Die größten Herausforderungen bei der additiven Fertigung und wie man sie überwindet

Bei der additiven Fertigung (AM) wird Material hinzugefügt, bis das Produkt fertig ist. Die additive Fertigung ist das Gegenteil der subtraktiven Fertigung (SM), d. h. der traditionellen Bearbeitungsmethoden, bei denen ein festes Material weggeschnitten wird, bis der Gegenstand fertig ist. Der 3-D-Druck wird am häufigsten mit der additiven Fertigung in Verbindung gebracht, umfasst aber auch Technologien wie:

• Extrusion - Material wird durch eine Düse oder eine Öffnung gepresst, um die gewünschte Form zu erzeugen. Häufige Materialien, die bei der Extrusion verwendet werden, sind Metalle, Kunststoffe und Verbundstoffe. Beispiele für Produkte, die durch Strangpressen hergestellt werden, sind Rohre, Drähte, Fensterrahmen und Aluminiumdosen.
• Kaschierung - Verbindung von zwei oder mehr Materialschichten. Sie wird häufig zum Schutz und zur Konservierung von Dokumenten, Fotos und anderen Materialien verwendet und verleiht ihnen Festigkeit und Steifigkeit. Die Materialien werden durch Hitze, Druck oder einen Klebstoff miteinander verbunden. Die Laminierung wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, u. a. in der Druck-, Verpackungs- und Fertigungsindustrie.
• Binder Jetting - Ein Bindemittel wird in den Prozess integriert, um Metall-, Keramik- oder Verbundstoffpulverpartikel zu verbinden. Das Pulver wird dünn aufgetragen und dann selektiv mit dem Bindemittel verbunden. Binder Jetting ist relativ schnell und kann komplexe Teile mit hoher Genauigkeit und Detailtreue erzeugen.
• Material Jetting - Eine 3D-Drucktechnologie, bei der flüssiges Photopolymerharz verwendet wird, das mit UV-Licht ausgehärtet wird. Ähnlich wie bei der Stereolithografie (SLA) werden beim Material Jetting Materialtröpfchen auf eine Bauplattform gespritzt, Schicht für Schicht, entsprechend einer 3D-CAD-Datei (Computer-Aided Design). Nachdem jede Schicht aufgetragen wurde, wird das Material mit UV-Licht ausgehärtet, wodurch hochdetaillierte und präzise Teile entstehen. Mit dem Material-Jetting-Verfahren kann eine breite Palette von Materialien gedruckt werden, darunter transparente, gummiartige und flexible Harze.
• Direct Energy Deposition (DED) - Hochenergetische Strahlen wie Elektronenstrahlen, Laserstrahlen und Plasmalichtbögen schmelzen das Material und tragen es kontrolliert ab, um ein dreidimensionales Teil Schicht für Schicht aufzubauen. Dieses Verfahren bietet mehrere Vorteile gegenüber konventionellen subtraktiven oder formgebenden Fertigungsmethoden, z. B. eine größere Designflexibilität, kürzere Bearbeitungszeiten und die Möglichkeit, Teile mit komplexen Geometrien und Formen herzustellen.
• Pulverbettfusion (PBF) - Eine weitere 3D-Drucktechnologie, bei der komplexe Teile Schicht für Schicht aus Metall- oder Kunststoffpulver hergestellt werden. Bei PBF schmilzt und verschmilzt ein Laser selektiv kleine Materialpartikel in einem Pulverbett. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das 3D-Teil fertiggestellt ist. Mit PBF können Teile mit komplexen Geometrien und komplizierten Details mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit hergestellt werden.
• Bottichpolymerisation - Ein Massenpolymerisationsverfahren, bei dem Monomere in einen Bottich oder Behälter gegeben und unter strukturierten Bedingungen erhitzt werden. Die Hitze bewirkt, dass die Monomere reagieren oder polymerisieren und ein Polymer bilden. Mit diesem Verfahren lassen sich Polymere mit höherem Molekulargewicht bilden als mit anderen Polymerisationsverfahren.

