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Fachbeitrag: Additive Manufacturing und Industrie 4.0 – Zukunft und Stand der Gegenwart

Dieser Beitrag gibt Auskunft über den derzeitigen Stand der Entwicklung im Bereich additiver Fertigungsverfahren und zeigt mögliche Zukunftsszenarien in Verbindung mit Industrie 4.0 auf.

Additive Fertigung ist heute der de-facto Standard in der Industrieproduktion. Der „industriellen Revolution aus dem Drucker“ wird enormes Potenzial bescheinigt. Im Rahmen von Industrie 4.0, deren cyber-physikalische Systeme Effizienz in die Fertigungsstraßen bringen, wird auch in Zukunft kein Stein auf dem anderen bleiben.

Im Folgenden werden die Begrifflichkeiten „Industrie 4.0“ und „Additive Fertigung“ erläutert. Der darauffolgende Abschnitt soll einen Ausblick geben, wo die Reise („Quo vadis„) der additiven Fertigung im Rahmen der Industrie hingehen könnte. Der letzte Abschnitt zeigt der Vollständigkeit halber noch einmal die Merkmale sowie Vor- und Nachteile der gebräuchlichsten additiven Fertigungsverfahren auf. In den Kommentaren unterhalb des Artikels freuen wir uns über Anregungen und Kommentare zu dem Thema.

Was bedeutet „Industrie 4.0?“

Industrie 4.0, auch als vierte industrielle Revolution bezeichnet, ist ein Begriff, der eine Reihe von zeitgenössischen Datenaustausch- Fertigungs- und Automatisierungstechnologien umfasst. Es handelt sich um einen Sammelterm für Konzepte der betrieblichen Wertschöpfungskette, welcher unter anderem virtuell-physikalische Systeme, das „Internet der Dinge“ sowie das „Internet der Dienste“ beinhaltet. Industrie 4.0 erleichtert die Umsetzung einer visionären „Smart Factory.“ Innerhalb der modular aufgebauten Fabriken von Industrie 4.0 überwachen cyber-physikalische Systeme digitalisierte Produktionsprozesse und Work-Flows, sorgen für bedarfsgerechte generative Massenfertigung und treffen dezentrale Entscheidungen. Die Industrie 4.0 bringt durch additive Technologien die industrielle Fertigung aus ihrem „Outsourcing-Exil“ in China zurück in die regionalen Betriebe.

Was bedeutet „Additive Fertigung“?

Die additive Fertigung (engl.: additive Manufacturing) ist eine flexible Methode, um direkt aus 3D CAD Dateien industrielle Teile in Serie zu produzieren, Werkzeug wird dabei nicht mehr benötigt. Im Gegensatz zu den Anfängen, wo ausschließlich Prototypen und Kleinserien im 3D-Druck gefertigt worden sind, werden heute ganze Fertigungs-Systeme einschließlich deren Konstruktionsdaten in digitaler Form per Datenstream vom Rechner über die Cloud an die Fertigungsmaschinen übergeben und anschließend automatisiert weiterverarbeitet oder als Endprodukt verwendet. Für diese additive Fertigungsleistung erwirbt der Kunde Lizenzen, für die er – wie bei der Nutzung von Webspace – eine finanzielle Pauschale entrichtet. Derartige digital vernetzte Prozessketten machen additive Fertigungsverfahren – insbesondere den 3D-Druck – zu einem wichtigen Standbein der Industrie 4.0.

Die generative Fertigung zeigt ihre Stärken dort, wo konventionelle Technologien an ihre Grenzen stoßen. Eine kurze Entwicklungszeit von Fertigungsteilen, verbesserte Eigenschaften innovativer Produkte sowie massive Einsparungen im Kostenbereich sprechen eine deutliche Sprache. Der Schlüssel dazu ist einerseits im nachhaltigen Gebrauch von Ressourcen, Know-how und Fördergeldern zu sehen, andererseits hat zweifellos ein Umdenken bei der Entwicklung von Produkten stattgefunden. Um das Potenzial additiver Verfahren vollends erschließen zu können, wären jedoch mehr Erfahrung mit additiven Verfahren, eine größere Vielfalt verwendbarer Materialien sowie weitere Einsparungen im Kostenbereich der Herstellung erforderlich. Unternehmen haben hier die Möglichkeit, spezialisierte Dienstleister, wie Vioproto, beratend in Anspruch zu nehmen.

