Fast erinnert es an den Übergang von der plumpen Romanik zur filigranen, hoch aufragenden Gotik. In der Massenfertigung noch zu teuer, wird der 3D-Druck oder Additive Manufacturing (AM) schon für den Rennsport eingesetzt, um extrem leichte Motorblöcke zu bauen, während das traditionelle Gussverfahren eine gewisse Wandstärke erfordert, nennt Albert Klein, Finanzchef und Sprecher der FIT AG eines von vielen Beispielen. Die Unternehmensgruppe aus Lupburg in der Oberpfalz zählt sich mit der FIT Production und der netfabb GmbH zu den weltweit führenden Anbietern von Additive Design und Manufacturing (ADM) und 3D-Software. Netfabb for 3D Printing ist als kostenlose Basic-Version bei Heimbastlern sehr beliebt, für Industriekunden mit leistungsstarken Add-ons aber als Servicelizensierungsmodell verfügbar.
Leichtbau und Bionik ziehen ein
Im Endkundensegment mag 3D-Druck gemäß Marktforscher Gartners Hype Cycle bereits den "peak of inflated expectations" erreicht haben. In der Industrie, im Maschinenbau, der Medizintechnik und sogar bei Schmuckdesignern ist Additive Manufacturing längst Realität.
Andere Branchen wie Handwerksbetriebe entdecken auch immer mehr die Möglichkeiten, so dass 3D-Druck im professionellen Umfeld immer weitere Kreise zieht und noch große Wachstumsraten bevorstehen. Denn die additiven oder generativen Fertigungsverfahren ermöglichen durch Geometriefreiheit völlig neue Produktdesigns und Materialien. Leichtbauweise und Bionik (Lernen von der Natur) halten immer mehr Einzug. Man spricht heute von "design driven manufacturing" oder von "Konstruktion bestimmt die Fertigung", wie EOS-Managerin Claudia Jordan es ausdrückt. 3D-Druck lohnt aber nicht bei allen Anwendungen, daher sollte man erst die Ziele und Möglichkeiten analysieren.
Evaluierung, Konzeption und Design
Viele kleinere und mittelständische Betriebe beschäftigen sich erst jetzt mit dem Thema, wissen aber nicht, wie sie den 3D-Druck nutzen können und dahin gelangen. Im ersten Schritt muss daher evaluiert werden, ob in dem speziellen Fall der 3D-Druck überhaupt Vorteile bringt, und ob man die additiven Verfahren nur zum klassischen Rapid Prototyping einsetzen will oder auch für die kleinere Serienfertigungen.
Zur Erstellung von Prototypen sind CNC-Fräsen und Spritzguss immer noch sehr bewährte und erprobte Verfahren. Das rechnergesteuerte (CNC-) Fräsen hat zum Beispiel den Vorteil, dass der Prototyp schon aus demselben Werkstoff zerspant werden kann wie bei der geplanten Serienproduktion, was eine Funktionsprüfung der mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften vereinfacht.
Markus Kaltenbrunner, Geschäftsführer und Leiter der Entwicklung beim österreichischen Hersteller Evotech, zufolge gibt es spezifische Materialeigenschaften, die beim 3D-Druck vielleicht noch nicht gegeben sind und für CNC-Fräsen sprechen. Außerdem entscheide auch immer die Komplexität der Teile. "Wenn ich einen Würfel mit einem Loch darin brauche, werde ich es fräsen, weil es schneller und kosteneffektiver ist", so der Kaltenbrunner. Wie alle Hersteller von Profi-3D-Druckern bietet sein Unternehmen Schulungen an und hat dafür eine eigene Evotech Academy ins Leben gerufen.
Wer bezüglich Materialeigenschaften und 3D-Druck zu wenig Know-how oder Erfahrung hat, sollte externe Beratungsdienstleister in Betracht ziehen, die Optimierungspotenzial bezüglich Werkstoff und Materialverbrauch aufzeigen können. Potenziale ergeben sich auch über die 3D-CAD-Software, weil man über Simulation virtuell verschiedene Szenarien durchgehen kann und je nachdem Vorschläge bezüglich Materialbeschaffenheit und Statik einholen kann.
