Kreislaufwirtschaft 3D-Druck und additive Fertigung: Die große Expertenumfrage

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Der 3D-Druck und die additive Fertigung sind längst ihren Kinderschuhen entwachsen und haben sich in vielen Branchen als Fertigungstechnologie etabliert. Neben den 3D-Druckern benötigen Anwender spezielle Software für die Druckdatenaufbereitung oder geeignete Materialien für die jeweiligen Druckverfahren. Was dabei die aktuellen Herausforderungen sind, welche Rolle Software-Tools und künstliche Intelligenz spielen und wie die additive Fertigung die Kreislaufwirtschaft unterstützt, verraten uns neun 3D-Druck-Experten, die wir dazu befragt haben.

Fragen an die Experten:

• 1. Welche Herausforderungen sehen Sie aktuell im Bereich 3D-Druck und additive Fertigung?

• 2. Wie können Software-Tools die Aufbereitung der Konstruktionsdaten für die additive Fertigung unterstützen und welche Rolle spielt dabei künstliche Intelligenz?

• 3. Wie kann die additive Fertigung die Kreislaufwirtschaft unterstützen?

Fertigungsgerechte Designs sind der Schlüssel

1. Die größte Herausforderung bei der additiven Fertigung (AM) besteht darin, die Bauteile fertigungsgerecht zu gestalten, um sie erfolgreich zu fertigen. Druck- und Ausschusskosten sind ein weiterer limitierender Faktor. Die frühzeitige Anwendung von ­‚Design for Additive Manufacturing‘-Techniken (DfAM) kann den Bedarf an Stützstrukturen und damit die Menge an benötigtem ­Material und Ausschuss reduzieren, was die AM-Kosten weiter senkt. Der Einsatz von DfAM und Simulation im Produktentwicklungs­prozess trägt dazu bei, diese Herausforderungen zu überwinden und AM zu einer wirtschaftlich interessanten Fertigungsmethode für die Industrie zu machen.

2. Bei der Konstruktion ist es wichtig, mögliche Produktionsfehler durch ein fertigungsgerechtes Design zu vermeiden, die Materialeigenschaften des gedruckten Teils zu verstehen und das Teil auf mechanische Schwächen zu überprüfen. Die Lösungen von Altair helfen Ingenieuren dabei, das Bauteil für verschiedene AM-Prozesse zu optimieren – zum Beispiel, um schnell die beste Ausrichtung für minimalen Stützstrukturbedarf, Druckzeit oder Verformung zu finden. Eine der neuesten KI-basierten Funktionen hilft Ingenieuren dabei, die Materialeigenschaften von Teilen nach dem Druck vorherzusagen und diese dann für verschiedene Struktursimulationen zu nutzen. Dies ist für viele unserer Kunden, die sicherheitsrelevante Bauteile entwickeln, sehr wichtig.

3. Es werden immer mehr recycelte Materialien auch für AM-Verfahren verfügbar. Um eine zuverlässige Funktionalität und ein robustes Bauteilverhalten von Bauteilen aus rezyklierten Materialien zu gewährleisten, ist es entscheidend, die unterschiedlichen Materialeigenschaften bereits im Designprozess zu berücksichtigen.

3D-Druck und additive Fertigung durch KI verbessern

1. Der 3D-Druck und die additive Fertigung stehen vor großen Herausforderungen. Ein Problem ist die beschränkte Materialverfügbarkeit. Die Palette wächst, aber noch bieten viele herkömmliche Materialien nicht die erforderlichen mechanischen Eigenschaften oder die Hitzebeständigkeit für industrielle Anwendungen. Die Qualitätskontrolle ist nach wie vor ein kritisches Thema. Denn die Konsistenz verschiedener Drucke ist nur schwierig zu gewährleisten, was die Produktintegrität beeinträchtigen kann. ­Außerdem bleiben Geschwindigkeit und Skalierbarkeit des ­3D-Drucks oft hinter den traditionellen Fertigungsmethoden zurück.

