Expertentalk: Additive Fertigung und 3D-Druck Trends

Welche 3D-Druck Trends (und im Bereich additive Fertigung) gibt, welche Rolle dabei Materialien spielen und was das Ganze für Konstrukteure und Software-Tools bedeutet, erläutern uns zehn AM- und 3D-Druck-Experten, die wir befragt haben.

Fragen an die Experten:

1. Welche Trends sehen Sie für 2022 im Bereich additive Fertigung und 3D-Druck?
2. Welche Möglichkeiten ergeben sich durch den 3D-Druck für Konstrukteure und Produktentwickler?
3. Wie können Software-Tools die Aufbereitung der Konstruktionsdaten für die additive Fertigung unterstützen?

3D-Druck Trends: Neue Materialien und KI

1. Da sich die additive Fertigung zunehmend auf Produk­tionsanwendungen konzentriert, erwarte ich neue Materialien aus Polymer und Metall, die für anspruchsvollere Anwendungsbereiche entwickelt wurden. Ich glaube, dass Unternehmen neue 3D-Drucker einführen werden, die für spezifische Produktionsanwendungen, Teilegrößen und Materialangebote konzipiert sind – was letztlich zu kostengünstigeren Lösungen führt. Als Grund­lage für diese neuen Drucker erwarte ich, dass wir auch verbesserte Software- und Maschinenüberwachungslösungen sehen, die Anwender beispielsweise benachrichtigen, wenn etwas schiefläuft – und diese Fehler dann auch automatisch korrigieren.

2. Die traditionelle Fertigung gilt als schnell und günstig, sobald man eine Form oder ein Werkzeug hergestellt hat oder eine Fräsmaschine programmiert wurde. Die additive Fertigung eignet sich jedoch hervorragend für die Herstellung komplexer Formen und Teile in geringen Stückzahlen. Konstrukteure, die Produkte für die additive Fertigung entwickeln, profitieren von den Möglichkeiten der Technologie, um komplexe Geometrien in einem einzigen Prozess herzustellen.

3. Vom Entwurf bis zum Druck spielt Software eine Schlüsselrolle, um den Arbeitsablauf zu vereinfachen. Besser als eine einfache Software ist eine integrierte Softwarelösung, die Simulation, KI und maschinelles Lernen umfasst. Dazu gehören 3D-Druck Trends wie die Optimierung des Entwurfs für ein geringeres Gewicht und eine bessere funktionale Leistung, die Verkürzung der Durchlaufzeit vom Entwurf bis zur Fertigung sowie die Minimierung der Fertigungskosten durch die Verringerung der Druckzeit, des Materialverbrauchs und fehlerhafter Konstruktionen.

1. Ich kann hier vor allem vier wichtige Entwicklungen erkennen: Im 3D-Druck wird der Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) und Machine Learning (ML) eine immer größere Rolle spielen, insbesondere zur Verbesserung der Qualität sowie zur Minimierung von Ausschuss und Fertigungstoleranzen. Großes Potenzial in Sachen 3D-Druck Trends sehe ich zudem für den Binder-Sinter-Prozess, insbesondere bei mittleren und hohen Stückzahlen. Hochaktuell und spannend ist auch die Entwicklung spezifischer ­Design-Ansätze für verschiedene additive Verfahren. Und als vierten wichtigen Trend sehe ich die Simu­lation des AM-Prozesses zur Vorhersage von Defekten und Kompensation von Verformungen.

2. Die additive Fertigung bietet Konstrukteuren eine erheblich größere (jedoch nicht unbegrenzte) Designflexibilität, da sie, zusätzlich zur größeren strukturellen Gestaltungsfreiheit, verschiedene Konzepte und Varianten schneller testen und prüfen können. Produktentwickler können den 3D-Druck zudem zur Konsolidierung von Bauteilen einsetzen. Darüber hinaus ermöglicht der 3D-Druck nach wie vor eine besonders kostengünstige Herstellung von Bauteilen in kleineren Stückzahlen.

