Großformatiger 3D-Druck: 4 bahnbrechende Anwendungen, die die Fertigung revolutionieren

Großformatiger 3D-Druck etabliert sich zunehmend als kosteneffiziente und flexible Lösung für die Herstellung großer Bauteile und Komponenten. Da die Mehrheit der derzeit verfügbaren 3D-Drucker jedoch für kleinere Teile entwickelt wurde, wie sieht die Zukunft für Technologien aus, die größere Bauteile wie Turbinenschaufeln oder ganze Flugzeugflügel drucken können?

In diesem Artikel beleuchten wir die aktuell verfügbaren Großformat-3D-Drucktechnologien sowie konkrete Anwendungen, die das Potenzial des großformatigen 3D-Drucks demonstrieren.

Was ist großformatiger 3D-Druck?

Als Fertigungstechnologie findet 3D-Druck zunehmend seinen Platz. Er wird in Anwendungen eingesetzt, die so vielfältig sind wie Getriebelager, Automobilkomponenten, medizinische Implantate und Schuhe. Allen gemeinsam ist jedoch, dass die hergestellten Teile verhältnismäßig klein sind.

Zugegeben, großformatiger 3D-Druck ist nach wie vor eine Nischentechnologie. Doch er hat das Potenzial, viele Herausforderungen zu lösen, denen Hersteller bei der Produktion großer Bauteile gegenüberstehen.

Komponenten von beträchtlicher Größe, wie Flugzeugflügel, sind schwer und unhandlich und erfordern längere Rüstzeiten sowie größere Werkzeuge. Dies führt letztlich zu höheren Herstellungskosten und längeren Lieferzeiten.

3D-Druck könnte Hersteller dabei unterstützen, große Teile schneller und kosteneffizienter zu produzieren. Durch die Designfreiheit des 3D-Drucks könnten solche Bauteile zudem von entscheidenden Vorteilen wie Leichtbau und verbesserter Performance profitieren. Schließlich bietet die Möglichkeit, große Komponenten in einem einzigen Druckvorgang herzustellen – statt sie in Einzelteilen zu drucken und anschließend zu montieren – den zusätzlichen Vorteil reduzierter Montagezeiten.

Großformatige 3D-Drucktechnologien

Beim großformatigen 3D-Druck gibt es eine Reihe von Technologien, die infrage kommen. Im Folgenden stellen wir einige der kommerziell verfügbaren großformatigen 3D-Drucktechnologien vor, die Sie kennen sollten.

Großformatiger 3D-Druck für Kunststoffe

Big Area Additive Manufacturing (BAAM)

Eine der größten derzeit verfügbaren 3D-Drucktechnologien ist Big Area Additive Manufacturing (BAAM). Entwickelt vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Partnerschaft mit Cincinnati Inc., feierte BAAM 2014 auf der IMTS Premiere, wo es verwendet wurde, um ein ganzes Auto zu drucken.

Der 3D-Drucker, der einen Extruder auf einem Portalsystem nutzt, kann Bauteile von bis zu 6 × 2,4 × 2 m aus thermoplastischen Materialien wie ABS, PPS, PC, PLA und PEI fertigen.

Seit seiner Einführung wurde BAAM in zahlreichen Anwendungen eingesetzt – von Großprototypen eines U-Boot-Rumpfs bis hin zu 3D-gedruckten autonomen Fahrzeugen.

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM)

Die Large Scale Additive Manufacturing (LSAM)-Technologie des US-Unternehmens Thermwood verfolgt ebenfalls einen exklusiven Fokus auf die industrielle Produktion.

Erstmals 2016 vorgestellt, verfügt ein LSAM-3D-Drucker über einen Bauraum von 10 × 40 ft (ca. 37 m²) und kann Objekte sowohl horizontal als auch vertikal drucken.