2. Software-Tools spielen eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung von Konstruktionsdaten für die additive Fertigung wie bei BMF. Sie rationalisieren Arbeitsabläufe, optimieren Konstruktionen und steigern die Gesamteffizienz. Sie konvertieren CAD-Modelle in 3D-druckbare Formate und enthalten oft Funktionen wie Netzreparatur, Schichtbildung und Support-Generierung, um erfolgreiches Drucken zu gewährleisten. Die Tools simulieren auch Druckprozesse. Künstliche Intelligenz (KI) verbessert diesen Prozess. KI-Algorithmen analysieren Designparameter und schlagen Änderungen vor, um die Druckbarkeit zu verbessern, den Materialverbrauch zu reduzieren oder die Eigenschaften des Teils zu optimieren. Darüber hinaus können maschinelle Lernverfahren potenzielle Ausfälle oder Defekte vorhersagen.

3. Der 3D-Druck spielt eine wichtige Rolle bei der Unterstützung der Kreislaufwirtschaft. Er ermöglicht einen präzisen Material­einsatz und reduziert so den Abfall im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden. Additive Fertigung erleichtert das Design von haltbaren und langlebigen Produkten, was Langlebigkeit und Ressourceneffizienz bedeutet. Darüber hinaus ermöglicht sie eine Produktion auf Abruf und die Anpassung an Kundenwünsche, wodurch sich Überproduktion und überschüssige Bestände verhindern lassen. Viele additive Verfahren verwenden recycelte Materialien oder Biokunststoffe.

Kosten sind ein wichtiger Faktor

1. Die derzeitigen Herausforderungen im Bereich 3D-Druck und additive Fertigung liegen vor allem bei der Zuverlässigkeit und den Kosten der Technologie. Viele 3D-Drucker sind entweder noch zu unzuverlässig, um den hohen Anforderungen in geschäftlichen und medizinischen Anwendungen gerecht zu werden, oder sie sind zu kostenintensiv und komplex in der Bedienung, um für eine breite Nutzung in den Unternehmen attraktiv zu sein. Dadurch sehen sich viele Unternehmen gezwungen, auf teurere, zeitaufwändigere oder weniger flexible Fertigungsmethoden zurückzugreifen. Dies schränkt die Bereitschaft ein, innovative Designrisiken einzugehen und verlangsamt den Markteintritt neuer Produkte.

2. Software-Tools wie die PreForm-Software von Formlabs vereinfachen die Aufbereitung von Konstruktionsdaten für die additive Fertigung durch Funktionen wie Ein-Klick-Druck, auto­matische Stützstrukturgenerierung und Druckbarkeitsanalyse, was den manuellen Aufwand reduziert und die Effizienz erhöht. KI und maschinelles Lernen ermöglichen dabei innovative Ansätze wie generatives Design, das komplexe, leichte Strukturen schafft und Designanpassungen in Sekunden erlaubt. Diese Fortschritte eröffnen Designern neue Möglichkeiten und beschleunigen die Herstellung komplexer Bauteile.

3. Die additive Fertigung fördert die Kreislaufwirtschaft, indem sie es Herstellern ermöglicht, benötigte Ersatzteile individuell und flexibel herzustellen. Statt defekte Maschinen vollständig auszumustern, können Unternehmen spezifische Bauteile per ­3D-Druck fertigen, wodurch die Lebensdauer der Anlagen verlängert und ­Materialverschwendung vermieden werden kann. Zusätzlich eröffnet der 3D-Druck die Möglichkeit, bestehende Anlagen zu optimieren und nachzurüsten, was nicht nur die Effizienz steigert, sondern auch die Ressourcennutzung nachhaltig verbessert.

3D-Druck und additive Fertigung braucht ein Design for additive

1. Wie bei allen neu eingeführten Technologien sollten Unternehmen zunächst einmal die Bereiche identifizieren, in denen der industrielle 3D-Druck sie bestmöglich unterstützen kann – und von welchen Verbesserungen dank 3D-Druck sie am meisten profitieren können. Die größte Herausforderung ist allerdings nach wie vor der Umdenkprozess im eigenen Unternehmen, aber speziell bei den Konstrukteuren. ‚Design for additive‘ ist hier die Devise.