3. Der wohl größte Vorteil von Simulation ist für Designer das „First-Time-Right“-Prinzip, das eine optimale Auslegung des Bauteils von Anfang an ermöglicht – beispielsweise, um eine Kompensationsvorhersage beim Sintervorgang zu treffen. Darüber hinaus bietet die Simulation die Möglichkeit, verschiedene Stützstrukturen zu bewerten, um noch vor dem Druck die ideale Stützstruktur zu finden. Wertvolle Unterstützung leistet die Software zudem bei der Bewertung und Optimierung von Druckparametern, und ermöglicht es so, teure Druckfehler frühzeitig vorherzusagen und die richtige Balance zwischen Performance und Kosten zu finden.

1. In den letzten fünf Jahren haben fortschrittliche Materialien, bessere Maschinen, bessere Software und kostengünstigere Verfahren dazu beigetragen, dass additive Fertigung immer häufiger für die Produktion von Serienteilen zum Einsatz kommt. Das Verfahren eignet sich heute ideal für kundenspezifische Teile und Kleinserien, bei denen lange Vorlaufzeiten und hohe Werkzeugkosten die konventionelle Produktion erschweren. Immer mehr Werkstoffe und Verfahren sind technisch ausreichend für die Herstellung von Endverbrauchsteilen geeignet, und auch wirtschaftlich attraktiv.

2. Das Prototyping ist nach wie vor eine Killer-Applikation für den 3D-Druck. Die Möglichkeit, ein Teil innerhalb weniger Stunden oder über Nacht in die Hand zu bekommen, um ­Design-Bewertungen und -Tests durchzuführen, ist äußerst wertvoll. Sie beschleunigt seit vielen Jahren die Entwicklungsprozesse und hat zu besseren Produkten beigetragen. Der 3D-Druck ermöglicht es Designern, schlechte Entwürfe schnell auszuschließen, viele Optionen zu vergleichen und mit anderen Beteiligten zu kommunizieren – alles Fähigkeiten, die wir heute vielleicht als selbstverständlich ansehen. BMF hat in den letzten Jahren den Mikro-3D-Druck für Entwickler eingeführt, die zuvor nicht über die Möglichkeit des Prototyping verfügten.

3. Der Software-Workflow für die additive Fertigung ist in verschiedener Hinsicht immer noch etwas umständlich. Die Teile werden im CAD-System entworfen und müssen in STL oder ein anderes Format exportiert werden. Da die CAD-Firmen zunehmend Werkzeuge zur Vorbereitung auf den 3D-Druck in ihre Plattformen einbetten, werden diese Schritte automatisiert. Generatives Design (das Design von Teilen mithilfe von Algorithmen) setzt sich auf vielen Märkten durch. Bei den resultierenden Entwürfen handelt es sich häufig um Formen und Geometrien, die mit herkömmlichen Mitteln nur schwer herzustellen sind. Aber diese Entwürfe sind gut für Additive Manufacturing geeignet.

1. Die Probleme in den Lieferketten dürften in den kommenden Monaten weiterhin bestehen, und deshalb wird die additive Fertigung in den kommenden Jahren eine immer wichtigere Rolle spielen. Der 3D-Druck ist ein anpassungsfähiges Instrument, das Produktionslinien stabilisiert und für Risikominimierung in allen Bereichen der Lieferkette sorgt. Die zunehmende Digitalisierung – auch in der Produktion – bedeutet die Möglichkeit zu dezentralen Prozessen oder schneller Verlagerung, wenn Lieferketten nicht funktionieren. Zum Beispiel lassen sich Komponenten mit 3D-Druck just-in-time produzieren und Lagerkosten einsparen.

2. Der 3D-Druck ist eine Fertigungstechnologie, welche die Entwicklung von Produkten auf ein neues Level hebt und diese beschleunigt. Sie ist weit mehr als nur ein alternatives Produktionsverfahren, das für Nischenanwendungen und reines Prototyping genutzt wird. Die additive Fertigung ist Enabler der digitalen Transformation, denn Produktdesigner können innovative Ideen zum Leben erwecken und neuartige Designs nutzen, die mit traditioneller Fertigung nicht möglich sind. So kann man Mehrzonengitterstrukturen (Lattice-Strukturen) in allen erdenklichen Formen herstellen. Die Muster, die sich in Struktur, Elastizität und Haptik unterscheiden, lassen sich untereinander problemlos verbinden und ergeben so eine einheitliche Struktur.

