Wie Desktop-3D-Drucker den 3D-Druck verändern

Der Desktop-3D-Druck hat in den letzten zehn Jahren eine Art Revolution erlebt. Die Technologie, die mit Blick auf den Verbrauchermarkt begann, ist zu einem wichtigen Bestandteil des industriellen, professionellen Marktes geworden. Durch die kostengünstigere und schnellere Produktion werden Desktop-3D-Drucker immer mehr zu einem wichtigen Bestandteil der Industrielandschaft.

Aber was hat diesen Wandel vorangetrieben und was bedeutet er für die Gegenwart und Zukunft des Desktop-3D-Drucks und des 3D-Drucks insgesamt?

RepRap:Demokratisierung des 3D-Drucks über den Desktop

2018 feierte die 3D-Druckindustrie den 10. Jahrestag des RepRap-Projekts – ein Projekt, das sich als maßgeblich für die Entwicklung des Desktop-3D-Drucks erweisen sollte.

RepRap, kurz für Replicating Rapid Prototyper , begann mit der Idee, einen kostengünstigen Desktop-3D-Drucker zu entwickeln, der viele seiner eigenen Komponenten drucken könnte. Das Ziel des Projekts war ambitioniert:Diese Desktop-3D-Drucker in möglichst viele Hände zu bekommen.

Das Open-Source-Projekt unter der Leitung von Dr. Adrian Bowyer von der University of Bath war in der Do-It-Yourself (DIY)-Community sehr erfolgreich. Aber für den Desktop-3D-Druck waren die Auswirkungen viel tiefer.

Mit der RepRap-Bewegung ab 2008 war eine neue Generation von kostengünstigen Herstellern von Desktop-3D-Druckern entstanden. MakerBot beispielsweise wurde 2009 gegründet und entwickelte sich zu einem der Unternehmen, die die Vision einer Transformation der Produktion durch 3D-Druck vorantreiben.

Aufbauend auf dem Erfolg der RepRap-Bewegung begann MakerBot mit der Produktion von Open-Source-DIY-Kits für Verbraucher, die ihre eigenen 3D-Drucker und 3D-gedruckte Produkte bauen wollten.

Die Veröffentlichung von MakerBots bekanntestem 3D-Drucker, dem Replicator 2, im Jahr 2012 fiel mit dem Höhepunkt der 3D-Druckblase für Verbraucher zusammen. Da die allgemeine Industrieperspektive darauf setzt, dass Desktop-3D-Drucker ihren Weg in die Mainstream-Haushalte finden, hoffte Makerbot, eine neue Ära des 3D-Drucks für Verbraucher einzuleiten.

Wie wir wissen, hat die 3D-Druck-Revolution nie stattgefunden – zumindest nicht auf dem Verbrauchermarkt.

Ein Haupthindernis für die Akzeptanz durch den Massenkonsumenten war die Komplexität, die für die Bedienung einer Maschine erforderlich ist. In Verbindung mit einer begrenzten Materialauswahl und einem Bedarf an Designfähigkeiten waren 3D-Drucker kein verbraucherfreundliches Produkt und müssen es noch werden.

Der Kampf um die Etablierung eines Verbrauchermarktes hat eine Reihe von Herstellern von Desktop-3D-Druckern aus dem Geschäft gedrängt. Einige wenige haben jedoch überlebt – und gediehen – indem sie vom Verbraucher- zum professionellen und Unternehmensmarkt übergegangen sind.

Vom Verbraucher zum Industriellen

Während der Desktop-3D-Druck seine Nische auf dem Verbrauchermarkt noch nicht gefunden hat, ist die Technologie zu einem wichtigen Bestandteil der industriellen Fertigungslandschaft geworden.

Das Segment des Desktop-3D-Drucks hat in den letzten zehn Jahren einen exponentiellen Anstieg erlebt. Schätzungsweise 1.816 Systeme wurden 2009 verkauft (Wohlers-Report 2015), eine Zahl, die 2017 auf über 500.000 Einheiten anstieg (Wohlers-Report 2018).

Die Nachfrage nach kleineren Industriesystemen zu einem Bruchteil der Kosten ihrer größeren Pendants ist ein Schlüsselfaktor für den Aufstieg des Desktop-3D-Drucks für industrielle Anwendungen.

