Schichten aufbauen

Dec 06, 2023

Die additive Fertigung ist ein Argument für Mainstream-Anwendungen im Jahr 2023 und darüber hinaus

Nach einer kurzen Abschwächung während der Pandemie ist die Branche der additiven Fertigung (AM) mit aller Macht zurückgekehrt, angetrieben durch aufgestaute Nachfrage und wachsende Akzeptanz sowie technische Fortschritte, innovative Partnerschaften und scheinbar unbegrenzte Möglichkeiten mit Potenzial für Sinnvolles – und manchmal – beispiellose Vorteile.

Der Markt ist von 1,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2011 auf 15,2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 gestiegen – und das ist nur die erste Wachstumsstufe. Laut dem letztjährigen Wohlers-Bericht über 3D-Druck und additive Fertigung (die Ausgabe 2023 erscheint bald) wird AM in diesem Jahr voraussichtlich 21 Milliarden US-Dollar erreichen und bis 2031 die 85-Milliarden-Dollar-Marke überschreiten. Der Jahresbericht, der erstmals 1996 veröffentlicht wurde, bietet einen umfassenden Überblick über die neuesten Produkt- und Prozessfortschritte, Geschäftsabwicklungen, Trends und Branchenherausforderungen der Branche und basiert auf Interviews und anderen Beiträgen von Hunderten von Experten führender AM-Unternehmen auf der ganzen Welt . Ende 2021 wurde Wohlers Associates von ASTM International, der globalen Normungsorganisation, übernommen, um eine breitere Einführung von AM weltweit zu unterstützen.

Das Wachstum kommt von verschiedenen Fronten. Zusätzlich zu den Early Adopters in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen seien Fortschritte in mehreren anderen Branchen und bei einer breiteren Basis von Unternehmen zu verzeichnen, sagte Terry Wohlers, der seine gleichnamige Organisation gründete und nun deren Beratungsdienste und Marktforschungsaktivitäten leitet.

„Unternehmen werden wach und sehen so viele Möglichkeiten, wie die Technologie potenziell eingesetzt werden kann“, sagte Wohlers und verwies auf neue Anwendungen in der Lebensmittelherstellung, gedruckten Elektronik und Mode. „Jetzt gibt es diese Beispiele weiter draußen. Ich möchte nicht behaupten, dass das letzte Jahr für einen dieser drei ein großes Jahr war. Das war es nicht. Aber ich denke, die Unternehmen sind zu der Erkenntnis gekommen, dass so viel mehr möglich ist.“ mit Zusatz.“

Trotz der jüngsten Erfolge bleiben eine Reihe gewaltiger Herausforderungen bestehen. Kostenbedenken stehen ganz oben auf der Liste, zusammen mit der Notwendigkeit von Industriestandards und einem tieferen Verständnis von AM-Prozessen und -Materialien – insbesondere bei kleinen Unternehmen.

„Insgesamt bleibt die additive Fertigung eine große Herausforderung, und wenn ein Kunde sich darauf einlassen möchte, muss er einige Hürden überwinden“, bemerkte Melanie Lang, CEO von FormAlloy Technologies. „Es gibt den Teil der Material- und Prozessqualifizierung, der immer einfacher wird, aber der Vorgang des Bauens von Teilen ist für den durchschnittlichen Betrieb immer noch ziemlich schwierig und erfordert erhebliche Investitionen in Zeit und Ressourcen.“

Das Wiederaufleben von AM nach der Pandemie wurde durch eine Welle von Fusionen und Übernahmen unterstrichen.

„In den letzten 12 Monaten kam es zu zahlreichen M&A-Deals, aber viele davon sind kleine Unternehmen, deren Namen die breite Öffentlichkeit nicht kennt“, sagte Wohlers. Zu der wachsenden Liste der Akteure zählen auch Start-ups und Unternehmen, die bisher im Verborgenen gearbeitet haben, sich nun aber auf die Produktion vorbereiten.