3. Software-Tools wie Carbon Design Engine erlauben Produktdesignern eine vereinfachte Herstellung passgenauer, komplexer Mehrzonengitterstrukturen. Zugleich „demokratisiert“ Software die digitale Fertigung, da sich Hardware-unabhängig und ohne große Vorkenntnisse 3D-Entwürfe gestalten lassen und der Entwicklungsprozess automatisiert und beschleunigt wird.

Leichtbau und Automatisierung

1. Die Automatisierung des Post- und Pre-Processing ist sicher eines der wichtigsten Themen. Vor allem für Pulverbett­verfahren zur Fertigung von Serienteilen aus Kunststoff sowie für die Fertigung maßgeschneiderter, indi­vidueller Produkte hat die additive Fertigung großes Potenzial, das sich aber erst durch eine weiter­gehende Prozessautomatisierung voll nutzen lässt. Hierbei ist es wichtig, den manuellen Arbeitsaufwand wie das „Befüllen“, also das sogenannte Nesting, sowie das Entladen des Druckers und die Nacharbeit zur Reinigung der Teile auf ein Minimum zu reduzieren, um die Stückkosten auf ein konkurrenzfähiges Niveau zu minimieren.

2. Leichtbau durch den Einsatz von Gitterstrukturen, die sich nur durch additive Verfahren fertigen lassen, ist in Zukunft insbesondere vor dem Hintergrund steigender Energiepreise sicher ein treibendes Thema. Weiterhin können Integralbauteile gefertigt werden, die durch Gitterstrukturen bessere Eigenschaften wie geringeres Gewicht oder die Absorption von mechanischen Schwingungen übernehmen und Funktionen aufweisen, die sonst nur durch komplexe Baugruppen aus mehreren Teilen erreicht werden. Gleichzeitig bieten die Freiheitsgrade, die durch den 3D-Druck möglich sind, auch neue Gestaltungsmöglichkeiten für das Industriedesign.

3. Spezielle Analysefunktionen sind ein Thema, um die Druckbarkeit zu prüfen und um Hinweise zur Bauteilgestaltung direkt umsetzen zu können. Weiterhin bietet beispielsweise eine Nastran-Schnittstelle die Möglichkeit, die im 3D-Druck-Tool erzeugten Gitterstrukturen an Berechnungstools zu übergeben. So können alternative Bauteildesigns schnell erzeugt, zur Prüfung an die Berechnungssoftware gesendet und deren Eigenschaften in kürzester Zeit optimiert werden.

1. Einer der wichtigsten 3D-Druck Trends ist die zunehmende Automatisierung von einzelnen Arbeitsschritten. Hierfür werden smarte Technologien immer wichtiger, beispielsweise Sensoren zur Überwachung laufender Druckprozesse oder künstliche Intelligenz für die Auswertung großer Datenmengen. Des Weiteren gibt es einen enormen Zuwachs an neuen Materialien, die sich mit additiven Verfahren verarbeiten lassen – vor allem Kunststoffe, die eigens für die verschiedenen Druckverfahren entwickelt werden. Zudem wird das Thema Nachhaltigkeit immer wichtiger – sowohl im Energie- und Materialverbrauch als auch für den Fertigungsprozess selbst.

2. Der größte Vorteil beim 3D-Druck ist, dass Ideen realisierbar sind, die bislang nicht oder nur mit großem Aufwand möglich waren. Zudem lassen sich statt einzelner Bauteile ganze Baugruppen in einem Stück ohne Fügeverfahren fertigen. Spätere Funktionen eines Produktes können schon frühzeitig im Druck-Prozess berücksichtigt werden. Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglicht es Konstrukteuren, Aspekte wie die Verwendung und Lebensdauer, die Montierbarkeit, etwaige Reparaturen und das Recycling des Produkts bereits im Herstellungsverfahren zu berücksichtigen.

3. Einheitliche Datenplattformen wie die 3DExperience-Plattform von Dassault Systèmes bieten die beste Basis, um eine Vielzahl von Faktoren im Konstruktionsprozess zu berücksichtigen. In der Simulationsumgebung kann das Design umgehend und konstruktionsnah validiert werden. Anschließend stehen die Daten der Fertigung ohne aufwändigen Umwandlungsschritt zur Verfügung. Dies kann die Time-to-Market wesentlich verkürzen. Zudem fließen Daten aus dem Druckprozess auch wieder zurück und können künftig in der Konstruktion berücksichtigt werden.

