die Gestaltung einer druckbaren Vorlage bedarf spezifischer Kenntnisse und Erfahrung.
- Der Druckvorgang dauert je nach Komplexität des Objekts mehrere Stunden oder Tage.
- Massenproduktion ist noch nicht möglich, da die klassische Fertigung ab einer bestimmten Stückzahl günstiger ist.
Medizin und Forschung
- Prothesen und Orthesen
- Modelle zur praktischen Vorbereitung von Operationen
- Implantate wie Kniegelenke oder Kieferimplantaten
- Erste Versuche im Druck von Organen und Körperteilen
Maschinenbau und Fertigung
- Druck von Ersatz- und Sonderteilen on-demand
- Verbesserung der eigenen Produktpalette, z.B. weniger Gewicht, integrierte Kühlung
- Werkzeuglose Fertigung von Produkten, für die vorher Formen nötig waren
Konsumgüterindustrie
- Herstellung von Kleidung und Schmuck
- Druck von Haushaltsgegenständen
- Produktion von individuellem Spielzeug
Architektur
- Druck von Brücken und einstöckigen Gebäuden
- Detailgenaue Modelle von Gebäuden und Gebäudekomplexen
Luft- und Raumfahrt
- Produktion von Flugzeug-Bauteilen, um das Gewicht des Flugzeugs und den Kerosinverbrauch zu verringern
- Druck von Drohnen
Lebensmittelindustrie
- Herstellung von Nudeln
- Druck von Süßigkeiten wie Gummitieren, Keksen
Jetzt schon ist dank des 3D Druckers so vieles möglich, sowohl im privaten wie auch im betrieblichen Umfeld. In Zukunft wird sich diese Technologie weiter entwickeln, manche erwarten sogar einen tiefgreifenden Einfluss in Geschäftsmodelle, Produktionsprozesse und Wertschöpfungsketten.
3D Druck in Bildungseinrichtungen
Nicht nur Unternehmen haben die Vorzüge der 3D Drucker erkannt. In Bildungseinrichtungen sind sie im Einsatz, um Schülern und Studierenden das Lernen und Forschen zu erleichtern.
Schulen nutzen gerade in den MINT-Fächern (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) die Technologie, um ihren Schülern Fähigkeiten in Wissenschaft, Technik und Design näher zu bringen.
So werden im Mathematik-Unterricht geometrische Formen greifbar, die Erstellung von CAD-Modellen sind Teil der Informatikstunde und der komplexe, technische Produktionsprozess wird bei der Erstellung eines 3D Modells verständlich. Im naturwissenschaftlichen Bereich hilft der 3D Drucker ebenfalls weiter. So lassen verschiedene Dinge, beispielsweise die menschliche Körperzelle visualisieren.
An Universitäten ist das 3D Printing in vielen Bereichen im Einsatz, beispielsweise in technischen Studiengängen oder in der Forschung. Studierende der Medizin können anhand von 3D-Objekten Operationen praxisnah üben.
Auf diese Weise erhalten Schüler und Studierende Kenntnisse über das innovative 3D-Druckverfahren, die ihnen in ihrer beruflichen Laufbahn helfen können.
Handbuch 3D-Druck für den Unterricht
3D-Druck ist ein ständig wachsendes, sehr innovatives Themenfeld und bietet eine gute Möglichkeit, viele Aspekte der Digitalisierung anschaulich mit einem 3D-Drucker abzubilden.
Mit dem kostenlosen "Handbuch 3D-Druck" möchten wir diese Entwicklung unterstützen: Es ist als schrittweise Anleitung konzipiert, wie dieses spannende Thema in Fachunterricht, Ausbildung oder allgemein in Bildungsinstitutionen integriert werden kann.
Verschiedene Verfahren im 3D Druck
Die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten, welche die vielfältige Materialien und Formen mit sich bringen, machen auch unterschiedliche Herstellungswege notwendig. Die meist verbreitete Druckvariante sind additive Verfahren, auch generative Fertigung, bei denen ein Objekt durch das Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material entsteht. Vorlage dafür ist ein digitales Modell. Dazu gehören:
| Additive Druckverfahren | Geeignete Materialien für den Druck |
|---|---|
| Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen |
Metalle |
| Selektives Lasersintern (SLS) |
Polymere, Keramik, Metalle |
| Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) |
flüssige Kunstharze |
| Polyjet-Modeling und Fused Deposition Modeling (FDM, auch Fused Filament Fabrication, FFF) | Kunststoffe, Kunstharze |
Weitere, weniger genutzte Möglichkeiten sind formende Verfahren, bei dem das Produkt durch mechanische oder thermische Methoden wie Biegen, Pressen und Gießen seine Form erhält. Subtraktive Herangehensweisen bearbeiten Rohmaterial durch Fräsen, Drehen, Bohren und elektrische Methoden, um den gewünschten Gegenstand zu erhalten. Drucker, die mehrere Prozesse miteinander verbinden, fallen unter die hybriden Verfahren.
Wenn Sie sich keinen eigenen 3D Drucker kaufen möchten, empfiehlt sich der 3D Druck Service von Conrad für Einzelstücke und Serienprodukte. Mit unserem Kooperationspartner bieten wir Ihnen das komplette Spektrum des 3D Printing. Sie können zwischen verschiedenen Drucktechnik-Verfahren und Materialien wählen. So entstehen beispielsweise Bauteile, Spritzgießwerkzeugeinsätze und Prototypen aus Metall, Aluminium, Kunststoff und vielem mehr.
Ihre Vorteile:
- Keine Zuschläge für Kleinstmengen
- Umfangreiche Designfreiheiten
- Breites Material- und Farbspektrum
- Kurze Produktions- und Lieferzeiten
- Oberflächenveredelung und Montage auf Wunsch