Gleichzeitig wagen mehrere Konzernschwergewichte den Sprung in die additive Fertigung. Dazu gehört ein im Dezember angekündigter Mega-Deal mit der Facebook-Muttergesellschaft Meta, die Luxexcel übernommen hat. Das 2009 gegründete belgische Unternehmen stellt 3D-gedruckte Linsen für Brillen und andere Arten optischer Systeme, beispielsweise LED-Beleuchtung, her. Die beiden Unternehmen arbeiteten zuvor beim Aria-Projekt von Meta zusammen und werden diese Initiative voraussichtlich durch den Einsatz von 3D-Druck zur Weiterentwicklung von Augmented-Reality-Brillen ausweiten.

Im Januar schloss Nikon die Übernahme einer 92-prozentigen Beteiligung an der SLM Solutions Group für 622 Millionen Euro (675 Millionen US-Dollar) ab. Durch den Deal erhält Nikon Zugang zur Laser-Pulverbett-Fusion-Technologie von SLM, an deren Entwicklung das deutsche Unternehmen beteiligt war. SLM dürfte unterdessen vom Know-how von Nikon im Bereich Optik und Präzisionsausrüstung profitieren.

Nikon hat mit der Übernahme des Metallspezialisten Morf3D im Jahr 2021 einen früheren Schritt in die AM-Welt gemacht. SLM erholte sich nach finanziellen Problemen im Jahr 2019 durch neue Verträge mit der US Air Force und Rolls-Royce Aerospace.

Die Investition von Nikon in SLM sei die jüngste in einer Reihe bemerkenswerter AM-bezogener Aktivitäten großer japanischer Unternehmen, darunter Mitsubishi und DMG Mori, sagte Wohlers. Obwohl Japan bei einigen frühen Entwicklungen der Branche ein wichtiger Akteur war, sagte Wohlers, dass das Engagement des Landes bis vor Kurzem nachgelassen habe. Er führt Japans erneutes Interesse zum Teil auf das Timing zurück – selbst wenn es keine unmittelbaren Pläne gibt, die Technologie für ihre eigenen Produkte zu nutzen, riskieren Unternehmen, potenziell starke Partner zu verlieren, wenn sie zu lange warten.

„Die Beteiligung an diesen Unternehmen gibt ihnen Einblick in die Technologie, Anwendungen und den Gesamtmarkt, sodass sie gute Entscheidungen rund um die additive Fertigung treffen können“, sagte Wohlers.

AM gewinnt in der Baubranche zunehmend an Bedeutung. Obwohl eine frühe Version der Technologie mit der patentierten „Wall Building Machine“ von William Urschel aus den 1930er Jahren stammt (ein zweistöckiges Gebäude, das nach diesem Verfahren hergestellt wurde, steht noch immer in Indiana), ist die moderne additive Bauindustrie (AC) noch immer im Einsatz Es steckt zwar noch in den Kinderschuhen, ist aber vielversprechend, heißt es im „Wohlers Specialty Report on Construction“. AC wird als potenzieller Game-Changer gefeiert und könnte eine größere Gestaltungsfreiheit, Automatisierung und Wiederholbarkeit von Prozessen sowie Kosteneinsparungen und den Bau nachhaltigerer Strukturen ermöglichen – was letztendlich dazu beitragen könnte, die globale Wohnungskrise zu lindern.

In letzter Zeit gab es einige Fortschritte. Die deutsche Peri Group beispielsweise hat seit 2020 mehrere AC-Projekte abgeschlossen. Dazu gehört ein einstöckiges, 158 Quadratmeter großes Haus in Tempe, Arizona, das über einen 3D-gedruckten, tragenden Innenraum verfügt und Außenwände.

