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3D Drucker in der Industrie: Revolution in der Fertigung

3D Drucker sind in vielen Unternehmen bereits im Einsatz. Ob in der Entwicklung, in der Fertigung oder für Endprodukte. Der 3D Druck ist in der Industrie angekommen und verspricht maßgeblichen Wandel. Der Technologie wird sogar zugetraut, die Industrie hinsichtlich Produktionsprozessen, Geschäftsmodellen und Wertschöpfungsketten tiefgreifend zu verändern.

Qualität, Präzision, Schnelligkeit, Preis: Das sind die Anforderungen der Industrie an Neuheiten, die ihr in ihren täglichen Aufgaben helfen sollen. Gleichzeitig bestehen hohe Erwartungen an die Automatisierung der Produktion, die Wartungsfreundlichkeit und eine fortschrittliche Energiebilanz.

3D Druck hat in der Industrie als Maßnahme der additiven Fertigung große Potenziale, zum Beispiel in der Optimierung von Logistikketten durch „Print on demand“, schnelle Fertigung von Prototypen bis hin zum mobilen Drucken. Dadurch wird beispielsweise die Lagerhaltung weniger aufwändig. Zusätzliche Energieeffizienzsteigerung versprechen leichtere Bauteile, die besser transportierbar sind. Gleichzeitig machen sie das Endprodukt leichter.

In der Automobilbranche verringert sich so beispielsweise das Gewicht von Autos, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt. Im Gesundheitssektor können individuelle Prothesen, Implantate oder Ohrpassstücke für Hörgeräte mithilfe von 3D-Drucker-Systemen kostengünstig und schnell hergestellt werden. 


Vorteile des 3D Drucks in der additiven Fertigung

Hinsichtlich Präzision, Schnelligkeit, Qualität und Preis können 3D Drucker in der Industrie schon oftmals mit den klassischen Verfahren mithalten. Zu erwarten ist, dass sich in den kommenden Jahren viele Parameter weiter zum Vorteil der Anwender verbessern. Im Folgenden sind alle wesentlichen Vorteile der additiven Fertigung mit 3D Druckern für Unternehmen zusammengefasst:

Verkürzte Entwicklungsphase Schnelles und werkzeugloses Erstellen von Prototypen oder Gussformen in einer frühen Entwicklungsphase. So werden Konstruktionsfehler frühzeitig erkannt, das Produkt lässt sich von Beginn an greifen und testen. Darüber hinaus sind Änderungen in der CAD-Vorlage schnell geschehen, da man das Prototyp nicht komplett neu herstellen muss. Das spart Geld, Zeit und vermindert das Risiko einer Fehlproduktion
Umweltfreundlich Die Modelle werden direkt in der gewünschten Größe und Form hergestellt. Im Nachgang muss außer möglichen Stützstrukturen kein Material abgetragen werden. Zusätzlich entfallen Transportwege, die eine Lieferung des Teils gebraucht hätte. Dies spart CO2 und schont die Umwelt.
Schnell Keine Maschine muss stillstehen, nur weil ein kaputtes Teil nicht rechtzeitig ersetzt werden kann. Mit dem 3D Drucker kann die Industrie Just-in-Time für Nachschub sorgen
Individuell Produkte können nach den eigenen Vorstellungen und Bedürfnissen angepasst werden, während in der Massenproduktion eine große Anzahl an Produkten uniform sind. Gerade im medizinischen Bereich bei Prothesen, Orthesen oder Implantaten sowie bei provisorischen Zahnbrücken und Zahnkronen lässt sich das Modell optimal an die physischen Gegebenheiten des Patienten anpassen.
Freiheiten im Design Die klassischen Restriktionen im Design bei traditionellen Fertigungsmethoden gibt es nicht mehr. Egal ob Überhänge, Hohlräume oder komplexe geometrische Formen, für den 3D Drucker kein Problem mehr. 
Verkürzte Produktionszeit Während Design- und Fertigungsprozesse beim Spritzguss und bei zerspanenden Fertigungen oftmal mehrere Wochen gedauert haben, benötigen Unternehmen mit dem 3D Drucker einige Tage oder sogar nur Stunden. Es müssen keine Formen geplant und angefertigt werden. Auch das Warten auf einen freien Slot bei Maschinen, die unter hoher Auslastung laufen und für die Herstellung des Endprodukts benötigt werden, entfällt. Beim 3D Druck benötigt die Herstellung der CAD Datei eine gewisse Zeit, je nach Komplexität des Modells. Den Rest erledigt der Drucker innerhalb weniger Stunden. 