Die heutigen Desktop-3D-Drucker haben ein breites Anwendungsspektrum im professionellen Umfeld und bieten ein erschwingliches Werkzeug für Rapid Prototyping, Werkzeugbau und Endteilfertigung.

Ultimaker:von DIY-Kits bis hin zu Lösungen für die Fabrikhalle

Vielleicht eines der prominentesten Beispiele für ein Unternehmen, das den Sprung vom Verbraucher zum industriellen 3D-Druck geschafft hat, ist der FFF 3D-Druckerhersteller Ultimaker.

„Ultimaker hat den ganzen Verbraucherhype, der zwischen 2012 und 2013 stattfand, nie wirklich mitbekommen“, sagt John Kawola, der Nordamerika-Präsident von Ultimaker, in einem Interview mit AMFG.

„Wir haben immer einen echten Unterschied im Consumer-Markt gesehen, wo die Leute, die schon ziemlich Hardcore-Macher oder Bastler waren, die notwendige Ausrüstung bereits zu Hause hatten. Und wir dachten, das sei ein guter Markt für den 3D-Druck. Der allgemeine Hype ging dahin, zu denken, dass jeder einen 3D-Drucker haben würde – ich denke, das hat sich als falsch herausgestellt, zumindest nicht damals und wahrscheinlich noch heute.“

Ultimaker wurde 2011 gegründet und hat sich von der Herstellung von DIY-Kits zur Produktion von industriellen Desktop-Systemen entwickelt, die von Volkswagen Autoeuropa und Jabil übernommen wurden.

Die erste Maschine von Ultimaker, die Ultimaker Original, wurde 2011 entwickelt und als Bausatz an die Hersteller-Community verteilt. Die Maschine konnte Objekte bis zu 21 x 21 x 20,5 cm bei einer Auflösung von 20 Mikrometer drucken. Für Bastler ausreichend, fehlte der Maschine jedoch die Geschwindigkeit, Qualität und Materialauswahl, die für industrielle Anwendungen erforderlich sind.

In den Jahren danach hat Ultimaker strategische Schritte unternommen, um Desktop-Lösungen zu entwickeln, die für industrielle Anwendungen geeignet sind.

Im Jahr 2013 veröffentlichte das Unternehmen Ultimaker 2, das sich zum größeren Ultimaker 2+-System weiterentwickelte. Ein Jahr später machte das Unternehmen mit der Einführung des Ultimaker 3 mit seiner Technologie einen weiteren Schritt in Richtung des professionellen Marktes.

Im Vergleich zu Ultimaker 2 bietet das dritte Modell ein um 10 cm höheres Bauvolumen sowie neue Dual-Extrusionsfunktionen, die bei seinen älteren Systemen nicht verfügbar waren.

Die Dual-Extrusion ist besonders vorteilhaft, da sie es dem Anwender ermöglicht, mit zwei Materialien zu drucken, beispielsweise mit einem Standardmaterial und einem auflösbaren Trägermaterial oder zwei Materialien in unterschiedlichen Farben.

2018 brachte das Unternehmen seinen neuesten Desktop-3D-Drucker auf den Markt:den Ultimaker S5.

Der Dual-Extrusion Ultimaker S5 hat ein größeres Bauvolumen von 33 x 24 x 30 cm im Vergleich zum Ultimaker 3 mit 21,5 x 21,5 x 30,0 cm und kann Drucktemperaturen von bis zu 280˚C erreichen. Dies macht es besonders geeignet für Hochtemperatur-Konstruktionsmaterialien wie PC und Nylon.

Anwendungsfall:Heineken

Heineken, eines der größten Brauereiunternehmen der Welt, verwendet die S5-Drucker von Ultimaker in seiner Brauerei in Spanien, um eine Reihe von kundenspezifischen Werkzeugen und Ersatzteilen herzustellen.

Mit der Einführung des Desktop-3D-Drucks hat Heineken mit der Technologie Kosteneinsparungen von 70-90 % im Gegensatz zu herkömmlich hergestellten Teilen und Werkzeugen gemeldet. Es hat auch eine beträchtliche Erhöhung der Produktionsverfügbarkeit zu verzeichnen.