Fragen an die Experten:

1. Welche Trends sehen Sie für 2022 im Bereich additive Fertigung und 3D-Druck?
2. Welche Möglichkeiten ergeben sich durch den 3D-Druck für Konstrukteure und Produktentwickler?
3. Wie können Software-Tools die Aufbereitung der Konstruktionsdaten für die additive Fertigung unterstützen?

1. In der additiven Fertigung kommen immer größere Maschinen in Bezug auf den Bauraum mit einer immer höheren Leistung in Bezug auf die Druckgeschwindigkeit zum Einsatz. Außer­dem wird der Metalldruck weiter voranschreiten. Meine Prognose: Die Kombination von additiven und subtraktiven Fertigungsmethoden in einer Maschine nach dem Motto „Best of Two“ wird zunehmen.

2. Den größten Vorteil sehe ich bei der „funktionskonzentrierten Konstruktion“, welche die Flexibilität in der Entwicklung erhöht und sehr vielfältige Aspekte bietet, zum Beispiel die ­Topologie-Optimierung. Eine kraftflussgerechte Bauteilgestaltung erfordert viel weniger Material mit dem Vorteil der Ressourceneinsparung, Gewichtsreduktion und den damit verbundenen Kostenvorteilen. Ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks ist die Funktionsintegration: Mehrere Teile werden zu einem verschmolzen, was früher fertigungstechnisch nicht möglich war. Oder: Fluidführungen für Gase und/oder Flüssigkeiten lassen sich bereits innerhalb der Bauteilgeometriestruktur berücksichtigen. Die additive Fertigung ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Materialien in einem Bauteil, zum Beispiel nachgiebige und starre, elektrisch leitfähige und nichtleitfähige Bauteilbereiche oder faserverstärke Bauteile zur Steigerung der Festigkeit und Steifigkeit.

3. Neben der bereits erwähnten Topologie-Optimierung stellt das sogenannte Generative Design, eine Software auf Basis der künstlichen Intelligenz in der Bauteilentwicklung, einen wichtigen Fortschritt dar.

1. Wir werden auch 2022 ein kontinuierliches Wachstum beim industriellen 3D-Druck sehen. Viele Unternehmen realisieren, dass sie Produkte oder Bauteile dank der 3D-Druck-Technologie personalisieren und individualisieren können. Hinzu kommt – nicht zuletzt durch die Erfahrungen der Pandemie – der Wunsch nach reduzierten Lieferwegen. Der 3D-Druck hat sich hier als eine gute Alternative zu klassischen Produktionstechnologien etabliert. Die Branchen, in denen der industrielle 3D-Druck Fahrt aufnimmt, sind vielfältig. Dazu gehören beispielsweise die Automotive-Industrie, das Medizinwesen sowie das produzierende Gewerbe. Generell ist der 3D-Druck aber auch für die Kosmetikindustrie attraktiv, wie die HP-Kooperation mit L’Oréal zeigt.

2. Sie können komplexe Bauteile – oder gar funktionierende Baugruppen – in einem Arbeitsgang produzieren, die mit klassischen Verfahren unmöglich oder nur äußerst umständlich hergestellt werden können. Darüber hinaus lassen sich durch die höhere Flexibilität des 3D-Drucks Teile stärker individualisieren und in kleineren Stückzahlen produzieren – die trotzdem profitabel sind. Konstrukteure und Entwickler sind außerdem in der Lage, Produkte zu erstellen, die aus einer geringeren Anzahl an Einzelteilen bestehen und damit robuster sind. Die additive Fertigung wird künftig aus unserer Sicht ein essenzieller Bestandteil neben den traditionellen Fertigungsverfahren sein – sprich: selbst zu einem traditionellen Fertigungsverfahren werden.

3. Software, Hardware und Materialien arbeiten beim ­3D-Druck Hand in Hand. Nur mit den richtigen Software-Tools lassen sich innovative Bauteile und Produkte entwickeln, die dann per additiver Fertigung hergestellt werden. Damit spielen Software-Tools eine wichtige Rolle bei der Konzeption neuer Produkte – heute und auch in Zukunft.