Dieser Artikel befasst sich mit den Herausforderungen (primär, technisch, betrieblich, organisatorisch) im Bereich der additiven Fertigung, deren Bewältigung und der Lösung dieser Herausforderungen durch die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Partner für die additive Fertigung.

Im Bereich der additiven Fertigung gibt es mehrere Möglichkeiten zur Verbesserung. Zu diesen Herausforderungen gehören die folgenden:

• Investitionskosten - Die Anfangsinvestitionen für 3D-Drucker sind beträchtlich, aber nicht annähernd so hoch wie bei traditionellen subtraktiven Fertigungsverfahren. Die derzeitigen wirtschaftlichen Bedingungen tragen ebenfalls zur Abneigung gegen große Investitionsausgaben bei. Bei einem Vorstoß in eine neue und dynamische Branche sind Investitionsausgaben möglicherweise schwer zu rechtfertigen. Wenn es darum geht, die Herstellung von Prototypen zu beschleunigen, haben herkömmliche Buchhaltungsmethoden oft Schwierigkeiten, eine vertretbare Amortisation zu berechnen.
• Wartung - Die 3D-Druckertechnologie (3DP) entwickelt sich ständig weiter, und Ausfälle sind auch bei regelmäßiger Wartung keine Seltenheit. Ausfallzeiten und Wartung sind potenzielle Kosten, die Investoren abschrecken. Wesentliche Teile können aufgrund von Problemen in der Lieferkette auf Lager gehalten werden, was die Kosten in die Höhe treibt.
• Arbeitskräftemangel - Eine weitere Herausforderung ist das technische Know-how für die Verwaltung und den Betrieb der Anlagen. Der Markt hat einen enormen Bedarf an technischem Fachwissen für die Überwachung und den Betrieb von AM-Anlagen. Dieses Fachwissen muss unter Umständen intern durch externe Schulungen aufgebaut werden, was ein langwieriger Prozess ist, wenn man versucht, die Investition in die Ausrüstung zu rechtfertigen. Die Konvertierung von Dateien und das Fachwissen über die Anlagen sind nur ein Teil des Arbeitsaufwands. Je nach Technologie muss ein Bediener vor Ort sein, um die Filamente während des Drucks auszutauschen, die Einstellungen anzupassen, Stützstrukturen zu entfernen und Nachbearbeitungsschritte durchzuführen.
• Materialverfügbarkeit - Da die AM-Technologien noch relativ jung sind, ist die Materialverfügbarkeit weitaus geringer als bei herkömmlichen Fertigungsdienstleistungen. Mit einer geringeren Materialhistorie und einer begrenzteren Materialauswahl bietet AM eine große Anzahl von Möglichkeiten. Glücklicherweise schreitet die Entwicklung von AM-Materialien mit großer Geschwindigkeit voran.
• Das AM-Umfeld - Für viele ist ein Paradigmenwechsel erforderlich, um sich auf eine neue und sich schnell entwickelnde Technologie einzulassen. Viele Investoren warten ab, bis die technologische Entwicklung ein Plateau erreicht hat und alle Macken ausgebügelt sind. Diese Ansichten werden sich mit der Zeit und verbesserten Materialien und Technologien ändern.

Wie bei jeder neuen Technologie gibt es noch einige technische Herausforderungen, bevor die meisten Hersteller die AM-Industrie annehmen. Dazu gehören die folgenden:

• Langsame Produktionsgeschwindigkeit - 3DP ist für seine langsamen Produktionsgeschwindigkeiten bekannt, was die Technologie von Großserienanwendungen abhält. Die Anlagenhersteller sind sich dieses Mankos bewusst und suchen eifrig nach Methoden zur Verbesserung der Produktionsgeschwindigkeit. Selektive Lasersinterdrucker (SLS) verwenden zwei Druckköpfe, um Pulver schneller zu sintern. Andere Druckerprototypen können Berichten zufolge dreißig Schichten gleichzeitig drucken, statt nur eine. Und einige Drucker haben die Geschwindigkeit um bis zu 2.000 % erhöht.
• Automatisierung der Nachbearbeitung - Die meisten AM- und 3D-Druckteile müssen in irgendeiner Form nachbearbeitet werden. Dies erfordert zusätzlichen Arbeitsaufwand und trägt zu den Gemeinkosten pro Stück bei. Einige AM-Vorgänge erfordern das Entfernen von Stützen, Schleifen, Reinigen, Glätten von Dämpfen, Aushärten usw. Die Herausforderung besteht darin, diese Vorgänge mit Hilfe von Robotern und automatisierten Materialhandhabungssystemen zu automatisieren.Derzeit gibt es kaum technologische Entwicklungen für die Nachbearbeitung.
• Software - Es gibt nur begrenzte Möglichkeiten der Datenaufbereitung und -gestaltung. Die Unternehmen benötigen eine geeignete digitale Infrastruktur, um ihre 3D-Druckvorgänge effektiv zu verwalten. Daher hat die Branche eine Workflow-Management-Software speziell für den 3D-Druck entwickelt. Diese Software hilft bei der Verwaltung des Arbeitsablaufs, einschließlich Anfragen, Druckbarkeitsanalyse, Maschinenanalyse, Produktionsplanung, Nachbearbeitungsmanagement und Lieferantenkommunikation.
• Qualität - Die Abweichung von Teil zu Teil ist bei vielen AM-Technologien ein Problem. Die Materialzusammensetzung ist eine wichtige Quelle für Abweichungen aufgrund von Verunreinigungen. Ein Teil davon ist materialbedingt, ein weiterer Aspekt ist die unsachgemäße Lagerung und Handhabung. Um die Qualität von Material und Handhabung zu gewährleisten, sind standardisierte Tests erforderlich. Die Möglichkeit, den Bauprozess in Echtzeit mit in den 3D-Drucker integrierten Kameras und Sensoren zu überwachen, wird den Übergang von einem offenen zu einem geschlossenen Regelkreis ermöglichen. Das Closed-Loop-System ermöglicht die Überwachung des Bauprozesses in Echtzeit und trägt zu konsistenten Geometrien, Materialeigenschaften und Oberflächengüten bei, die die Qualität unterstützen.  
• Material - Die Materialauswahl hat sich deutlich verbessert, aber es ist noch ein weiter Weg, bis der AM-Sektor die bestehenden Technologien überholen kann. Es gibt Defizite bei den Materialinformationen, denn es fehlt eine umfassende Materialdatenbank mit festgelegten Druckparametern und klar definierten Spezifikationen. Die Hersteller zögern, eine Technologie mit solchen Informationsdefiziten zu nutzen.
• Normen - Der Branche fehlt es an branchenweiten Richtlinien, einschließlich allgemein verständlicher und akzeptierter Normen. Einige wichtige Akteure in der Normenentwicklung, wie ISO und ASTM International, haben Ausschüsse eingerichtet, die sich mit der Entwicklung von AM-Normen befassen.

Den neuen Technologien fehlt es an Präzedenzfällen für die Einführung der additiven Fertigung auf betrieblicher Ebene, und es gibt nur wenige Geschäfts- und Kostenberechnungsmodelle auf der Grundlage der AM-Technologie. Ein weiteres rechtliches Problem, das vielen Unternehmen Angst macht, ist der Mangel an qualifiziertem Personal in den AM-Bereichen.

Die gute Nachricht ist, dass die Popularität und die Akzeptanz von AM schnell zunehmen. Die rasche Entwicklung neuer Materialien trägt dazu bei, dass AM viele herkömmliche subtraktive Technologien ersetzt. Die Einführung weltweit anerkannter AM-Normen wird der Branche auch helfen, ihren Anteil an der Fertigung zu erhöhen.

Diese Bedenken können durch die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen 3D-Druck-Partner ausgeräumt werden. Durch diesen Schritt entfallen Investitionskosten und die Lernkurve. Eine Partnerschaft bietet Zugang zu mehr additiven Materialien und verschiedenen Nachbearbeitungsoptionen. Neben direkten Partnerschaften mit Herstellern gibt es auch einige Unternehmen, die lokale Hersteller betreuen und für diese Dienstleistungen zur Verfügung stehen.