Prototypen, Kleinserien, Vorrichtungen herstellen

Prototypen

Vorteile

Sobald eine CAD-Datei vorliegt, legt der industrielle 3D Drucker los. Werkzeuge, andere Maschinen oder andere benötigt er nicht. Durch dieses autarke Arbeiten hängt das Projekt nicht in Warteschleifen fest. 

Abhängig von der Komplexität des Modells ist es innerhalb weniger Stunden oder Tage fertig. Kleine Veränderungen können in kurzer Zeit in der CAD-Software vorgenommen werden. 

 

Geeignete Objekte

Fast alle Bauteile einer Maschine oder andere Produkte können mittlerweile gedruckt werden. Da es viele verschiedene Filamente gibt, die sich in ihren Eigenschaften und ihrem Aussehen unterscheiden, lassen sich Teile optimal herstellen. Um sehr kleine oder sehr große Modelle herzustellen, sind oft Sonderwege nötig. Mittlerweile gibt es jedoch auch große 3D Drucker, die realitätsgetreue, einstöckige Häuser bauen. 

 

Geeignete Verfahren

Stereolithografie: Sehr genaue Methode, die glatte Oberflächen und scharfe Kanten erzeugt. 

Polyjet: Sehr genaues Druckverfahren mit einer großen Auswahl und Kombinationsmöglichkeiten von Materialien.

Lasersintern bzw. Multi Jet Fusion: Gut geeignet für Bauteile, die mechanisch beansprucht werden.

Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung): Für einfachere Geometrien geeignet. Hier steht eine große Auswahl an unterschiedlichen Materialien zur Verfügung. 

Anwender

  • Unternehmen mit eigener Produktentwicklung

  • Industrieunternehmen aus Maschinenbau, Automobil-/Fahrzeugbau, Medizintechnologie, Analysetechnik, Messgeräte, Hightech-Bereiche

  • Bereiche des Produktdesigns und der Kreativwirtschaft

  • Forschungsinstitute und Forschungsabteilungen


Kleinserienfertigung

Vorteile

  • Sehr kurze Vorlaufzeiten
  • Lagerhaltung nicht mehr nötig
  • Kostengünstig trotz geringer Stückzahl
  • Schnelle Änderungen der Druckvorlagen

Geeignete Objekte

Meist werden kleine oder mittelgroße Objekte aus Kunststoff oder Metall gedruckt:

  • Objekte mit geringerem Gewicht in Luft- und Raumfahrt oder Automobilindustrie
  • Komplexe mechanische Anwendungen für Maschinenbau und andere Hochtechnologien
  • Geringe Stückzahl für Robotik, Spezialfahrzeugbau, Messgeräte 
  • Vorserienprodukte für Zulassungenin Medizintechnik oder Automobilindustrie

Geeignete Verfahren

  • Lasersintern bzw. Multi Jet Fusion: Ermöglichen hohe Produktivität und Bauteilqualität.

  • Laserschmelzen: Meist zur Erstellung von Rohlingen aus Metall.

Anwender

  • Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Maschinenbau, Medizintechnik
  • Unternehmen mit eigenen Produktionsanlagen oder eigenem Forschungsbereich
  • Unternehmen mit spezialisierten Produkten

 


Vorrichtungen

Vorteile

  • Keine Einschränkungen in Design und Form
  • Sehr geringe Vorlaufzeiten
  • Individualisierung

Geeignete Objekte

Vorrichtungen aller Art genauso wie Hilfsmittel in der Produktion, beispielsweise Griffe oder Schablonen. 

Geeignete Verfahren

  • Lasersintern bzw. Multi Jet Fusion: Erzeugen sehr stabile Objekte.

  • Laserschmelzen: Wenn Metalle als Material benötigt werden.

  • Fused Deposition Modeling: Für einfache Geometrien. Bietet hohe Materialvielfalt.

Anwender

Industrieunternehmen aus dem Maschinenbau oder Automobilindustrie.


3D Druckservice: online oder in den Conrad Filialen

 

3D Druck Service online

Um zu testen, ob der 3D Druck in das eigene Unternehmen passt, bietet sich der 3D Druckservice von Conrad für Einzelstücke und Serienprodukte an. Mit unserem Kooperationspartner bieten wir Ihnen das komplette Spektrum des 3D Printing. Sie können zwischen verschiedenen Drucktechnik-Verfahren und Materialien wählen. So entstehen beispielsweise Bauteile, Spritzgießwerkzeugeinsätze und Prototypen aus Metall, Aluminium, Kunststoff und vielem mehr.