3D-Druck Trends: Serienfertigung und Nachhaltigkeit

1. Der Trend in Richtung Serienfertigung wird sich fortsetzen. Wir werden mehr Anwendungen sehen, in denen sich die additive Fertigung wirtschaftlich rechnet und ihre Vorteile ausspielen kann. Sie kann dabei auch eine Antwort für die aktuellen globalen Lieferkettenprobleme sein. Mit ihr ist eine flexible Fertigung möglich: Near-Demand, dezentral und vernetzt. Vorerst wird allerdings noch die Stückzahl beziehungsweise Losgröße entscheidend sein. Außer­dem sehen wir einen verstärkten Trend in Richtung personalisierter Produkte als weiteren Treiber für die additive Fertigung.

2. Der 3D-Druck bietet die Möglichkeit, nachhaltigere Produkte zu konstruieren und zu fertigen. Die weitgehende Designfreiheit sowie die relative Unabhängigkeit der Fertigungskosten von der Bauteilkomplexität bieten dafür große Potenziale. Möglich sind Gewichtseinsparungen durch effiziente Leichtbaustrukturen sowie Funktionsintegrationen und -steigerungen, insbesondere auch in Verbindung mit bionischen Kon­struktionsprinzipien. So lassen sich ressourcenschonende Lösungen konstruieren.

3. Die additive Fertigung ist im Kern bereits eine digitale Fertigungstechnologie. Entsprechend ist der Einsatz von intelligenten und optimierten Softwarelösungen entscheidend für eine wirtschaftliche additive Fertigung. Dabei geht es allerdings nicht mehr nur um die Aufbereitung der Konstruktionsdaten, sondern vielmehr darum, die gesamte Prozesskette software-technisch abzubilden und daran entlang Daten zu erheben, zusammenzuführen und auszuwerten. Hier werden Cloud-Native-Lösungen sowie Data Mining und Machine Learning zukünftig eine wesentlich stärkere Rolle spielen.

1. Um die industrielle Nutzung der additiven Fertigung in den Unternehmen tiefer zu verankern, sind aus unserer Sicht die Datenbereitstellung und die Prozesssicherheit, die durch moderne Datenanalytik gewährleistet werden kann, zentrale Trend­themen. Durchgängige Datenformate für die Entwicklung, die Druckvorbereitung, die Drucksimulation und die Druckbahnen­bereitstellung sind Kerngedanken, die sich mit unserer ­NX-Plattform schon heute umsetzen lassen. Darüber hinaus erkennen wir Material-Trends in Hinblick auf die Verwendung neuer Materialien, zum Beispiel Keramiken und Verbundwerkstoffe (Keramik-Kunststoff), die auch besser recycelbar sind. Bei der Verfahrenstechnologie und den jeweiligen Anlagen geht es hin zu schnellerer, größerer und preiswerterer Fertigung, um den klassischen Fertigungsverfahren rein wirtschaftlich entgegentreten zu können. Die Wirtschaft tendiert zum Einsatz additiver Fertigung, um Lieferketten neu zu definieren und resilienter gegenüber den heutigen Lieferengpässen zu werden.

2. Durch die fortschreitende Industrialisierung im 3D-Druck können Konstrukteure Produkte bezüglich Form und Funktion völlig neu denken. Siemens bietet in NX alle dafür notwendigen Funktionen an – von der Ideenfindung mit Generative-Engineering-Ansätzen bis hin zu einer durchgängigen CAD-CAM-Umgebung. Der Formgebung sind nahezu keine Grenzen mehr gesetzt. Der Konstrukteur kann seine Ideen sofort in 3D ausdrucken und bewerten und so das klassische Prototyping auf seinen Schreibtisch verlagern. Er kann sich mehr auf die Funktionslösung konzentrieren und als Bewerter von Simulations- und Berechnungsmodellen ganz neue Wege gehen.

3. Für die optimale Nutzung der 3D-Druck Trends ist es entscheidend, alle Informationen in einem Datenformat innerhalb einer Entwicklungsumgebung anzubieten. So kann der Konstrukteur schnelle Iterationen innerhalb der Software-Prozesskette entwickeln und diese in die etablierten Fertigungsprozesse integrieren. Simula­tionswerkzeuge für die Druckvorbereitung oder den Druck ermöglichen durch digitale Modelle eine frühzeitige Absicherung der Herstellbarkeit. Die Siemens-Lösungen sind offen für nahezu alle 3D-Druckverfahren und ermöglichen dem Entwickler eine große Flexibilität.

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