2. Aus unserer Sicht bei HP hat künstliche Intelligenz (KI) ein enormes Potenzial. Zum einen lassen sich Produktionsschritte automatisieren und zum anderen kann KI einen wesentlichen Beitrag zur konstruktiven Optimierung von Bauteilen und zur Beschleunigung der Produktentwicklung liefern. Bereits heute wird KI in vielen Bereichen erfolgreich eingesetzt. Der volle Umfang des KI-Potenzials lässt sich derzeit nur erahnen.

3. Die additive Fertigung unterstützt definitiv die Kreislaufwirtschaft. So lässt sich überschüssiges HP-Pulver wiederverwerten, um neue Bauteile herzustellen. Darüber hinaus werden 3D-gedruckte Bauteile, die am Ende ihres Lebenszyklus sind, recycelt und daraus neue Produkte gefertigt. Ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks: Er ist auf ‚On demand‘-Produktion ausgelegt. Dies bedeutet, dass Unternehmen nur die Bauteile produzieren, die sie auch benötigen. Damit werden keine Teile ‚auf Vorrat‘ produziert, die Lagerhaltung entfällt ebenso wie die Entsorgung nicht benötigter Bauteile.

Hervorragende Ergebnisse für die Kreislaufwirtschaft möglich

1. Die Möglichkeiten und Anwendungsgebiete der additiven Fertigung haben sich in den vergangenen Jahren vervielfacht. Insbesondere bei den Materialien im Kunststoffbereich gibt es viele Neuerungen mit Fokus auf Endanwendungen. Für Verantwortliche, Ingenieure und Designer ist es daher schwierig geworden, alle potenziellen Anwendungsfälle im Blick zu behalten. Dementsprechend wichtig ist an dieser Stelle die Zusammenarbeit mit Expertinnen und Experten – und unsere Experten bei Protolabs leisten diese Unterstützung sehr gerne.

2. Tools und Werkzeuge waren schon immer eine zentrale Ressource, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. Genau deshalb setzen wir bei Protolabs schon seit geraumer Zeit auf eine automatisierte Machbarkeitsanalyse und Preisrechner, die unseren Kunden veranschaulichen, ab welcher Stückzahl sich beispielsweise ein Spritzgusswerkzeug mehr lohnen würde als die additive Fertigung. Dieser Trend wird noch weiter voranschreiten, und wir werden in Zukunft immer mehr Anwendungsbeispiele sehen. Dabei muss man allerdings unterstreichen, dass die menschliche Expertise stets eine wichtige Rolle spielen wird, um bestmögliche Ergebnisse und genau auf die Bedarfe abgestimmte Designs zu erstellen.

3. Bereits jetzt ist die additive Fertigung eine der Fertigungstechnologien, die am nachhaltigsten arbeitet und bezüglich Kreislaufwirtschaft hervorragende Ergebnisse erzielt. Meist wird nur das gedruckt, was man unbedingt benötigt. In Zukunft lässt sich durch KI möglicherweise die Anzahl an Stützstrukturen verringern, um weniger Rohstoffe aufwenden zu müssen. Zusätzlich arbeiten wir auch stetig daran, anfallenden Ausschuss wieder verwertbar zu machen und so in den Kreislauf zurückführen zu können.

Fragen an die Experten:

• 1. Welche Herausforderungen sehen Sie aktuell im Bereich 3D-Druck und additive Fertigung?

• 2. Wie können Software-Tools die Aufbereitung der Konstruktionsdaten für die additive Fertigung unterstützen und welche Rolle spielt dabei künstliche Intelligenz?

• 3. Wie kann die additive Fertigung die Kreislaufwirtschaft unterstützen?

