3. Dezember 2023 | Der 3. Dezember ist Internationaler Tag des 3D-Drucks. Zeit, kurz Rückschau zu halten, welche Entwicklung die Technologie seit ihren bescheidenen Anfängen als Prototypenbauverfahren zurückgelegt hat.

Vierzig Jahre sind es her, seit der Erfindung des 3D-Drucks. Inzwischen hat die additive Fertigung nicht nur Herstellungsprozesse verändert, sondern auch innovative Lösungen in Bereichen wie Medizin, Architektur, Raumfahrt und Lebensmittelindustrie ermöglicht. Von der Produktion von Kernen im Eisenguss über die Belieferung von Schiffen mit Ersatzteilen bis hin zur Topologieoptimierung im Leichtbau: Der 3D-Druck hat sich einen Stammplatz in der industriellen Praxis erobert.

Die Anfänge

Die Grundlagen des 3D-Drucks wurden in den 1980er Jahren von verschiedenen Forschern gelegt. Charles (Chuck) Hull gilt als „Vater des 3D-Drucks“. Er erfand 1983 die Stereolithografie (SLA), das älteste patentierte additive Fertigungsverfahren. Bei dem Verfahren werden Flüssigharze, auch als Resine bezeichnet, mittels UV-Licht ausgehärtet. Hull gründete später das Unternehmen 3D Systems, das 1987 den ersten kommerziell verfügbaren SLA-Drucker auf den Markt brachte.

Ebenfalls in den 1980er Jahren entwickelt wurden das Fused Deposition Modeling (FDM) – eine Technologie, bei der Kunststoffschichten mit einer beheizbaren Düse geschmolzen und schichtweise auf eine vorgeheizte Arbeitsplatte (Hotbed) aufgetragen werden – und das Selective Laser Sintering (SLS). Beim SLS-Verfahren wird Pulvermaterial auf eine Arbeitsplatte aufgetragen und schichtweise mittels Laseroptik erhitzt und verschmolzen, um das gewünschte Objekt zu formen.

Weitere wesentliche Entwicklungen folgten in den 1990er Jahren, hierzu zählen Binder Jetting und Electron Beam Melting (EBM). Diese Technologien erweiterten die Materialauswahl und ermöglichten den Einsatz von Metallen und anderen Materialien.

Die vielfältigen Anwendungen des 3D-Drucks

Ursprünglich auf den Prototypenbau beschränkt, eröffnen moderne Hochleistungsmaterialien dem 3D-Druck heute ein breites Anwendungsspektrum. Beispielsweise können 3D-gedruckte Bauteile innenliegende Hohlräume und komplexe Kühlkanäle aufweisen, die mit konventionellen Gießverfahren schwer oder gar nicht realisierbar wären. Ein anderer Anwendungsbereich sind die Gießereibetriebe selbst. GF Casting Solutions hat am Eisenguss-Standort Leipzig seit 2018 ein eigenes Innovationszentrum mit einem Expertenteam, das die additive Fertigung und deren Anwendung für Sandkerne im Eisenguss entwickelt.

Sehr populär ist die additive Fertigung für die schnelle Ersatzteilherstellung. So gaben die beiden Industrieunternehmen thyssenkrupp und Wilhelmsen im September dieses Jahres den Start ihres Joint Venture „Pelagus 3D“ bekannt. Über die digitale Plattform werden künftig Ersatzteile für die Schifffahrt angeboten. Der dänische Containerschiff-Riese Maersk untersuchte bereits 2014 die Möglichkeiten des 3D-Drucks an Bord von Handelsschiffen. Allerdings wurde damals festgestellt, dass die Gesamtkosten von 3D-gedruckten Teilen noch nicht wettbewerbsfähig mit konventionell hergestellten Ersatzteilen sind.

Großes Potenzial hat der 3D-Druck, wenn er in Verbindung mit der Topologieoptimierung angewendet wird. Bei der TO ermitteln Konstrukteure mithilfe von Software die ideale Materialverteilung in einem Bauteil, sodass das Bauteil seine strukturelle Integrität bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung behält. Ein Treiber solcher Entwicklungen ist die Automobilbranche, die auf der Suche nach umweltfreundlichen und ressourcenschonenden Lösungen auf den Leichtbau setzt. Dank des 3D-Drucks können heute komplexe Designs und Leichtbaustrukturen hergestellt werden, die mit anderen Verfahren nicht oder kostspielig zu realisieren wären, darunter Honeycomb-Strukturen und überhängende Geometrien.

Das Fraunhofer IGD forscht zum Beispiel zum 3D-Multimaterialdruck. Mit Multiphasen-Topologieoptimierung können verschiedene Materialien bzw. Eigenschaften positioniert werden, sodass sich Bauteile mit variierender Porosität für den 3D-Druck herstellen lassen.

Und im medizinischen Bereich ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung von individuellen Implantaten und Prothesen. Diese Lösungen verbessern die Patientenversorgung und erhöhen die Erfolgsaussichten bei komplexen Eingriffen.

Additive Fertigung bald in Serie?

Seit den 2000er Jahren gab es eine deutliche Entwicklung von 3D-Drucktechnologien und Materialien, die den Einsatz des 3D-Drucks in der Serienfertigung ermöglichen. So vermeldete BMW den Bau der ersten vollautomatisierte 3D-Druck-Fertigungslinie für die automobile Serienproduktion. Jährlich können rund 50.000 Bauteile in der Gleichteilefertigung und mehr als 10.000 Individual- und Ersatzteile durch das Laser Powder Bed Fusion Verfahren (LPBF) kosteneffizient gefertigt werden.

Es ist wohl nur noch eine Frage der Zeit, bis sich additive Fertigungsverfahren in der Serienfertigung durchsetzen. Einen Stammplatz in der industriellen Praxis hat sich der 3D-Druck inzwischen erobert.

Und um etwas von Schnee und Kälte abzulenken, zum Schluss eine Vorschau auf die nächsten Olympischen Sommerspiele – bei denen (natürlich) auch der 3D-Druck eine Rolle spielen wird.