Auch die Konstruktionen seiner Maschinenkomponenten kann das Unternehmen mittels 3D-Druck optimieren. Zum Beispiel hat das Team ein Metallteil neu gestaltet und in 3D gedruckt, das mit einem Qualitätssensor auf einem Förderband verwendet wurde, das früher häufig Flaschen umwarf.

Das Beispiel von Heineken zeigt, wie sehr sich Desktop-3D-Drucker weiterentwickelt haben, um eine Vielzahl von Anwendungen in der Fabrik zu ermöglichen.

Formlabs:SLA auf den Desktop bringen

Wie beim Desktop-FFF-3D-Druck hat die Einführung von Desktop-Stereolithographie-Systemen (SLA) in den letzten Jahren stark zugenommen.

Wie beim FFF-3D-Druck war das Auslaufen mehrerer SLA-Patente Ende der 2000er Jahre ein Katalysator für den Aufstieg des Desktop-SLA-3D-Drucks. Ein Unternehmen, das von dieser sich wandelnden Landschaft profitierte, war Formlabs.

Formlabs wurde 2012 gegründet und brachte im selben Jahr seine erste Desktop-SLA-Maschine Form 1 auf den Markt. Das Unternehmen richtete sich von Anfang an an professionelle Benutzer und sammelte über Kickstarter fast 3 Millionen US-Dollar, um "die Leistung und Auflösung einer wirklich professionellen Maschine" auf den Desktop zu bringen.

Zu dieser Zeit wurde der Markt für SLA-Maschinen von größeren und teureren industriellen 3D-Druckern dominiert, die für die Mehrheit kleinerer Unternehmen nicht zugänglich waren.

Mit der Einführung des Formulars entstand der Wunsch, diesen Status quo zu ändern und SLA erschwinglicher und zugänglicher zu machen.

Einer der wichtigsten Meilensteine ​​in dieser Hinsicht war die Veröffentlichung der Form-2-Maschine von Formlabs. Der Form 2 verfügt über ein Bauvolumen von 14,5 × 14,5 × 17,5 cm und eine leistungsstarke optische Engine, die hochwertige und zuverlässige Drucke ermöglicht.

Jeder, der sich mit 3D-Druck auskennt, weiß jedoch, dass der Druckprozess nur ein Teil des Workflows ist. Bei SLA sind Nachbearbeitungsvorgänge wie Waschen und Aushärten erforderlich, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen, werden jedoch häufig manuell durchgeführt.

Formlabs hat verstanden, dass es zur weiteren Verbreitung seiner Lösungen auf den professionellen Markt die Prozesse so rationalisiert wie möglich gestalten muss.

Vor diesem Hintergrund hat Formlabs Form Wash und Form Cure Nachbearbeitungszubehör für den Form 2 herausgebracht. Die Wasch- und Aushärtungsstationen helfen beim Bereinigen und Aushärten von Drucken und automatisieren einige der manuellen Nachbearbeitungsschritte.

Um dem wachsenden Trend des automatisierten 3D-Drucks gerecht zu werden, demonstrierte das Unternehmen 2017 die Form Cell-Plattform für die skalierbare 3D-Druckproduktion. Die Lösung besteht aus einem Gehäuse mit fünf Form 2 3D-Druckern und einem Form Wash- und Form Cure-Modul, das von einem beweglichen Roboter gesteuert wird Portal.

Anwendungsfall:Northwell Health

Northwell Health, der größte Gesundheitsdienstleister des Staates New York, war einer der ersten Anwender von Form Cell und nutzte die Maschine zur Herstellung patientenspezifischer anatomischer Modelle und Bohrschablonen.

Durch die Verwendung von 3D-gedruckten, personalisierten anatomischen Modellen können sich Chirurgen bei Northwell Health effektiver auf schwierige Operationen vorbereiten und die Zeit im Operationssaal reduzieren. Letzteres könnte nach Schätzungen von Northwell Health dank der Vermeidung von OP-Kosten zu jährlichen Einsparungen von bis zu 1.750.000 US-Dollar führen.

Die Einführung von SLA auf den Desktop und die kontinuierliche Verbesserung der Technologie haben Formlabs geholfen, seine Position auf dem Industriemarkt zu festigen. Das Unternehmen soll mit mehr als 40.000 verkauften Systemen der weltweit größte Verkäufer von SLA-3D-Druckern sein.