Einer der Schlüssel zum künftigen Wachstum von AM im Baugewerbe und anderen Sektoren ist die Etablierung von Industriestandards für die Technologie. Dazu gehören Vorschriften, Spezifikationen und Richtlinien für Materialien und Prozesse sowie Produktqualifizierung und -zertifizierung.

„Industrien wachsen und reifen nicht ohne Standards“, sagte Wohlers und wies darauf hin, dass Luft- und Raumfahrt, Automobil, Energie und Gesundheitswesen alle stark reguliert sind und über klar definierte Zertifizierungsprozesse und Standards für die konventionelle Fertigung verfügen. Das Fehlen von AM-Standards erhöht die Zeit. Als Beispiel nannte Wohlers ein Treffen mit einem führenden israelischen Luft- und Raumfahrtunternehmen im vergangenen Jahr. „Sie sagten mir, sie könnten ein additives Design innerhalb von Wochen fertigstellen, aber es dauerte Monate, sogar ein Jahr oder länger, bis alles qualifiziert und zertifiziert war.“

Die gute Nachricht, sagte er, sei, dass die AM-Community „die Bedeutung von Standards verstanden habe“ und Fortschritte mache. Seit 2009, als ASTM das internationale F42-Komitee für additive Fertigung gründete, wurden laut Wohlers 47 Konsensstandards entweder von ASTM oder einer Zusammenarbeit zwischen ISO und ASTM entwickelt und veröffentlicht. Darüber hinaus, so stellte er fest, seien im März dieses Jahres weitere 87 in der Entwicklung.

Die Zahl der von der US-amerikanischen Food and Drug Administration zertifizierten AM-Medizinprodukte ist von weniger als einem Dutzend vor einem Jahrzehnt auf heute über 250 gestiegen. Wohlers geht davon aus, dass dieser Anteil in den kommenden Jahren mit Tausenden von FDA-zertifizierten Additivprodukten exponentiell zunehmen wird.

3D-gedruckte Hörgeräte und Dentalgeräte sind bereits weit verbreitet, und mindestens ein Orthopädiehersteller hat vorausgesagt, dass 100 % seiner Implantatprodukte irgendwann AM verwenden werden. Für Wirbelsäulenimplantate erklärte Wohlers, dass AM die Verwendung von Gitterstrukturen ermöglicht, die „sich gut in den Knochen integrieren und tatsächlich hineinwachsen, so dass man mit diesen Implantattypen eine bessere Osseointegration im Vergleich zu gegossenen und maschinell bearbeiteten Implantaten erhält.“

Ein Teil des Reizes der additiven Fertigung besteht darin, dass sie zur Herstellung einzigartiger Formen und hochgradig kundenspezifischer Produkte eingesetzt werden kann, mit dem Potenzial, die Teilekonsolidierung und Massenreduzierung erheblich zu beeinflussen. Zu den bemerkenswerten jüngsten Innovationen und Entwicklungen des letzten Jahres gehören:

--Das in Kalifornien ansässige Unternehmen Divergent Technologies hat ein flexibles Automobilsystem entwickelt, das 3D-Druck mit generativem Design kombiniert. Das Unternehmen arbeitet an 20 verschiedenen Fahrzeugplattformen, darunter Divergents eigenem 1.200 PS starken Hypercar 21C. Im vergangenen Jahr begann das Unternehmen mit der Lieferung von 3D-gedruckten Heckbaugruppen (mit mehreren Aluminiumteilen) an Aston Martin. Divergent, das über mehr als 500 Patente verfügt, behauptet, dass seine Technologie die Anzahl der Teile um 80 % reduzieren und die Masse um 20–70 % reduzieren kann. Das Unternehmen hat rund 500 Millionen US-Dollar eingesammelt, darunter eine 100-Millionen-Dollar-Investition von Hexagon im Dezember.