Ein einzigartiges Merkmal des LSAM-3D-Druckers ist sein hybrider Ansatz, der additive und subtraktive Technologien kombiniert. Er besteht aus einem 3D-Druck-Portal und einem zweiten Fräs-Portal – letztere ist tatsächlich ein 5-Achsen-CNC-Fräser. Diese Kombination ermöglicht es, alle Fertigungsschritte auf derselben Maschine durchzuführen, was den Herstellungsprozess beschleunigt.

Der LSAM-3D-Drucker verfügt zudem über ein Extruder-Schneckendesign aus speziellen Stahllegierungen. Damit kann der Druckkopf Temperaturen von bis zu 450 °C erreichen, was die Herstellung großer Bauteile aus hochtemperaturbeständigen Composite-Thermoplasten ermöglicht.

Thermwoods LSAM-Maschine wurde für die Produktion von Industrie-Werkzeugen wie Formen und Fertigungsvorrichtungen für Branchen wie Automobil und Luftfahrt entwickelt.

BigReps großformatige 3D-Drucker

Ein bekannter Name in der Welt des großformatigen 3D-Drucks: BigRep wurde 2014 mit dem Ziel gegründet, großformatigen 3D-Druck so einfach und erschwinglich wie möglich zu machen.

Im selben Jahr führte das Unternehmen seine erste Maschine ein – den BigRep ONE v1 – der ein Bauvolumen von 1 m³ aufweist und einen Preis von rund 40.000 US-Dollar hat.

Fünf Jahre nach der Markteinführung des ursprünglichen BigRep ONE 3D-Druckers rangiert der BigRep ONE (mittlerweile in dritter Iteration) immer noch als eine der Maschinen mit dem niedrigsten Preis pro Volumen.

BigReps Drucker-Portfolio schließt die Marktlücke zwischen kleinen Desktop-3D-Druckern und größeren, teureren Industriedruckern und richtet sich an kleine und mittlere Design- und Fertigungsunternehmen.

Großformatiger Metall-3D-Druck

Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)

In der Welt des Metall-3D-Drucks bietet Sciaky einige der größten Metall-3D-Drucker an, angetrieben durch die Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)-Technologie. Das EBAM 150 System verfügt beispielsweise über ein beeindruckendes Bauvolumen von 3708 × 1575 × 1575 mm.

EBAM nutzt einen der Schweißtechnik ähnlichen Prozess, bei dem ein Elektronenstrahl Metalldraht aufschmilzt. Dadurch eignet sich die Technologie hervorragend für die Verarbeitung einer breiten Palette schweißbarer Materialien – von Titan über Inconel bis hin zu Edelstahl.

Sciaky positioniert sein AM-System als schnellere, kostengünstigere Alternative zu großformatigen Schmiede- und Gussverfahren. Das patentierte Closed-Loop-Control-System des Unternehmens ermöglicht die Fertigung von Metallbauteilen mit verbesserten Eigenschaften und Mikrostrukturen für Anwendungen in Militär, Marine und Luftfahrt.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Ähnlich wie EBAM nutzt auch Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) Draht als Ausgangsmaterial, schmilzt das Material jedoch mithilfe eines Lichtbogens. WAAM kann Bauteile von bis zu 10 m Länge aus Metalllegierungen wie Titan, Nickel, Edelstahl, Aluminium und Bronzelegierungen fertigen.

WAAM eignet sich zur Herstellung großer Metallbauteile wie Druckbehälter und Rumpfplatten für Flugzeuge. Neben der Endteilfertigung ist die Technologie ideal für Reparatur- und Wartungsarbeiten an spezifischen Komponenten wie Turbinenschaufeln sowie Formen und Werkzeugen.

Großformatiger Sand-3D-Druck

Der wohl bekannteste Hersteller großformatiger Sand-3D-Drucker ist voxeljet, der seit 2002 in diesem Bereich aktiv ist.

2011 führte voxeljet den VX4000 ein, der mit einem Bauvolumen von 4 × 2 × 1 m zu den größten Sand-3D-Druckern zählt.

