Additive Fertigung: Richtungsweisende Trends in der Konstruktion

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist additive Fertigung?
2. Trend 1: Additive Fertigung für alle
3. Trend 2: Anwendungsorientierte Produktion
4. Trend 3: Digitalisierung als Effizienzgarant
5. Trend 4: Hybride Werkstoffe im Aufstieg
6. Trend 5: Nachhaltigkeit rückt in den Fokus
7. Additive Fertigung als zukunftsweisende Technologie

Was ist additive Fertigung?

Die Additive Fertigung (engl. additive manufacturing) ist besser bekannt als 3D-Druck und stellt ein aufstrebendes und innovatives Herstellungsverfahren dar. Die additive Fertigung hebt sich grundlegend von konventionellen Produktionsprozessen ab und eröffnet der Forschung sowie Industrie neue Möglichkeiten.
Bei diesem Verfahren werden Bauteile Schicht um Schicht aufgebaut, im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen Material abgetragen wird, beispielsweise durch fräsende Bearbeitung. Mit diesem Ansatz wird ein hohes Maß an Flexibilität und gestalterischer Freiheit ermöglicht, insbesondere bei der Produktion von Prototypen, aber mittlerweile auch in der Serienfertigung.

Trend 1: Additive Fertigung für alle

3-D-Druck revolutioniert die Fertigungsbranche und verzeichnet ein starkes Wachstum, das wohl nicht so schnell abreißen wird. Nicht nur zahlenmäßig boomt diese Produktionsmethode, sondern auch hinsichtlich Vertrauen in die Technologie – die sich als recht verlässlich erwiesen hat. In Zeiten instabiler Lieferketten könnte sich hier eine Schlüsselrolle entwickeln. Generell gilt: Der 3-D-Druck wird salonfähig!

Auch Anwender, die diese Fertigungstechnik bisher nur als Spielerei ansahen oder für Experimente nutzten, integrieren sie nun immer stärker in diverse laufende Prozesse. Das wirkt sich positiv auf die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen aus. Noch fehlt vielfach aber das geschulte Personal, was eine erhöhte Nachfrage nach spezifischen Kursen und Weiterbildungen im 3-D-Druck auslösen wird.

Das Angebot an physischen und virtuellen Schulungen steigt bereits, und auch ein Anstieg hinsichtlich der Qualität der Ausbildungsinhalte ist zu erwarten. In vielen Betrieben erwirbt das Personal via Fernunterricht detailliertes Wissen über additive Fertigung mittels 3-D-Druck-Verfahren. Praktische Kurse vor Ort stellen jedoch weiterhin eine relevante Option dar.

Trend 2: Anwendungsorientierte Produktion

Die generellen Ziele im Bereich der additiven Fertigung sind Produktions- und Effizienzsteigerung. Um dabei erfolgreich zu sein, werden Fabriken zunehmend im Detail zweckorientiert konzipiert, sodass die Prozesse darin spezifischen Aufgaben entsprechen. Rohstoffe, Systeme, Maschinen und Prozesse werden insofern ideal aufeinander abgestimmt. Der 3-D-Druck kann dabei als Teil der Produktionslinie mit einbezogen werden – was zukünftig immer häufiger der Fall sein wird. Dadurch lassen sich bestehende additive Systeme optimieren.

Aber auch die Peripherie muss effizienter gestaltet werden – also alle ergänzenden Einrichtungen, die für einen reibungslosen Ablauf der additiven Fertigung benötigt werden. Dazu gehören Systeme zur Materialhandhabung, Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle. Kurzum: Adaptierungen im gesamten Produktionsprozess sind notwendig. Die Mühen lohnen sich aber: Werden die Verbesserungen ganzheitlich umgesetzt, ergeben sich auch Innovationen betreffend das Maschinendesign und den Ablauf diverser Prozesse. In Folge steigt die Rentabilität.

Trend 3: Digitalisierung als Effizienzgarant

Digitalisierte Prozesse sind bekannt dafür, in den unterschiedlichsten Anwendungsfeldern für erhöhte Transparenz, Leistungsfähigkeit und Handlungsfähigkeit zu sorgen. Wertschöpfungs- und Lieferketten sowie Produktlebenszyklen können – vor allem durch digitale Zwillinge – bis ins kleinste Detail analysiert und auf Optimierungspotenzial überprüft werden.

Auch bei der additiven Fertigung wird die Digitalisierung von physischen Abläufen immer stärker in den Mittelpunkt gerückt. Einer der wichtigsten Faktoren ist dabei die Dezentralisierung, womit auch mehr Flexibilität hinsichtlich des Produktstandort verbunden ist. Im Krisenfall können Fertigungsaufträge somit innerhalb kurzer Zeit verlagert und Produktionsausfälle eingedämmt werden. 