Formlabs erkannte die Möglichkeit, in andere Technologien einzusteigen, und kündigte 2017 auch sein erstes pulverbasiertes Desktop-SLS-System, den Fuse 1, an großformatiger Form 3L — Formlabs wird seinen Status als einer der führenden Hersteller von professionellen Desktop-3D-Druckern behaupten.

RIZE:Desktop-3D-Druck nachhaltig gestalten

Der Einbau einer Industriemaschine in ein Desktop-Format bringt viele Vorteile mit sich, ist aber laut Hardwarehersteller RIZE nur ein Teil der Gleichung. Damit der industrielle Desktop-3D-Druck wirklich erfolgreich wird, muss er einfacher und sicherer in der Anwendung werden.

„Wir haben uns zum Ziel gesetzt, die Benutzererfahrung zu vereinfachen, um sie einfach und sicher zu machen und damit jedem Benutzer die Nutzung des industriellen 3D-Drucks zu ermöglichen“, sagte Andy Kalambi, CEO von RIZE, kürzlich in einem Interview mit AMFG.

„Wir glauben, dass mit einem solchen Ansatz der 3D-Druck zu einem Werkzeug werden kann, das von vielen verschiedenen Interessengruppen innerhalb einer Organisation verwendet wird.“

Ausgehend vom 3D-Drucker RIZE One hat das Unternehmen ein einzigartiges 3D-Druckverfahren namens Augmented Deposition entwickelt. Das Verfahren kombiniert die Prinzipien der FFF-Technologie und des Material Jettings, um 3D-gedruckte Teile mit Text oder Grafik zu markieren. Vor kurzem hat der Hersteller seinen Vollfarb-3D-Drucker XRIZE auf den Markt gebracht.

Um den 3D-Druckprozess zu vereinfachen, spritzen die 3D-Drucker von RIZE eine spezielle Release Ink zwischen das Teil und die automatisch generierten Stützstrukturen. Auf diese Weise können Benutzer das Trägermaterial nach Abschluss des Drucks schnell abziehen.

Die Maschinen verwenden zudem emissionsfreie Materialien, was die Technologie für den Büroeinsatz absolut sicher macht.

Durch den Fokus auf Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit hat RIZE seine Technologie besonders attraktiv für Produktentwicklungsfirmen gemacht, die ihren Prototyping-Prozess vereinfachen und beschleunigen möchten.

Boston Engineering hat zum Beispiel die Maschine von RIZE zu seinen 3D-Druckfunktionen hinzugefügt, aber anstatt den 3D-Drucker in seinem speziell ausgestatteten 3D-Drucklabor zu platzieren, betreibt das Boston Engineering-Team ihn vom Büro aus. Dies ermöglicht dem Team, Prototypen in nur einem Tag zu drucken, verglichen mit Vorlaufzeiten von 2 bis 3 Tagen bei der Herstellung im Labor.

Einführung von Materialien in technischer Qualität für den Desktop-3D-Druck

Mit der Weiterentwicklung der Technologie von Desktop-3D-Druckern für den industriellen Markt hat sich auch das Angebot an geeigneten Materialien weiterentwickelt. Über das Standard-PLA und ABS hinaus können industrielle Desktop-3D-Drucker jetzt Materialien in technischer Qualität unterstützen.

Damit ist die Tür zu Hochleistungswerkstoffen geöffnet, die bisher nur bei den größeren Industriemaschinen verfügbar waren. Diese Hochleistungswerkstoffe können für ein breites Anwendungsspektrum eingesetzt werden, von Funktionsprototypen bis hin zu kostengünstigen Werkzeugen und Ersatzteilen.

Markforged:3D-Druck von Verbundpolymeren

Einer der wichtigsten Fortschritte in diesem Bereich war die Einführung des 3D-Drucks von Verbundpolymeren.

Polymerverbundwerkstoffe sind typischerweise Materialien, die aus zwei Komponenten bestehen, einem Kernmaterial und einem Verstärkungsmaterial – zum Beispiel Fasern. Mit Fasern verstärkte Polymere wie Glas, Carbon oder Aramid erzeugen Teile mit zusätzlicher Festigkeit, Steifigkeit und Haltbarkeit.