– Im Februar stellte Wilson Sporting Goods einen 3D-gedruckten Airless-Basketball vor. Der Prototyp besteht aus einem schwarzen, durchsichtigen Gitter mit acht „paneelartigen Lappen“ und ist in Bezug auf Gewicht, Größe und Sprungkraft nahezu identisch mit den aktuellen NBA-Bällen – er muss jedoch nicht aufgeblasen werden. Wilson beauftragte EOS mit dem 3D-Druck des Projekts, während General Lattice rechnergestützte Designdienstleistungen bereitstellte.

– Das Polymerwerkstoffunternehmen Evonik hat sich mit BellaSeno zusammengetan, um 3D-gedruckte Gerüste für die Knochenregeneration zu kommerzialisieren. Die Evonik-Polymere vereinen hervorragende Stabilität und Flexibilität und ermöglichen so eine sichere Resorption des Gerüsts mit einer Geschwindigkeit, die der Formation an den eigenen Knochen des Patienten angepasst ist, so die Unternehmen. AM beseitigt die Einschränkungen herkömmlicher Behandlungen für Knochen- und Weichteildefekte, denen es an Stabilität mangelt und die nicht kontrolliert komprimiert werden können.

--Fords neu gestalteter Mustang Shelby GT500 ist mit zwei 3D-gedruckten Bremsteilen ausgestattet, die im Advanced Manufacturing Center des Autoherstellers in Detroit hergestellt werden, das mit zwei Dutzend 3D-Druckern ausgestattet ist – darunter ein vollständig autonomes System.

– Der Spielzeugriese Hasbro hat sich mit dem 3D-Druck-Innovator Formlabs zusammengetan, um die Hasbro Selfie-Serie zu entwickeln, die es Fans ermöglicht, eine 6-Zoll-Actionfigur – basierend auf Marvel, GI JOE und anderen beliebten Charakteren – nach ihrem Vorbild zu erstellen. Damit Käufer ihre Gesichter schnell scannen können, wurde eine spezielle Smartphone-App entwickelt. Laut Hasbro wurde Formlabs aufgrund der Qualität seiner Stereolithographiedrucker und vielseitigen Harze ausgewählt.

--Stratasys hat mit Ricoh einen Vertrag über die Bereitstellung 3D-gedruckter anatomischer Modelle für klinische Umgebungen unterzeichnet. Das Projekt kombiniert die 3D-Drucktechnologie von Stratasys, die cloudbasierte „Segmentation-as-a-Service“-Lösung von Axial3D und AM-Dienste von Ricoh in einem System. 3D-gedruckte anatomische Modelle, die angeblich biomechanisch realistisch sind und sich wie echte Knochen und Gewebe anfühlen und reagieren, ermöglichen es Ärzten, komplexe Operationen durchzuführen.

AM ist auch im Werkzeugbau stark auf dem Vormarsch. „Es hat sich zu einem echten Sweet Spot für große Umformwerkzeuge entwickelt“, bemerkte Wohlers. „Und wenn ich groß sage, spreche ich von mehreren Fuß in alle Richtungen, was sehr teuer sein kann.“

Additive Engineering Solutions (AES) mit Sitz in Akron, Ohio, verwendet Additive für Trimmvorrichtungen. Unter Verwendung eines Standard-Thermoplast-Ausgangsmaterials in Pelletform schmilzt AES es und extrudiert es, um große Werkzeuge herzustellen.

„Es ist nicht neu, aber wir sehen viel mehr davon, und dafür gibt es einen guten Grund“, sagte Wohlers. „Unternehmen tun nichts, wenn sie damit kein Geld verdienen können. Diese Maschinen haben einen Punkt erreicht, an dem sie sehr gut sind. Gepaart mit der Entschlossenheit eines Kunden, es zum Laufen zu bringen, indem er Subsysteme hinzufügt und möglicherweise Software, Hardware oder beides optimiert.“ , kann sich für sie wirklich lohnen.“

