Traditionelle Verfahren versus 3D-Druck
«3D-Druck weist zwei grundlegende Unterschiede zu traditionellen Verfahren auf», erklärt Matthias Baldinger. «Erstens: No economies of scale, was bedeutet, dass die Kosten pro Stück nicht von der Stückzahl abhängig sind. Zweitens: Complexity for free, was heisst, dass die Kosten nicht von der Komplexität von Bauteilen abhängig sind und Bauteile produziert werden können, die bis anhin nicht möglich waren.» Daher eignet sich 3D-Druck vor allem für kleine Stückzahlen wie Nischenprodukte, kundenindividuelle Lösungen oder komplexe Bauteile wie zum Beispiel für Funktionsintegration und Leichtbau. Dies sind Anwendungen, für die sich die traditionellen Massenproduktionsverfahren wie Spritzguss nicht eignen.

«No economies of scale» ändert Supply Chain

Materialien für den 3D-Druck
«Grundsätzlich wird die Materialpalette für den 3D-Druck stark anwachsen», erklärt Matthias Baldinger. «Auf der anderen Seite muss aber auch ein Umdenken stattfinden. Wenn heute die Eigenschaften eines Bauteils verändert werden sollen, dann wird meist am Material «geschraubt» und nur selten am Design. Da mittels 3D-Druck nun äusserst komplexe Bauteile möglich sind, ist es auch denkbar, die Eigenschaft eines Bauteils wie zum Beispiel die Härte nicht über die Nutzung eines anderen Materials zu ändern, sondern durch die Veränderung der Konstruktion, beispielsweise durch eine im Inneren des Bauteils poröse Struktur.» Die beiden derzeit am häufigsten eingesetzten Thermoplasten für den 3D-Druck sind PLA und ABS. Bei PLA handelt es sich um einen Biokunstoff aus erneuerbaren Rohstoffen wie Mais- und Kartoffelstärke. Der umweltfreundliche Bruder des Kunststoffs aus Erdöl ist biologisch abbaubar und gesundheitlich unbedenklich. Der sympathische Werkstoff hat aber auch Nachteile. Er kühlt schlecht ab, das Druckergebnis ist spröde und brüchig und wird schon ab Temperaturen um 50 Grad weich. Daher wird PLA vorwiegend im Hobby 3D-Druck eingesetzt, findet wegen seiner Verträglichkeit aber auch Anwendung in der Medizintechnik. Anders hingegen ABS, dieser Kunststoff wird gern für professionelle Anwendungen eingesetzt. ABS ist in unseren Haushalten häufig vertreten in Form von Kinderspielzeug oder als Gehäuse von Küchengeräten. Beliebt ist der Werkstoff nicht ohne Grund: Er ist stabil, elastisch und darüber hinaus preiswert. (4)

Forschung und Ausblick
Das Fraunhofer Institut IPA für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart entwickelt derzeit eine neuartige 3D-Druck-Technologie, welche die Produktion mit Faserverbundstoffen in der additiven Fertigung erlaubt. Free Space Fabrication FSF heisst das neue Verfahren. Free deshalb, weil das Verfahren nicht mehr an einen schichtweisen Aufbau der Struktur gebunden ist, sondern ein sechsachsiger Roboter die Strukturen frei im Raum aufbaut. Grundlage hierfür ist eine Düse, die Endlosfasern beim Drucken in den Kunststoffstrang integriert. Dadurch erhält das Material eine höhere Stabilität. (5)

Experten erwarten einen neuen 3D-Boom mit vielen Innovationen. «Die 3D-Druck-Technologien werden sich künftig sehr schnell weiterentwickeln und neue dazu kommen», so Baldinger zur Zukunft des 3D-Drucks. «Grundsätzlich werden diese Technologien schneller und günstiger werden. Des Weiteren sind grosse Fortschritte bei der Automatisierung und der Nachbearbeitung zu erwarten, so dass direkt ab digitalen Files in einem Schritt finale Bauteile produziert werden können, ohne dass diese nachbearbeitet werden müssen, wie dies heute vielfach nötig ist.»

Heike Henzmann

Quellen
(1) www.additively.com/de/showcase/de/rene-faigleag-zahnrad-fuer-trams zuletzt abgerufen am 02.10.2016
(2) www.additively.com/de/showcase/de/zhaw-winterthur-school-of-engineering-kinderhandprothese zuletzt abgerufen am 02.10.2016)
(3) www.3D-Druck.com, zuletzt aufgerufen am 22.09.2016
(4) 3druck.com/gastbeitraege/kunststoffe-fuer-3d-drucker-thermoplastische-kunststoffe-im-vergleich-0132678/,zuletzt abgerufen am 22.09.2016
(5) www.kunststoffe.de/fachinformationen/technik-trends/artikel/faserverstaerkte-bauteile-drucken-1549553.html, zuletzt abgerufen am 02.10.2016