Markforged soll das erste Unternehmen sein, das den kohlenstofffaserverstärkten 3D-Endlosdruck auf den Desktop bringt. Das Unternehmen brachte 2014 seinen ersten 3D-Verbunddrucker Mark One auf den Markt, mit der Möglichkeit, Nylonteile in 3D zu drucken, die mit kontinuierlichen Strängen aus Kohlefaser, Glasfaser oder Kevlar verstärkt sind.

Seitdem hat Markforged eine Reihe von Upgrades vorgestellt, darunter die Serien Mark Two und Onyx sowie die industriellen 3D-Drucker X3, X5 und X7. Alle Systeme basieren auf der Continuous Filament Fabrication (CFF)-Technologie des Unternehmens.

CFF ist ein auf Extrusion basierendes Verfahren, bei dem eine Düse Endlosstränge aus Kohlefaser, Glasfaser oder Kevlar ablegt, während die zweite Düse das Grundmaterial wie Nylon aufträgt.

Die Einführung der CFF-Technologie war ein Wendepunkt im 3D-Druck, da sie Funktionen freisetzt, die bei herkömmlichen Desktop-Extrusions-3D-Druckern nicht verfügbar sind. Durch die Verwendung von Verbundmaterialien, die durch die Technologie von Markforged ermöglicht werden, können Hersteller ein Verbundteil herstellen, das bis zu 8-mal stärker als ABS und 20 % stärker als Aluminium ist.

Siemens Gas &Power ist ein Beispiel für ein Unternehmen, das Markforged-Composite-3D-Drucker verwendet, um kundenspezifische Werkzeuge herzustellen. In einem aktuellen Fall eines Gehäusewerkzeugs druckte das Unternehmen das kundenspezifische Kreissägengehäuse in 3D mit dem proprietären Onyx-Verbundmaterial von Markforged. Das Ergebnis ist eine von drei Wochen auf wenige Tage reduzierte Durchlaufzeit und eine Einsparung von über 8.000 US-Dollar für nur ein Werkzeug.

Durch die Entwicklung neuer Möglichkeiten zum Drucken mit Kohlefaser hat Markforged die Möglichkeiten des Desktop-3D-Drucks erheblich erweitert. Berichten zufolge hat das Unternehmen im Jahr 2018 2.500 Drucker ausgeliefert, was beweist, dass es viele Lücken in der Fertigung gibt, die der industrielle Desktop-3D-Druck überbrückt.

Über Polymere hinaus zu Metallen

Polymermaterialien waren in der Vergangenheit die wichtigsten Desktop-3D-Druckmaterialien. Dieser Status quo wurde jedoch durch die Einführung der bürofreundlichen Metallsysteme zwischen 2017 und 2018 durchbrochen.

Markforged und Desktop Metal sind zwei Unternehmen, die dazu beigetragen haben, den Desktop-Metall-3D-Druck möglich zu machen.

Sowohl das Metal X von Markforged als auch das Studio System von Desktop Metal sind auf Extrusion basierende 3D-Drucker, die kunststoffverkapselte Metallpulver verwenden, um Grünteile herzustellen, die dann in einem Ofen gesintert werden. Dieser Ansatz macht es zu einer viel günstigeren Option im Vergleich zu traditionell teureren Metall-3D-Druckern. Dies ist hauptsächlich auf niedrigere Betriebskosten zurückzuführen, die durch billigere Metallspritzgussmaterialien ermöglicht werden.

Mit einem Preis von weniger als 200.000 US-Dollar haben sowohl Metal X als auch Studio System neue Möglichkeiten im Desktop-Metall-3D-Druck eröffnet, indem sie den Prozess kostengünstiger, bürofreundlicher und einfacher zu verwalten machen.

Der Werkzeughersteller Built-Rite zum Beispiel ist jetzt in der Lage, die Vorteile des 3D-Drucks zu nutzen, indem er das Studio System von Desktop Metal intern verwendet. Mit dem Studio-System kann Built-Rite schnell drehende Formmontagekomponenten mit einem Prozess herstellen, der 90 % billiger und 30 % schneller ist als die Verwendung eines Drittanbieters.