Nahtlose Integration von Software-Schritten durch KI

1. Eine der größten Herausforderungen ist die Skalierung: Mehr als zehn Industrien haben bereits Applikationen entwickelt, die AM zu einem wesentlichen Enabler machen. Nun müssen größere Stückzahlen zu wettbewerbsfähigen Kosten erreicht werden, was optimierte Maschinen und effiziente, interoperable Systeme erfordert. Offene Systeme und vereinfachte Workflows sind ebenfalls notwendig, besonders für ‚spare parts on demand‘ oder komplexe Designs. Zudem muss sich AM nahtlos in konventionelle Fertigungstechnologien integrieren, um standardisierte Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

2. Software-Tools spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufbereitung von Konstruktionsdaten für die additive Fertigung. Die Verfügbarkeit fortschrittlicher Tools ermöglicht es, deutlich bessere Applikationen zu entwickeln. Ein zentraler Aspekt dabei ist die Effizienz des digitalen Workflows. Anstatt von Insel-Lösung zu Insel-Lösung zu springen, ermöglicht der Einsatz künstlicher ­Intelligenz (KI) eine nahtlose Integration verschiedenster Software-Schritte – von der Konstruktion bis zum Start des Druckprozesses. KI kann diese Prozesse nicht nur beschleunigen, sondern auch skalieren. Eine KI in der Cloud kann die notwendigen Design-Schritte für Konstrukteure übernehmen, ohne dass sie Experten in allen verwendeten Tools sein müssen.

3. Die additive Fertigung (AM) ist unserer Meinung bei Siemens nach ein wesentlicher Enabler für die Kreislaufwirtschaft. Das Konzept ‚Design for Circularity‘ spielt dabei eine zentrale Rolle, da 80 Prozent aller Umwelteinflüsse in der Konstruktionsphase entschieden werden. AM ermöglicht es, bessere Applikationen mit weniger Material zu entwickeln und den CO2-Fußabdruck eines Produkts zu reduzieren. Mit etwa der Hälfte des Materialeinsatzes lassen sich Komponenten mit gleichen oder besseren Eigenschaften als bei zerspanenden Verfahren herstellen, was den Ressourceneinsatz signifikant reduziert. Dabei ist ein nachhaltiger AM-Prozess entscheidend. Beispielsweise kann man überschüssiges Pulver wiederverwenden und recyceln.

Software und KI: Wichtig für 3D-Druck und additive Fertigung

1. Wenn es um Dinge geht, die wir kontrollieren können, sehen wir für das Jahr 2025 nur wenige Sorgen oder Herausforderungen. Wir wissen, dass unsere Kunden ihre additiven Fähigkeiten ausbauen wollen. Wir stellen auch fest, dass mehr Kunden daran interessiert sind, ihre Hardware und Software zu erweitern und ihre Materialkapazitäten im Jahr 2025 auszubauen. Es ist keine Frage des ‚Ob‘, sondern eher eine Frage des ‚Wieviel‘. Und unter diesen Gesichtspunkten glauben wir, dass 2025 ein besseres Jahr für die Branche sein wird.

2. Software und KI spielen bei der additiven Fertigung eine sehr ähnliche Rolle. Was die Vorbereitung betrifft, so ermöglicht es die Software, präziser zu sein und in einer viel schnelleren Umgebung zu arbeiten als bei der herkömmlichen Bearbeitung. Software bringt auch eine KI-Komponente ein. Dies ermöglicht es, mehr automatisierte Prozesse in das Fertigungsökosystem einzuführen und Automatisierung und Software zu kombinieren. Die Fertigung profitiert so von höherer Geschwindigkeit und Qualität.

3. Die additive Fertigung mit dem gesamten Spektrum an Hardware, Software und Werkstoffen kann die Produktion besser unterstützen als je zuvor. Wir haben heute Maschinen, die viel schneller sind als noch vor einem Jahr. Die Software macht den Druck von komplizierten Konstruktionen noch präziser. Außerdem lassen sich Fehler noch schneller aus dem System entfernen, sodass Werkzeuge und Produktionsteile noch effizienter in die Fertigung gelangen können. Prozesse, die in einer maschinellen Umgebung Wochen dauern, können mit der additiven Fertigung in wenigen Stunden erledigt werden. Und wir von Stratasys haben bereits mehrfach bewiesen, dass die additive Fertigung bei richtiger Einführung in den Fertigungsprozess und bei der Herstellung von Endverbrauchsteilen eine entscheidende Rolle spielen kann.