Neben voxeljet bietet ExOne professionelle Sanddrucksysteme an, deren maximales Bauvolumen 2,2 × 1,2 × 0,7 m erreicht.

Sowohl Voxeljet- als auch ExOne-3D-Drucker nutzen das Binder-Jetting-Verfahren, bei dem ein flüssiges Bindemittel selektiv auf eine Sandschicht aufgetragen wird, um Sandpartikel miteinander zu verbinden.

Sand-3D-Druck ist besonders für die Gießereiindustrie vorteilhaft, da er einen schnelleren und kosteneffizienteren Weg bietet, große und komplexe Sandformen und -kerne für den Metallguss herzustellen.

3 Branchen, die vom großformatigen 3D-Druck profitieren

Wie wir gesehen haben, bietet die Möglichkeit, große Bauteile zu drucken, Unternehmen diverse Vorteile. Im Folgenden betrachten wir, wie drei verschiedene Branchen großformatigen 3D-Druck nutzen können, um Produktion zu beschleunigen, Lieferzeiten zu verkürzen, Materialverschwendung zu reduzieren und neue Geometrien zu schaffen, die mit traditioneller Fertigung nicht realisierbar sind.

Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt wurde 3D-Druck bislang vor allem für kleine und mittelgroße Bauteile sowie Werkzeuge eingesetzt, um Zeit zu sparen und Kosten zu senken.

Doch großformatiger 3D-Druck bietet auch für diesen Sektor einzigartige Chancen – darunter die Reduzierung langer Lieferzeiten und Materialverschwendung.

Typischerweise kann die Herstellung großer Strukturbauteile mit traditionellen Verfahren wie Schmieden und Zerspanen bis zu einem Jahr dauern. Zusätzlich erzeugen subtraktive Verfahren oft erhebliche Materialverschwendung – in manchen Fällen bis zu 80 %.

Großformatiger 3D-Druck hingegen kann Bauteile in einem Bruchteil der Zeit und mit reduziertem Materialeinsatz produzieren. Noch wichtiger: Die Technologie kann mehrteilige Komponenten als ein einziges Bauteil drucken – eine Technik, die als Teilekonsolidierung bekannt ist. Damit lassen sich Montagezeiten signifikant reduzieren.

Fokus: Lockheed Martin druckt Luftfahrtbauteile im 3D-Druck

Eine der am häufigsten genutzten großformatigen 3D-Drucktechnologien in der Luftfahrt ist Sciakys EBAM-Technologie. Ein Hauptgrund für ihren Einsatz in Luftfahrtanwendungen ist die Fähigkeit, hochleistungsfähige Bauteile bis zu 6 m Höhe und 1,2 m Breite deutlich schneller herzustellen als mit traditionellen Fertigungsverfahren.

Der globale Luft- und Rüstungskonzern Lockheed Martin gehörte zu den Ersten, die EBAM einsetzten, und nutzt die Technologie seit 2014. Mit dieser großformatigen 3D-Druckkapazität kann das Unternehmen riesige Titan-Kuppeln drucken, die jeweils 116 cm im Durchmesser messen, für Satellitentanks.

Die 3D-gedruckten Kuppeln wurden letzten Sommer qualifiziert und im Rahmen eines mehrjährigen Entwicklungsprogramms zur Herstellung von Hochdrucktanks für Satellitentreibstoff entwickelt. Der Satellitentank besteht aus einem traditionell gefertigten Titanzylinder als Korpus und zwei 3D-gedruckten Kuppeln als Deckel. Die drei Teile werden verschweißt, um das finale Tankgefäß zu bilden.

Durch die Nutzung von EBAMs Fähigkeit, exakt die benötigte Materialmenge aufzutragen, konnte Lockheed Martin den Materialverschnitt um 80 % reduzieren. Zudem ermöglichte die hohe Ablagerungsrate des EBAM-Systems von bis zu 11 kg pro Stunde die Lieferung der Kuppeln in drei Monaten statt in zwei Jahren – eine Reduzierung der Lieferzeit um satte 87 %.