Diese Anwendung demonstriert nicht nur die Eignung der Technologie für die Werkzeugproduktion, sondern zeigt auch, dass Metall-Desktop-3D-Drucker das Potenzial haben, die Eintrittsbarrieren für Unternehmen zu verringern, die es sich bisher nicht leisten konnten, in Metall-3D-Drucktechnologie zu investieren.

Verwaltung von Desktop-3D-Druckflotten

Desktop-AM-Maschinen sind relativ kostengünstig und ihre aktuellen Fähigkeiten gehen, wie wir gesehen haben, über die Herstellung von Spielzeug für Hersteller hinaus. Aus diesem Grund sind Desktop-3D-Drucker oft die erste Wahl, wenn Unternehmen in den 3D-Druck investieren möchten, sei es für interne RP-Labors oder das Geschäft mit 3D-Druckdienstleistungen.

Während der Umgang mit einem Desktop-3D-Drucker normalerweise keine Herausforderungen darstellt, stellt ein Unternehmen, wenn es in seinen zweiten, dritten 3D-Drucker oder sogar noch mehr investiert, schnell fest, dass der Workflow komplizierter ist, als es zunächst schien.

Die Erhöhung Ihrer Investitionen in 3D-Drucker ist ein positives Zeichen für Wachstum, aber dieses Wachstum kann auch ganz neue Herausforderungen mit sich bringen. Verwalten eines konstanten E-Mail-Stroms mit 3D-Druckanfragen, Analysieren und Reparieren von 3D-Dateien, Berechnen von Druckkosten, Planen von Aufträgen – es besteht eine große Chance, dass Ihr Team diese Aufgaben manuell ausführt, was die Produktivität Ihrer Abteilung oder Ihres Unternehmens einschränkt.

Obwohl diese Prozesse für den erfolgreichen Einsatz von 3D-Druckern unerlässlich sind, können und sollten sie verbessert werden, um eine höhere Effizienz zu gewährleisten.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Automatisierungssoftware. Es gibt Lösungen, die die Verwaltungsseite des 3D-Drucks rationalisieren können, beispielsweise durch Bereitstellung eines webbasierten Portals zur Einreichung von Anfragen, das durch sofortige Preis- und Angebotsfunktionen unterstützt wird. Automatisierungssoftwarepakete wie AMFG können auch automatisierte Dateikonvertierungs- und Reparaturtools enthalten, um die Dateivorbereitung vor dem Drucken zu vereinfachen.

Eine gute 3D-Druck-Automatisierungssoftware kann auch in 3D-Drucker integriert werden, um Maschinenstatus-Updates in Echtzeit über laufende, abgeschlossene oder fehlgeschlagene Druckaufträge bereitzustellen.

Was kommt als nächstes beim Desktop-3D-Druck?

Der Desktop-3D-Druck hat in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht:Die Technologie verbessert sich und die Palette der verfügbaren Materialien in Industriequalität ist breiter als je zuvor. Da die Branche ihren Fokus auf professionelle, industrielle Anwendungen verlagert hat, haben auch die Hersteller von Desktop-3D-Druckern.

Dies hat es Unternehmen ermöglicht, in die Technologie zu investieren, wodurch Hürden für die Einführung gesenkt und die Schwelle zu Erschwinglichkeit, Qualität und Zuverlässigkeit überschritten werden.

Das Innovationstempo im Desktop-3D-Druck zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung. Heute werden neue Prozesse und Materialien entwickelt und vermarktet, die den Desktop-3D-Druck über das Prototyping hinaus in die Fertigung bringen. Auch Software-Fortschritte in der Automatisierung machen den Desktop-3D-Druck einfacher zu verwalten, vereinfachen den Workflow und bieten die Grundlage für Skalierbarkeit.

Mit Blick auf die Zukunft werden wir Desktop-3D-Druck sehen, der neue Anwendungsfälle bietet und die Tür zu neuen Industriesegmenten öffnet. Da Desktop-Maschinen kontinuierlich ein höheres Leistungsniveau erreichen, werden sie zu einem Standardwerkzeug, von Büroumgebungen und Ingenieurstischen bis hin zu Fabrikhallen.