Ein weiterer Vorteil: Hersteller können AM nutzen, um Automatisierungssysteme zu integrieren. Bei einer Portalmaschine oder einer anderen Art von Bewegungssystem könne ein Roboter laut Wohlers die Reichweite und Präzision verbessern und Abscheideköpfe und Schneidwerkzeuge halten. „Bei großen Metallteilen, die fast immer einer Endbearbeitung bedürfen, kann die Oberfläche wie eine geschweißte Oberfläche aussehen, also muss man sie auftragen und dann bearbeiten.“

Er fuhr fort: „Sie entfernen das Teil vom DED-System (Directed-Energy Deposition) und montieren es dann in vorhandenen Plattformen wie CNC-Fräsen. Diese Art von Anwendungen können bei der Entwicklung von DED-Systemen helfen. Aber es gibt keine Einheitslösung.“ , man muss sich den Job ansehen. Passt er gut zum Gießen und Zerspanen oder eignet er sich am besten für DED und Zerspanen?“

FormAlloy wurde 2016 gegründet und ist auf DED-Systeme spezialisiert. Lang, der in der Serie „Voices AMmplified“ von SME vorgestellt wurde, sagte, die Ausrüstung des Unternehmens verfüge über fünf Bewegungsachsen, eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis, Laser mit mehreren Wellenlängen und Pulverzuführungen, die 16 verschiedene Legierungen im gleichen Aufbau – oder sogar in der gleichen Schicht – auftragen können.

Die Umstellung eines bestehenden Produktdesigns auf AM kostet in der Regel mehr als die Herstellung mit herkömmlichen Fertigungsmethoden. Darüber hinaus tun die meisten Unternehmen, die 3D-Druckprojekte erforschen oder starten, dies blind.

„Unternehmen gehen diesen Weg und tätigen erhebliche Investitionen, ohne sicher zu wissen, ob sie die Kosten für ein neues Design, das additiv gebaut werden soll, rechtfertigen können“, warnte Wohlers. „Das schreckt ab. Man verbringt Wochen, Monate, vielleicht auch länger, weiß aber nicht genau, wo man landen wird. Es braucht viel Zeit, Planung und Erfahrung, um erfolgreich zu sein.“

Zunächst einmal, so Wohlers, müssen Unternehmen das Design für additive Fertigungswerkzeuge wie die Topologieoptimierung übernehmen – was er so beschreibt, dass die Mathematik entscheiden lässt, wo Materialien platziert werden sollen, und das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht optimieren soll. Die vier großen CAD-Anbieter (Autodesk, Dassault Systèms, PTC und Siemens) sind ebenfalls in großem Umfang in AM eingestiegen.

„Wenn man das gleiche Produkt nimmt und viele Teile in einer einzigen Komponente zusammenfasst, könnte dies ein großer Vorteil für Additive sein“, sagte Wohlers. „Dann gehen Sie noch einen Schritt weiter und beginnen, Material mithilfe der Topologieoptimierung in Verbindung mit Gitter- und Netzstrukturen zu entfernen. Möglicherweise benötigen Sie in Ihrem Design nicht einmal feste Wände, um Kosten und Gewicht zu reduzieren.“

Manufacturing Execution-Systeme (MES), die für traditionelle Hersteller seit langem ein fester Bestandteil sind, gewinnen auch im AM an Bedeutung. Die Technologie kann für die Angebotserstellung, den Einkauf und die Nachverfolgung von Aufträgen während des gesamten Produktlebenszyklus eingesetzt werden – bis hin zu einzelnen Maschinen und verschiedenen Materialien.

MES ist für AM sogar noch nützlicher, da Hersteller möglicherweise Tausende verschiedener Versionen desselben Teils verfolgen müssen, selbst innerhalb eines einzigen Bauzyklus. „Zentralisiertes MES ist besonders wichtig, wenn es um große Kapazitäten geht, die Mitarbeiter und Kunden an mehreren Standorten nun nach Bedarf verfolgen und verwalten können“, sagte Wohlers.

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