3D Druck Service in der Conrad Filiale

Scannen, Drucken, Mitnehmen. Nach diesem Prinzip funktionieren die 3D Printhubs in der Conrad Filiale. Dort finden Sie die komplette Infrastruktur, die für einen 3D Druck nötig ist: 3D-Scanner, 3D-Drucker, PC mit installierter 3D-Bearbeitungs- und 3D-Scan-Software sowie eine Auswahl an Filamenten. Unsere Mitarbeiter stehen Ihnen natürlich jederzeit zur Seite und beraten Sie. Testen Sie es selbst! 


So funktionieren Industrie 3D Drucker

Das zu druckende 3D-Modell wird mit einer CAD-Software modelliert und nach dem Slicen (Berechnung des Fahrtwegs des Druckkopfes) als G-Code-Datei an den Drucker gesendet. Grundsätzlich unterscheidet man drei verschiedene additive Verfahrensweisen

  • Pulververfahren: Spezielles Pulver wird durch ein Bindemittel oder Hitze gehärtet, die entsprechende Form entsteht. Dazu gehören Selektives Lasersintern, Polyjet Modeling oder Digital Light Processing. 
  • Freiraumverfahren: Eine Düse platziert Schicht für Schicht erhitztes Filament auf einer Druckplatte, sodas das gewünschte Objekt entsteht. Beim Abkühlen härtet das Modell aus. Im Anschluss können gegebenenfalls Stützkonstruktionen, die zur Stabilisierung während des Drucks dienten, entfernt werden. Das bekannteste Freiraumverfahren ist das Fused Deposition Modeling. 
  • Flüssigverfahren: In eine wannenförmige Bauplatte wird zunächst flüssiges Druckmaterial gefüllt. Die Bestrahlung eines Lasers härtet die Flüssigkeit an den Stellen aus, an denen die Form entstehen soll. In diese Kategorie fallen Stereolithografie oder Digital Light Processing. 

 

 

Die vier häufigsten 3D Druckverfahren für die Industrie sind das Fused Deposition Modeling, Stereolithografie, Polyjet, Lasersintern und Multi Jet Fusion. Hier ein kurzer Überblick über die Verfahren:

 

Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF)

Erhitzter und dadurch weicher Kunststoff wird von einem oder zwei Extrudern in dünnen Schichten auf ein Druckbett aufgetragen. Sobald das Filament abkühlt, härtet es aus. Volumenkörper werden mit Füllstrukturen gedruckt. Bei vielen Objekten sind zusätzlich Stützstrukturen notwendig, damit Überhänge nicht absinken. 

Vermehrt findet dieses Verfahren Anwendung bei frühen Prototypen, Vorrichtungen, mechanischen Teilen und Modellbau.

Das Fused Deposition Modeling zeichnet sich durch eine kostengünstige, stabile Produktionsweise aus. Für komplexe Strukturen ist es allerdings nicht geeignet. 


Stereolithografie (SL)

Selektives Aushärten eines Photopolymers findet durch die Bestrahlung mit einem UV-Laser statt. Dies geschieht nur an den Stellen, wo das Objekt entstehen soll. Während des Druckvorgangs sinkt die Druckplatte immer weiter in die Flüssigkeit ein. Stützstrukturen stabilisieren das Objekt und verhindern, das sich Überhänge verformen.

Angewendet wird dieses Verfahren beispielsweise bei der Erstellung von funktionellen und visuellen Prototypen, Urformen sowie Detail-Modellen. 

In der Stereolithografie entstehen glatte, hochwertige Oberflächen, die auch kleine Details abbilden können. Die Produktionszeiten sich vergleichsweise kurz. 


Polyjet oder MultiJet-Modeling (MJM)

Mehrere Düsen des Druckkopfes tragen Photopolymer tröpfchenweise auf eine Druckplatte auf. Diese werden durch UV-Bestrahlung sofort ausgehärtet, woraufhin die nächste Schicht des Filaments aufgetragen wird. Verschiedene Materialien können während des Drucks kombiniert werden, beispielsweise ein fester Griff mit weicher Gummioberfläche. 

Es werden hauptsächlich hochwertige Prototypen, Urformen, Miniaturen und Prototypen aus mehreren Materialien hergestellt. 