Quo vadis additive Fertigung?

Additive Fertigungsverfahren verfügen über unabsehbare Entwicklungsmöglichkeiten. So werden etwa in 10 Jahren viele Bauteile additiv hergestellt werden, die heute noch mit traditionellen Methoden gefertigt werden. Möglichkeiten generativer Fertigungsverfahren bestehen insbesondere darin, individuelle Bauteile und kleine Serien schnell, kostengünstig und ohne Werkzeuge herstellen zu können. Das eröffnet der Industrie 4.0 vor allem bei Komponenten aus Kunststoff und Metall große Chancen. Es werden künftig vor allem Produktserien umgestellt werden, bei denen durch Individualisierung des Customizing sowie dem Implementieren von Zusatzfunktionen ein markt- oder nutzenrelevanter Effekt erzielbar ist – insbesondere dann, wenn es um die schnelle und werkzeuglose Herstellung geht. Eine Vorreiterrolle werden die Luftfahrtindustrie und die Medizintechnik übernehmen, gefolgt von Anwendungen im Bereich automotiver Verfahren. Die Technologie ist so erfolgversprechend, dass davon ausgegangen werden kann, dass die Industrie 4.0 mit 3D-Anwendungen in absehbarer Zeit zahlreiche neue Märkte schaffen wird.

Kurzer Überblick über die gebräuchlichsten additiven Verfahren

  • Selektives Laserschmelzen (SLM)

Beim selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff als Pulver in Form einer dünnen Schicht – in der Fachsprache als Layer bezeichnet – auf eine Trägerplatte aufgebracht und mittels CO2 Laserstrahlung umgeschmolzen. Der Werkstoff bildet nach der Aushärtung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um die Dicke einer Schicht abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeformt sind. Das überschüssige Pulver wird mit Wasser abgespült, der Layer kann anschließend weiter bearbeitet oder sofort verwendet werden.

  • Selektives Lasersintern (SLS)

Auch bei dieser 3D-Drucktechnik liegt der Druckstoff in Pulverform vor. Die einzelnen Schichten werden durch ein Bindemittel auf den Trägerstoff aufgetragen und mittels eines CO2 Lasers unter Schutzatmosphäre verschmolzen. Auf diese Weise lassen sich neben Kunststoff auch andere Materialien, wie etwa Sand, Metall und Keramik verarbeiten.

  • Stereolithografie (SLA)

Bei diesem Verfahren werden liquide Photo-Polymere eingesetzt. Dabei handelt es sich um Kunststoffe, die unter Einwirkung von ultravioletter Strahlung veränderte Eigenschaften aufweisen. SLA stellt derzeit die wohl am meisten verbreitete Drucktechnik in 3D dar. In einem mit flüssigen Polymeren gefüllten Behälter werden die einzelnen Layer des 3D-Modells via CO2 Laser auf das flüssige Trägermaterial aufgebracht, welches in einem Druckbett gesammelt wird. Sobald der erste Layer erstarrt und das Objekt an das untergelegte Druckbett gepresst ist, zieht ein ferngesteuerter teleskopischer Arm das Objekt um eine Schicht nach unten, um neuerlich flüssigen Trägerstoff anzusammeln. Darauf wird der nächste Layer aufgebracht. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange , bis alle Layer beschichtet sind. Danach wird der Rohling aus dem Becken genommen und in einer speziellen Dunkelkammer bis zur völligen Aushärtung belichtet. Diese Methode ist aufgrund des höheren Verarbeitungs- und Materialaufwands kostenintensiver als andere additive Verfahren, allerdings bietet diese Drucktechnik den Vorteil, dass keine Übergänge zwischen den einzelnen Schichten entstehen, wodurch das aufwendige Nachbearbeiten entfällt.

Anwendungsgebiete additiver Fertigungstechniken bestehen unter anderem in allgemeinen technischen Bereichen, in der Medizin, im Automobilbau (Herstellung von Prototypen) sowie in Kunst und Architektur.

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