Besonders nachhaltige Fertigungstechnologien

1. Die Steigerung der Produktivität bei gleichzeitiger Erhöhung der Qualität ist ein zentrales Ziel. Hierfür arbeiten wir von Toolcraft daran, den Anteil an Stützstrukturen zu reduzieren und idealerweise eine automatisierte Entfernung zu ermöglichen. Außerdem sehen wir großes Potenzial in der Erhöhung des Automationsgrads der Anlagen sowie im Einsatz verlässlicher Monitoring-Systeme. So können qualitätssichernde Maßnahmen wie CT- und Röntgenprüfungen auf ein Minimum reduziert werden. Größere Arbeitsräume helfen, auch größere Bauteile wirtschaftlich additiv fertigen zu können.

2. Eine intelligente Datenaufbereitung zur Optimierung der Baubarkeit und Bauteilorientierung könnte helfen, flache Bereiche zu vermeiden, die aktuell Stützstrukturen erfordern. Ideal wäre es, wenn nur Informationen zum Einsatzzweck und zum Fertigungsverfahren notwendig sind und sich mithilfe von KI der Entwurf des Bauteils automatisch generieren lässt. Auch die gezielte Vergabe von PMI (Product Manufacturing Information) ist wichtig, um spezifische Werkstoffeigenschaften innerhalb einer Materialgruppe direkt im Bauteil zu erzeugen. Voraussetzung dafür ist eine Datendurchgängigkeit in der gesamten Softwarekette.

3. Die additive Fertigung ist eine besonders nachhaltige Fertigungstechnologie. Beim L-PBF-Verfahren lässt sich das Pulver mehrfach wiederverwenden, was Materialressourcen schont. Das LMD-Verfahren ermöglicht vielfältige Reparaturanwendungen, bei denen beschädigte Bauteile aufbereitet und teilweise sogar mit hochwertigeren Werkstoffen in Draht- oder Pulverform ergänzt werden. Dadurch lässt sich die Lebensdauer von Bauteilen verlängern, was nicht nur die Ressourceneffizienz erhöht, sondern auch den Bedarf an neuen Materialien reduziert.

Datenverarbeitung durch KI muss sicher sein

1. Zu den größten Herausforderungen gehören unserer Meinung bei Xometry nach wie vor die Daten­erfassung und -verarbeitung. Der Zugang zu qualitativ hochwertigen und umfangreichen Daten sowie deren Aufbereitung für Algorithmen ist essenziell, allerdings auch komplex und ressourcenintensiv. Ein entscheidendes Thema ist hier die Sicherheit. Die Verarbeitung sensibler Produktionsdaten durch KI-Systeme erfordert robuste Maßnahmen, um Datenschutz und Betriebssicherheit zu gewährleisten. Zudem müssen KI-Systeme in die bestehenden Fertigungsprozesse integriert werden. Auch dies kostet Zeit und Ressourcen.

2. Die Integration von künstlicher Intelligenz in den 3D-Druck wird den gesamten Prozess effizienter und präziser gestalten. In der assistierenden CAD-Konstruktion kann KI den Designer bei der Erstellung komplexer Modelle unterstützen. Durch maschinelles Lernen kann die KI bereits existierende Designs analysieren und daraus Vorschläge ableiten, um den Konstruktionsprozess zu beschleunigen und qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Auch während des eigentlichen Druckprozesses kann KI den Druckfortschritt überwachen und bei Problemen sofort reagieren. Durch die Analyse von Echtzeitdaten erkennt KI Fehler und nimmt Korrekturen vor. Die Druckqualität wird besser, die Ausschussraten verringern sich erheblich.

3. Der 3D-Druck unterstützt das Konzept des Wiederverwertens und Recycelns von Ressourcen durch die Möglichkeit, beschädigte oder abgenutzte Produkte zu reparieren und Teile aus rezyklierten Materialien herzustellen. Damit lassen sich Abfallmengen reduzieren und der Bedarf an neuen Materialien verringern. Von den 3D-Druckmaterialien sind aktuell vor allem thermoplastische Materialien potenziell rezyklierbar. Sie können durch Erhitzung und Schmelzen wiederverwertet werden.