Polyjet besticht durch eine gute Qualität mit glatten Oberflächen und hoher Auflösung. Allerdings ist der Druck im Vergleich zu anderen Verfahren zeit- und kostenintensiver. 

 


Selektives Lasersintern (SLS)

Zunächst wird Kunststoffpulver dünn auf die Bauplattform verteilt. Ein Laser sintert gemäß Vorlage die entsprechenden Stellen im Pulverbett. Das bedeutet, dass der Laser das Pulver bis knapp vor den Schmelzpunkt erhitzt, sodass sich die einzelnen Körner verbinden. Nachdem eine Schicht fertig ist, wird die Plattform abgesenkt und erneut Pulver darauf verteilt. 

Funktionelle und visuelle Prototypen, Kleinserien und Modellbau-Teile können mithilfe des SLS gedruckt werden. 

Dies ist eins der wenigen Verfahren, bei dem keine Stützstrukturen notwendig sind. Verzahnte Teile können an einem Stück gedruckt werden. Allerdings muss die Oberfläche des Objekts nach dem 3D Druck geglättet werden und die Druckzeit ist vergleichsweise lang. 


Multi Jet Fusion

Auf dem Druckbett wird eine Pulverschicht aufgetragen. Ein Druckkopf verteilt danach eine wärmeleitende Flüssigkeit auf die Stellen, wo das Modell entstehen soll. Mithilfe von Infrarotlicht wird die Pulver-Flüssigkeit-Schicht stark erhitzt und schmilzt. Ein weitere Wirkstoff, der um die Schicht herum aufgetragen wird, verhindert ein Verschwimmen der Linien. 

Anwendung findet dieses Verfahren bei funktionellen Bauteilen in Kleinserie, funktionellen Prototypen sowie bei Objekten mit komplexen Geometrien.

Dieses Verfahren erzeugt stabile Objekte mit hoher Auflösung und ist dabei schnell und kosteneffizient. Ein Nachteil: Es entstehen rauere Oberflächen als bei Polyjet oder SLA.  

 


Spezielle Ausstattung für 3D Drucker in der Industrie

Die für die industrielle Anwendung gedachten 3D Drucker sind robust aufgebaut und fast ausnahmslos mit einer Einhausung umgeben, um das Bedienpersonal vor versehentlichem Kontakt mit den heißen Elementen des Druckers zu schützen. Zudem findet der Druckvorgang in solchen Einhausungen unter konstanten Umgebungsbedingungen statt, das aushärtende Material ist vor Staub und anderen Fremdkörpern geschützt. Auf diese Weise wird auch das Betriebsgeräusch des 3D Druckers verringert.

Weitere, optionale technische Ausstattungen dieser Drucker sorgen für einen sicheren Einsatz im Industriebereich: Dazu gehören integrierte Kameras zur Fernüberwachung der Geräte – gleichzeitig ein großes Sicherheitsplus. Die Einbindung in bestehende Netzwerke wird über WLAN oder Ethernet-Kabel realisiert, oder die Versorgung mit Daten per USB-Stick oder -Kabel sichergestellt. Zur reibungslosen Übertragung der Druckdaten von PC oder Mac zum 3D-Drucker ist eine herstellerabhängige Software zu installieren.


Unser Praxistipp: Schutz vor rechtlichen Konsequenzen

Produktpiraterie kann unter Umständen strafrechtliche Relevanz erlangen. Informieren Sie sich daher vor dem Druck von Fertigungsteilen, ob das Vervielfältigen von bestimmten (Marken-)Produkten mittels 3D Druck gegen das Marken- oder Urheberrecht verstößt.


Sicherheit bei Betrieb und Wartung

Der 3D Druck ist ein anspruchsvolles technisches Verfahren, das mit Risiken bei Betrieb und Wartung einhergeht. Das betrifft nicht nur die allgemeine Sicherheit beim Umgang mit 3D Druckern. Das erhitzte Druckerfilament sondert – je nach eingesetztem Material – feinste Partikel und unter Umständen die Atemwege reizenden Gase ab. Das erfordert Arbeit in gut durchlüfteten oder aktiv entlüfteten Räumen. Viele Hersteller bauen in ihre Industrie 3D Drucker zudem einen HEPA-Filter ein, der vor potenziell schädlichen Partikeln beim Drucken schützt. 

Vor Wartungs- und Reinigungsarbeiten oder zur Beseitigung von Funktionsstörungen müssen Sie den Drucker vom Stromversorgungsnetz trennen und mindestens 30 Minuten abkühlen lassen.

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