Wahl der Materialien und Technologie
Apropos Material: 3D-Druck ist freilich nicht 3D-Druck. Je nach Werkstoff und dessen Festigkeit gibt es unterschiedliche Verfahren, die bei der Planung berücksichtigt werden müssen und unter Umständen die Anschaffung mehrerer Maschinen erfordert. Was die Ziele angeht, unterscheidet man grundsätzlich zwischen Rapid Prototyping (RP), Rapid Tooling (RT, "schneller Werkzeugbau") und Rapid Manufacturing (RM), wo es wirklich um die Planung und Herstellung von Produkten mit Seriencharakter geht, wie es der Adverma Think Tank ausdrückt.
Die verschiedenen Technologien zu beschreiben, würde hier zu weit führen. Die von Chuck Hull, Gründer von 3D Systems und Erfinder des 3D-Drucks, 1984 entwickelte und heute noch eingesetzte Stereolithographie (SLA) arbeitet mit lichtaushärtenden Photopolymeren. Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) ist die am weitesten verbreitete Technologie, die günstige Consumer-Einstiegsprodukte für unter 400 Euro erst möglich gemacht hat. Verarbeitet werden damit hauptsächlich nur Kunststoffe mit geringerer Dichte und Schmelztemperatur, neuerdings aber auch Lebensmittel. Überhänge sind mit der FDM-Technologie jedoch nur schwer zu erzeugen.
Industriell genutzte Verfahren
Um Metall oder gar Stahl zu verarbeiten, bedarf es anderer, wesentlich teurerer Technologien wie Electron-Beam Melting (EBM), Selective Laser Melting (SLM) oder Lasersintern (SLS) beziehungsweise Direct Metal Laser Sintering (DMLS), letztere drei auch unter dem Begriff 3D-Laserdruck zusammengefasst. Auf der englischen Wikipedia-Seite zu 3D Printing findet sich eine Übersicht der Technologien nach Grundtypen (Extrusion, Draht, Pulverbett, Laminierung und Lichtpolymerisation wie SLA und DLP), auf der deutschen Wikipedia-Seite werden zu den einzelnen Technologien namhafte Player genannt.
Im metallverarbeitenden 3D-Laserdruck, wo mit Hochleistungslasern gearbeitet wird, sind deutsche Anbieter wie EOS, SLM Solutions und Concept Laser übrigens führend. Letzterer veranschlagt 200.000 bis 1,5 Millionen Euro für seine Maschinen mit LaserCUSING genannter SLM-Technologie. Bei solchen Preisen ist zu überlegen, den 3D-Druck an externe Dienstleister wie Fit oder Rapidobject auszulagern oder sich auf dem keimenden Mietmarkt zu bedienen.
Der Münchner Broadline-Distributor Ingram Micro, der 3D-Druck vor zwei Jahren bereits zum Fokusthema erklärt hat, will laut Senior Manager Rudolf Ehrmanntraut 2016 auch den Mietmarkt ins Visier nehmen. Das nur am Rande. Nachteil von Schmelzen und Sintern (Erhitzen bis kurz vor dem Schmelzpunkt) ist eine relativ aufwendige Nachbearbeitung, während mit SLA und den Inkjet-ähnlichen Verfahren wie PolyJet und Multi Jet (siehe Ankündigung von HP) sehr glatte Oberflächen erzeugt werden können, um schnell zu Modellansichten zu kommen.
Interessant für Design- und Modellansichten ist die Möglichkeit des Farbdrucks, zum Beispiel mit 3D-Druck-Gipskeramik, wie sie der Dienstleister HIC Innotec mit der Ausgabe von 160.000 Farben einsetzt. Die ZPrinter der 2012 von 3D Systems übernommenen Z Corporation sollen in der der Spitze sogar bis zu sechs Millionen Farben hervorbringen können.
Datenerstellung oder Scan?
Hat man sich für den 3D-Druck und die betreffende Technologie entschieden, ist die eigentlich erste Aufgabe die der Datenerzeugung oder Wahl der Datenquelle. Heimbastler greifen gerne auf frei im Internet herunterladbare Templates oder Vorlagen zurück. Die Auswahl ist groß, beschränkt sich aber mehr oder weniger auf gängige Formen und "Comicfiguren", wie es Stephan Hinzmann, Geschäftsführer von HIC Innotec formuliert. In der Industrie und in anderen Branchen werden die Objekte dagegen vornehmlich mit 3D-Grafikprogrammen wie am Reißbrett neu konstruiert, weil sich der 3D-Scan oft als zu ungenau oder zu aufwendig erweist.