Trend 4: Hybride Werkstoffe im Aufstieg

Nicht nur die Technologie, sondern auch das eingesetzte Material und dessen Beschaffenheit wird in additiven Fertigungsprozessen zukünftig zunehmend an Bedeutung gewinnen. Der Fokus liegt dabei auf hybriden Werkstoffen, die während des Fertigungsprozesses durch Anpassungen bestimmter Parameter verändert werden können. Die Eigenschaften der Materialien lassen sich also teilweise beeinflussen – beispielsweise die Flexibilität (Duktilität) oder die Festigkeit (Zugfestigkeit).

Insofern erschließen sich enorm viele neue Anwendungsfelder für den 3-D-Druck. Äußerst hohe Erwartungen bestehen in den Branchen der Medizintechnik sowie der Luft- und Raumfahrt, wo besondere Richtlinien und Kontrollen die Sicherheit, Qualität und Zuverlässigkeit der Produkte gewährleisten. Anpassungsfähige, also hybride Werkstoffe könnten speziell für diese Anforderungen und Anwendungen entwickelt werden. Voraussetzung dafür ist die prognostizierte engere Verbindung zwischen Materialwissenschaft, Fertigung und Technologie.

Hybride Werkstoffe als Vorstufe zum 4-D-Druck

Hybride Werkstoffe, also in bestimmten Maß veränderbare Materialien, sind auch der Grundstein für eine weitere Innovation der additiven Fertigung – dem 4-D-Druck.

Der Druck selbst erfolgt dabei nach wie vor klassisch dreidimensional. Die eingesetzten Materialien reagieren aber im Laufe der Zeit auf äußere Einflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit, Licht oder Druck und verändern dabei ihre Form vorhersehbar. Der 3-D-Druck erhält also eine 4. Dimension: die Zeit und die damit verbundenen Anpassungen. Das dabei verwendete Material benötigt beispielsweise sogenannte Formgedächtnispolymere, um sich an seine Ursprungsform erinnern und zu dieser zurückkehren zu können. Es entstehen selbstfaltende Strukturen, die ihre Form automatisch durch Umweltreize ändern.

In der modernen Konstruktion und Fertigung könnten insofern völlig neue Prozesse und Routinen geschaffen werden. Äußerst viel Potenzial wird dem visionären 4-D-Druck in der Medizintechnik zugeschrieben, etwa für die Herstellung von Implantaten oder Prothesen. Große Chancen für revolutionäre Entwicklungen gäbe es aber auch in der Luft- und Raumfahrt, im Bauwesen sowie im Bereich Robotik und Smart Gadgets. Noch steckt die Technik des 4-D-Drucks aber in den Kinderschuhen.

Trend 5: Nachhaltigkeit rückt in den Fokus

Das allgemeine Interesse am Thema Nachhaltigkeit nimmt kontinuierlich zu, und damit verbunden sind Unternehmen gefordert, nachhaltiger zu produzieren. In der Fertigungsindustrie stehen deshalb auch weiterhin konkrete Innovationen am Plan. Die anwendungsorientierte Produktion hat sich hier schon als nachhaltige Alternative zu klassischen Verfahren etabliert. Aber auch die Systeme und eingesetzten Materialien selbst durchlaufen aktuell zahlreiche Optimierungsprozesse. Es wird darauf abgezielt, die Komponenten so zu verbessern, dass sie sich leichter recyclen oder umweltschonend abbauen lassen – ganz im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Die akribische Analyse und Inspektion der Herstellungsprozesse liefern darüber hinaus aussagekräftige Daten über die Effizienz der Abläufe. Diese Informationen dienen anschließend als Grundlage für weitere Nachhaltigkeitsansätze in der Fertigungsindustrie.

Additive Fertigung als zukunftsweisende Technologie

Additive Fertigung ist eine revolutionäre Technologie, die in Zukunft immer mehr an Bedeutung gewinnen wird. Die aktuellen Trends zeigen, dass additive Fertigung für alle zugänglich wird. Sie bringt für alle Beschleunigung und Präzision in den Produktionsprozessen. Kurzum: Die Produktion wird anwendungsorientierter. Des Weiteren sorgt die Digitalisierung für mehr Effizienz. Auch hybride Werkstoffe gewinnen an Bedeutung und eröffnen neue Möglichkeiten. Letztendlich rückt auch die Nachhaltigkeit stärker in den Fokus der Branche.

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