Die dritte Revolution

München. Dreidimensionale Drucker, kurz 3D-Drucker, erfahren derzeit einen Hype. Der computergesteuerte schichtweise Aufbau von Teilen aus einem oder mehreren flüssigen oder pulverförmigen Werkstoffen ist zwar schon seit den späten 80er-Jahren bekannt, seither aber erheblich billiger geworden. Für die in der Regel kunststoffbasierten Maschinen werden nicht mehr sechsstellige Beträge fällig, sondern jedermann kann sie für wenige hundert Euro im Internet bestellen und selbst zusammenbauen.

Jan Borchers, Leiter des Lehrstuhls Medieninformatik und Mensch-Computer-Interaktion an der RWTH Aachen, kann sich als Nutzer etwa Autowerkstätten oder Tuner vorstellen. "Zwar ist die Werkstoffqualität nicht ganz so hoch wie bei einem tiefgezogenen Bauteil, aber sie kommt dem immer näher.“ Bis zu Stückzahlen von ein paar hundert Teilen könnte sich das 3D-Printing lohnen. Neben der Geschwindigkeit und Individualisierbarkeit jedes einzelnen Teils gibt es auch Kostenvorteile, da keine Formen gegossen und Werkzeugmaschinen eingerichtet werden müssen.

Er rechnet mit einem schrittweisen Einzug der Technologie in die Produktionsprozesse. "Und der letzte Schritte ist dann vielleicht, dass der Kunde in 15 Jahren zum Autohändler geht, und sein Fahrzeug komplett ausdrucken lässt“, spekuliert Borchers.

Der Wissenschaftler ist überzeugt, dass "der digitale 3D-Druck im allgemeinen eine Revolution mit sich bringen wird“. Ähnlich wie die Digitalisierung schon zur Verbreitung des PC in den 80er Jahren und zur Internetrevolution der 90er Jahre geführt hat.

Auch bei den Autobauern ist der 3D-Druck bekannt. Bei BMW werden seit 1989 solche Fertigungsverfahren eingesetzt. Ziel ist die "Absicherung der Fahrzeuge im Produktentstehungsprozess“. Denn: "Durch die werkzeuglose Fertigung können Investitionskosten für Prototypenwerkzeuge vermieden werden und die Bauteile stehen bereits nach wenigen Tagen zur Verfügung, was die Absicherungszeiten verkürzt“, so BMW.

Doch "eine Massenmarkttauglichkeit wird in den nächsten Jahren nicht gesehen, da Material- und Prozesskosten hierfür noch zu hoch sind.“ Wirtschaftlich interessant seien solche additiven Verfahren schon heute aber bei sehr geringen Stückzahlen – etwa im Motorsport. So wird eine im Strahlschmelzverfahren hergestellte Motorkomponente in der Rennserie DTM eingesetzt. "Grundsätzlich bieten additive Fertigungsverfahren hohe Individualisierungspotenziale und Gestaltungsfreiheiten, wie sie mit konventionellen Verfahren nicht oder nur mit großem finanziellen Aufwand dargestellt werden können. Daher eignen sie sich auch zum Einsatz von maßgeschneiderten Hilfsmitteln, zum Beispiel zur Verbesserung der Ergonomie der Mitarbeiter in der Fahrzeugmontage“, erklären die Münchner.

Der Entwicklungsdienstleister Bertrandt "setzt 3D-Drucker im frühen Entwicklungsstadium im Designmodellbau und Rapid-Prototyping ein – speziell für filigrane Bauteile, wie beispielsweise Interieurkomponenten“, erläutert Franz Jerg, Abteilungsleiter Designmodellbau und Rapid-Technologie bei Bertrandt Technikum. Als Beispiele dafür nennt er Lüftungsdüsen, Bedienelemente oder Highend-Leuchten.

Auch bei VW wird gedruckt: "Wir verwenden das 3D-Drucken für Designmuster derzeit noch überwiegend für Interieur-Bauteile wie Blenden, Schalter, Abdeckungen und Türbetätigungen“, heißt es beim Autobauer.

Die Grenzen des Verfahrens sieht VW in der Temperaturbeständigkeit und der Festigkeit der Bauteile. VW rechnet aber mit Verbesserungen, "da auch erste Materialien mit höherer Temperaturfestigkeit erhältlich sind.“ Dünnwandige Bauteile neigen im nachfolgenden Reinigungsprozess zudem zum Verziehen. Bei dickwandigen Bauteilen gibt es prozessbedingt das Problem, dass diese durch die Reaktionswärme beim Aushärten ungenau werden.

Derzeit werden Verfahren untersucht, die die Chance eröffnen, Metallteile in einem Laser-Schicht-Verfahren mithilfe von Metallpulvern herzustellen. VW sieht hier großes Potenzial, da immer mehr Materialien für den Prozess qualifiziert werden. "Es ist sicherzustellen, dass Teile, die im Rahmen eines Versuchsdurchlaufs getestet werden, reproduzierbare Ergebnisse ermöglichen“, so die Wolfsburger. Die Grenzen seien jedoch noch sehr genau zu untersuchen. Ziel sei eine breite Anwendung, die im Rahmen von Kleinserien in Konkurrenz zu konventionellen Fertigungsverfahren stehen könnte.

Schwächen sieht Bertrandt einerseits in der Temperaturbeständigkeit bei mehr als 30 Grad Celsius sowie in der fehlenden Funktionsbelastung. Jerg ist aber davon überzeugt, dass diese Fertigungsverfahren "deutlich zulegen“ werden und plädiert dafür, die Materialforschung zu intensivieren.

Andreas Fischer, Projektleiter beim Fraunhofer IPA, Abteilung Generative Verfahren & Digitale Drucktechnologie, sieht ein grundsätzliches Problem der generativen Fertigung im Zeitaspekt, vor allem im Vergleich dazu, wie schnell ein vergleichbares Spritzgussteil hergestellt werden kann. "Vorausgesetzt das Spritzgusswerkzeug gibt es schon. Steht man ganz zu Beginn der Produktentstehung, dann sind die generativen Verfahren schneller, weil die Maschine innerhalb weniger Minuten einsatzbereit ist.“ Beim "Drucken“ großer Bauteile sieht er Möglichkeiten durch "kooperierende Roboter“. Um Zeit zu sparen, würden dabei Bauteile unter mehreren Robotern aufgeteilt.