Foto: Rapidobject
Laut Benett Klein, Co-Geschäftsführer der Münchener 3D-Druck-Agentur Trindo, die mit namhaften Dienstleistern wie Alphaform, FKM und Fit Production zusammenarbeitet, greift sein Unternehmen nur selten zum 3D-Scan. Denn man habe die Erfahrung gemacht, dass es dem Reversed Engineering gleichkommt. Über die verschiedenen Scan-Verfahren bis hin zum CT wird eine Art Punktewolke erstellt, die als solche noch nicht von einer 3D-Software bearbeitet werden kann, sondern einer Flächenrückführung über spezielle Software bedarf, was je nach Objekt mehr oder weniger aufwendig ist. Insofern ist die Neukonstruktion bei einer "ausgenudelten" Schraube oder einem anderen relativ leicht aufgebauten defekten und nicht mehr lieferbaren Bauteil nach vielfacher Expertenmeinung tatsächlich oft die günstigere Variante.
Anwendungsbeispiele für den 3D-Scan
Laut Albert Klein von der Fit AG setzt man Scanner nur für die anschließende Qualitätssicherung ein. Bohrlöcher könne man gar nicht scannen. HIC-Innotec-Chef Hinzmann nennt indes Beispiele, wo individuelle Anpassungen oder organische Strukturen wie die runden Gebäude von Antonio Gaudí den Scan oder die Computertomographie (CT) günstiger machen. Sein Unternehmen habe eine Handmanschette entwickelt, die bei sich ständig wiederholenden Tätigkeiten vor einer Überdehnung der Finger oder Daumenpartie schützen soll. Da wird die Manschette gescannt.
Im Fall eines kleinen Mädchens, das ohne Ohren geboren wurde, ist sein Schädel mit einem CT erfasst und als Modell ausgedruckt worden. Dies ermögliche es dem Chirurgen, punktgenau die Stelle zu lokalisieren, wo die Titanstifte eingesetzt werden sollen, an die später magnetisch die künstlichen Hörmuscheln angebracht werden.
Durch Tiefseepipelines wiederum werden sogenannte Molche geschickt, die die Rohre auf mögliche Bruchstellen untersuchen. Eine fragliche Stelle wurde durch den Molch gescannt und schließlich farbig ausgedruckt, um das Teilstück eingehender zu untersuchen, so Hinzmann. Hat man die Daten erzeugt oder erfasst, geht es weiter dazu, diese zu bearbeiten. Zuvor muss aber sicher gestellt sein, dass das 3D-CAD-Modell in sich sauber oder "geschlossen" ist. Das heißt, es dürfen keine Löcher, sich selbst kreuzende Linien oder andere Fehler auftreten, wie sie beim Übertragen, Herunterladen aus dem Internet oder bei der Bearbeitung oft entstehen.
Datenbearbeitung mit 3D-CAD-Programm
Wie Bernd-Rüdiger Meyer und Dirk Falke in "Maßhaltige Kunststoff-Formteile" (Carl Hanser Verlag, 2013) feststellen, setzen alle Simulationsprogramme "eine mit einer Vielzahl von Dreiecken vernetzte Abstraktion des realen CAD-Modells" und ein in Fachkreisen heiles oder geschlossenes 3D-CAD-Modell voraus. Die Datenbearbeitung erfolgt mit einem 3D-CAD-Programm wie denen von Autodesk, Dassault Systèmes (Solidworks und Catia V5), von Siemens PLM (NX), netfabb oder ZWSoft(ZW3D). Welches sich besser eignet, das muss jeder für sich selbst entscheiden.