Lockheed Martin sieht in solchen Tanks einen Schritt hin zur Transformation der Art und Weise, wie das Unternehmen Weltraumtechnologie entwickelt und liefert. Großformatiger 3D-Druck spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Fokus: Bell Helicopter nutzt 3D-Druck für große Blattwerkzeuge

Während Lockheed Martin Anwendungsfälle für großformatigen Metall-3D-Druck in der Endteilfertigung fand, verändert Polymer-3D-Druck bei Bell die Spielregeln in der Werkzeugherstellung.

In der Luftfahrt kann die Herstellung von Werkzeugen ein langwieriger und teurer Prozess sein. Um diese Herausforderungen zu meistern, setzte Bell auf Thermwoods LSAM-Technologie zur Produktion großer Formen für Hubschrauberrotorblätter.

Die zentralen Anforderungen an das Werkzeug waren gute Oberflächengüte, enge Toleranzen und die Fähigkeit, Autoklavenprozesse zu überstehen – ein Verfahren, das Verbundwerkstoffbauteile stärkt, die hohem Druck und Temperatur ausgesetzt sind.

LSAM war für diese Anwendung aus zwei Hauptgründen ideal. Erstens ermöglichte es die Fertigung des 6 m langen Werkzeugs aus einem hochleistungsfähigen, kohlenstofffaserverstärkten PESU-Material, das hohen Drücken und Temperaturen standhält. Zweitens kann dank der hybriden LSAM-Technologie ein Bauteil gedruckt und nachbearbeitet werden, ohne eine zweite Maschine zu benötigen – was den Produktionsprozess weiter beschleunigt.

Diese Vorteile ermöglichten es Thermwood, das Werkzeug in nur wenigen Tagen statt in Monaten herzustellen.

Zudem machte die additive Technologie es möglich, interne Stützstrukturen so zu gestalten, dass sie die Rückseite der Formkavität nicht berührten. Dadurch konnte Luft im Autoklaven frei unter dem gesamten geformten Bauteil zirkulieren – was zu einer gleichmäßigeren Aushärtung beitrug.

Dieser Erfolg zeigt die neuen Designmöglichkeiten, die großformatiger 3D-Druck für große und technisch komplexe Luftfahrtkomponenten eröffnet.

Bauwesen

Während 3D-Druck in der Bauindustrie noch in einem sehr frühen Stadium der Adoption steckt, bietet die Technologie vielversprechendes Potenzial für den Sektor.

Ein aufkommender Trend im Bauwesen ist der 3D-gedruckte Fertigteil-Schalungen.

Im Bauwesen bezeichnet Schalung eine temporäre Form, in die Beton gegossen und geformt wird. Schalungen werden für alles von Brücken über Fundamente bis hin zu Gebäudewänden verwendet.

Typischerweise wird Schalung manuell aus Holz gefertigt. Holzschalungen sind jedoch nicht besonders langlebig und beginnen oft nach 15 bis 20 Güssen zu zerfallen. Zudem limitiert der manuelle Prozess zwangsläufig den Umfang möglicher Formen und Geometrien auf das, was menschlich machbar ist.

In einem solchen Szenario kann großformatiger 3D-Druck den Prozess der Schalungserstellung erheblich vereinfachen und gleichzeitig größere Komplexität und Haltbarkeit für große Formstrukturen ermöglichen.

Fokus: 3D-gedruckte Fertigteilformen transformieren die Fassade eines 42-stöckigen Gebäudes

Ein aktuelles Beispiel für den Einsatz 3D-gedruckter Schalung ist ein Großrenovierungsprojekt für ein 42-stöckiges Wohn- und Geschäftsgebäude in New York City.

Gate Precast, das an der neuen Fassade arbeitete, stellte fest, dass die Herstellung hölzerner Formen ein massives Unterfangen wäre, das bis zu 9 Monate dauern könnte. Die benötigten Formen waren groß – einige maßen bis zu 2,6 × 1,7 × 0,5 m –, was die Produktionszeiten weiter in die Länge zog.

Um den Prozess zu beschleunigen, entschied sich das Unternehmen für 3D-Druck und kooperierte mit dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), um dessen BAAM-Technologie zu nutzen.

Dank BAAM konnte das Unternehmen Formen in jeweils 8 bis 11 Stunden drucken, zuzüglich 8 Stunden Nachbearbeitung für die gewünschte Oberflächengüte. Die Formen bestanden aus kohlenstofffaserverstärktem ABS, einem gängigen Thermoplast, der mit gehackten Kohlenstofffasern für zusätzliche Festigkeit gemischt wurde.

Das Ergebnis ist eine robuste Form, die bis zu 200 Betongüsse über ihre Lebensdauer hinweg aushält – im Vergleich zu 15–20 Güssen bei einer Holzform.

Das Unternehmen ist überzeugt, dass ohne die 3D-gedruckten Formen und BAAM die Erstellung der Formen innerhalb des erforderlichen Zeitrahmens unmöglich gewesen wäre.

In diesem Fall bot 3D-Druck Mehrwert durch die Herstellung langlebigerer und komplexerer Formen in kürzerer Zeit.

Zwar wird 3D-Druck Holzschalungen nicht ersetzen, doch dieses Projekt beweist, dass der 3D-Druck großer Bauteile eine Reihe von Vorteilen für die Bauindustrie bietet und Architekten eine praktikable Alternative zur Fertigteilformenfertigung liefert.

Gießereiwesen

Großformatiger 3D-Druck rückt zunehmend in den Fokus der Gießereiindustrie. Das Gießereigeschäft umfasst die Produktion von Metallgussstücken durch Schmelzen und Gießen von Metall in speziell geformte Formen und Kerne.

Bei Metallgussprozessen kann die Technologie helfen, die kostspieligen und zeitaufwändigen Aspekte der Erstellung von Modellen, Kernen und Formen zu umgehen.

Nehmen wir den konventionellen Metallguss als Beispiel: Vom Entwurf bis zur Fertigung präziser Formen und Modelle und schließlich zum fertigen Gussstück können Monate vergehen. Gießereien müssen zudem oft Formen lagern, was bei größeren oder selten genutzten Formen teuer sein kann.

Ein Mangel an qualifizierten Modell- und Formenbauern ist eine weitere Herausforderung, der Gießereien häufig begegnen.

3D-Druck kann als Werkzeug in der Metallgussindustrie eingesetzt werden, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Ein Vorteil der Technologie liegt im erheblich vereinfachten Formenbauprozess. Da 3D-Druck lediglich eine Designdatei erfordert, entfallen der manuelle Formenbau und die Montage komplexer Kerne.

Diese Straffung der Produktion ermöglicht es einer Gießerei, Formen und Modelle innerhalb weniger Tage statt Wochen oder Monate zu erstellen. Zudem kann 3D-Druck genutzt werden, um Formen on-demand herzustellen, was Unternehmen hilft, physische Bestände und damit Lagerkosten zu minimieren.

Fokus: Teignbridge fertigt Propeller mit 3D-gedruckten Gussmodellen

Teignbridge spezialisiert sich auf die Herstellung maßgeschneiderter Propeller und Schiffsantriebssysteme für Schlepper, Luxusyachten, Fischtrawler und Fähren. Seit der Gründung vor 40 Jahren nutzt das Unternehmen den mehrstufigen Gussprozess für die Produktion seiner Produkte.