Einige 3D-CAD-Programme können über Simulation nicht nur verschiedene Szenarien durchspielen, sondern auch tatsächlich Vorschläge in Sachen Werkstoff und Materialeinsparungen aufzeigen. Das über Boolsche Operationen aus einfachen Grundkörpern zusammengesetzte Volumenmodell wird zum Körpermodell, das virtuell alle relevanten physikalischen Eigeschaften annimmt, um es zum Beispiel plastisch oder thermisch zu verformen. Das bekannteste Ausgabeformat für den 3D-Druck ist STL. Dieses ist im ASCII-Code oder heute meist im binären Format geschrieben und hat sich zum Quasi-Standard für CAD-Systeme entwickelt.
Ist das virtuelle Modell abgeschlossen und für den 3D-Druck optimal positioniert, wird es meist im STL-Format ausgegeben. STL steht für "Stereo Lithography" und wurde von 3D-Systems-Gründer Hull ursprünglich im ASCII-Code geschrieben. Heute wird aus Platzgründen meist das binäre Format genutzt. Dabei werden 3D-Körper als Oberflächenmodelle in ganz kleine Dreiecksfacetten tesseliert oder parkettiert. Mindestens drei der Dreiecke, meistens eher mehr, haben einen gemeinsamen Eckpunkt, was im ASCII-Code eben zu Dateien mit enormer Größe führen kann. VRML arbeitet ebenfalls mit Dreiecksfacetten, vermeidet jedoch die vom STL-Format bekannten Redundanzen. Die in den Dateien enthaltenen geometrischen Werte sind für die weitere Datenaufbereitung wie das Positionieren und "Slicen" von Bedeutung.
Slicen, drucken, nachbearbeiten, veredeln
Um den Druck vorzubereiten, muss das Objekt optimal ausgerichtet und in Höhenschichten zerlegt werden. Man spricht hier von Slicen. Vor der Ausgabe empfiehlt sich eine Reparatur der Datei, wie sie Microsoft als 3D Model Repair mit netfabb-Software als Cloud-Service für die Ausgabeformate STL, OBJ, 3MF und VRML anbietet. Ist das Objekt schließlich ausgedruckt, was je nach Größe und Technologie bis zu über einer Woche dauern kann, muss gegebenenfalls noch nachbearbeitet und veredelt werden.
Foto: Arcam AB
Beim 3D-Laserdruck lässt sich kaum vermeiden, dass umgebende Partikel mit verschmolzen oder versintert werden, was bei die Nachbearbeitung bei der Metallverarbeitung erschwert. Rapidobject beschreibt die Oberfläche als "leicht fein", vergleichbar mit der einer Kopfschmerztablette. Trowalisieren oder Verstärken mit einem Bindemittel verspricht deutlich feinere Oberflächen beim Lasersintern. Nachgehend können diese dann durch Sandstrahlen, Schleifen und Polieren bis zum Hochglanzbereich geglättet werden.
Zur Nachbearbeitung gehört unter Umständen auch das Entfernen von Stützkonstruktionen (auch Stützgeometrien oder Supports genannt), die je nach Größe des Objekts und Technologie bei Überhängen erforderlich sind. Manche der Support bestehen aus wasserlöslichen Materialien und lassen sich einfach wegspülen, andere müssen manuell entfernt werden. Die Qualitätskontrolle mit einem Handscanner oder gar im CT ist bei industriellen Anwendungen ganz entscheidend. Bei Farbdruckverfahren erübrigt sich der nächste Schritt, den Prototypen, die fertige Kleinserie oder wie in dem folgenden Fallbeispiel das Einzelstück wunschgemäß einzufärben. Durch Lackieren oder Beschichten lassen sich die Objekte aber laut Rapidobject noch veredeln, ebenso wie durch das Hinzufügen von technischen, konstruktiven oder dekorativen Elementen, was beim Modellbau wichtig sein kann.
Fazit: Disruptiv, aber kein Allheilmittel
3D-Druck ist ein weites Feld, das viele Unternehmen jetzt erst entdecken und zu umwälzenden Entwicklungen führen wird. In manchen Branchen, im Maschinenbau etwa, ist man da schon etwas weiter, weil vorher schon mit CAD-Programmen und ähnlichen Tools gearbeitet wurde. Nur weil es modern ist, sollte man jedoch nicht blindlinks den additiven Fertigungsverfahren vertrauen, sondern genau analysieren, welche Kosten damit verbunden sind und ob es sich überhaupt lohnt. (mb)