Eine der Stufen beinhaltet die Herstellung eines Modells – einer Nachbildung des finalen Objekts. Das Modell wird in einen Sandkasten gelegt, um eine Form zu erzeugen. Oft ist dies ein arbeitsintensiver und zeitaufwändiger Prozess, der zunächst das Fräsen eines Modells aus einem Holz- oder Polystyrolblock erfordert.

Um die Zeit für die Modellerstellung zu reduzieren, entschied sich Teignbridge für großformatigen FDM-3D-Druck mit BigReps BigRep ONE 3D-Drucker.

Einen 3D-Drucker mit solch großem Bauraum im Haus zu haben, ermöglicht es Teignbridge, das gesamte Kunststoffmodell in einem Stück zu drucken und bringt greifbare Vorteile wie reduzierte Zykluszeiten und Arbeitsaufwand.

So kann ein erfahrener CNC-Bediener bei traditioneller Modellherstellung bis zu 20 Stunden für Fräsen, Segmentmontage und Nachbearbeitung aufwenden. 3D-Druck hingegen erlaubt Teignbridge, den Modellbau zu automatisieren und den Arbeitsaufwand um 90 % zu reduzieren.

Im Metallguss wird 3D-Druck zunehmend als alternative Methode zur Herstellung von Modellen und Formen eingesetzt.

Neben großformatigem FDM-3D-Druck haben Unternehmen auch die Option des Sand-3D-Drucks. Sand-3D-Drucker eliminieren den Modellsbau-Schritt, indem sie direkt eine Sandform erstellen.

Zwar können Sand-3D-Drucksysteme so groß wie 4000 × 2000 × 1000 mm sein, sie tendieren jedoch zu hohen Kosten. Dennoch erkennen Unternehmen zunehmend die Vorteile 3D-gedruckter Modelle und Formen, da sie den Gussprozess schneller, flexibler und kosteneffizienter machen.

Große Chancen mit großformatigem 3D-Druck

Großformatiger 3D-Druck bleibt derzeit noch eine Nischentechnologie. Ein Hauptgrund dafür könnte darin liegen, dass viele Unternehmen sich der Vorteile und Möglichkeiten der additiven Fertigung im Allgemeinen, geschweige denn ihres großformatigen Aspekts, noch nicht bewusst sind. Dadurch fällt es Unternehmen schwer, einen passenden Business Case zu finden.

Erschwerend kommt hinzu, dass viele großformatige 3D-Systeme nach wie vor prohibitively teuer sind. Unternehmen, die mit der Technologie experimentieren möchten, um die richtige Anwendung zu finden, können sie sich oft nicht leisten.

Erfreulicherweise beginnt sich dies zu ändern, da der Markt für großformatigen 3D-Druck kontinuierlich wächst und zunehmend erschwinglichere Optionen wie BigReps 3D-Drucker bietet.

Letztlich hat die Technologie für das Drucken größerer Bauteile das Potenzial, auf weitere Märkte und Anwendungen auszuweiten. Die Automobilindustrie könnte eine davon sein.

Autohersteller könnten großformatigen 3D-Druck nutzen, um größere Bauteile wie Spoiler und Karosserieteile zu prototypen, die mit aktuellen Maschinen schwer zu drucken sind.

„Jedes Fahrzeug besteht aus vielen kleinen Komponenten, die gut in die Bauraumgrößen heutiger Maschinen passen“, sagt Harold Sears von der Ford Motor Company in einem kürzlichen Interview mit AMFG. „Aber es gibt auch viele größere Komponenten, die heute einfach nicht ganz hineinpassen. Wir würden wirklich gerne sehen, dass Hersteller andere Systeme mit größerem Bauraum in Betracht ziehen.“

Offensichtlich ist die Nachfrage nach großformatigem 3D-Druck da, getrieben durch die Vorteile reduzierter Lieferzeiten und Kosten. Nun muss die Industrie die Technologie weiter vorantreiben, um diesen Bedarf zu decken und anderen Branchen buchstäblich und im übertragenen Sinne größere Chancen zu eröffnen.