Innovative Anwendungen additiver Fertigung: Transformation von Hightech-Branchen

Der Einsatz von Softwarekomponenten für additive Fertigung wächst in Hightech-Branchen. Laut dem Marktforschungsunternehmen MarketsandMarkets (M&M) wuchs die Produktion von 3D-Druckern und die Ausbringung additiver Fertigung 2017 auf einen Wert von 3,5 Milliarden Dollar. Die führenden Anwender additiver Fertigung waren die Medizintechnik-, Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie.

Das ist nicht überraschend. Bei additiver Fertigung sind die Kosten für den Druck einer komplexen Form dieselben wie für ein einfaches Design, besonders in kleinen Stückzahlen.

Medizintechnik & Chirurgie

Die Vorteile der additiven Fertigung sind ein Segen für die Medizinbranche. Durch den Einsatz additiver Fertigung baut die Medizinbranche hochindividuelle Implantate für zahnmedizinische und orthopädische Anwendungen. Da additive Fertigung die Werkzeug- und Einrichtungskosten (die in der subtraktiven Fertigung erforderlich sind) eliminiert, müssen Ärzte sich keine Gedanken über Skaleneffekte machen, wenn sie patientenspezifische Implantate und Prothesen vorschlagen.

Zusätzlich hat additive Fertigung auch ermöglicht, sehr komplexe und hochdelikate Designs herzustellen, wie Gelenke, die mit menschlichen Knochen verbunden werden. Um diese Lösungen zu produzieren, müssen 3D-Drucker winzige fraktale Gitterstrukturen fertigen, in die Knochengewebe einwachsen kann, was eine starke Verbindung zwischen Implantat und Knochen schafft. Es gibt keinen anderen Weg, solche Formen herzustellen.

Ebenso beinhalten Zahnimplantate und -einsätze sowohl unglaubliche Individualisierung als auch sehr komplexes Design, um eine präzise Passform zu erreichen. Der Zahnimplantatprozess erfordert beträchtliche Präzision. Zuerst beginnt er mit einem Röntgenbild Ihres Mundes, um Ihre Knochen zu untersuchen. Zweitens muss der Chirurg ein Loch für das Zahnimplantat bohren. Der Chirurg muss jedoch garantieren, dass das Implantat (wie die Schraube für das Implantat) perfekt mit der Anordnung Ihrer Zähne ausgerichtet ist. Dank 3D-Druck können Zahnärzte nun maßgefertigte Implantate sicher einsetzen. Diese Implantate und zugehörigen Bohrschablonen werden in spezialisierter 3D-Druck-CAD-Software individuell entworfen und mit hohem Automatisierungsgrad hergestellt.

Bei Gehirnoperationen bauen Ärzte eine individuelle Schablone basierend auf einem CT-Scan ihres Patienten. Wie in der Zahnmedizin und Orthopädie geht es darum, ein Implantat herzustellen, das präzise zum Schädel des Patienten passt und die Werkzeuge des Chirurgen während der Operation führt. Wieder automatisiert spezialisierte 3D-Software das Design dieser chirurgischen Hilfsmittel.

Luft- & Raumfahrt & Infrastruktur

Die Luft- und Raumfahrt war ein Pionier bei der Einführung additiver Fertigung. Kürzlich haben ihre Bemühungen zu einem 3D-gedruckten Teil für den Einsatz in kommerziellen Turbofan-Triebwerken geführt.

Das LEAP-Turbofan-Triebwerk – ein Joint Venture von General Electric (GE) und Safran Aircraft Engines – ist mit 3D-gedruckten Kraftstoffdüsen ausgestattet. Die US Federal Aviation Administration genehmigte die Düse 2015 für den Einsatz in kommerziellen Flugzeugen. Nicht nur wiegt dieses Teil 25 % weniger als sein Vorgänger in älteren Triebwerksgenerationen, sondern laut GE ist es auch fünfmal langlebiger.

Während das 3D-gedruckte Teil erhebliche Vorteile in Bezug auf Kraftstoffeffizienz und CO2-Reduktion bei Flugzeugen mit LEAP-Triebwerken bietet, strafft es auch die Produktionslieferkette. 3D-Druck ermöglichte es GE, 20 verschiedene Teile durch nur eine Einheit zu ersetzen. Dies vereinfacht nicht nur den Fertigungsprozess, sondern senkt auch die Lebenszyklus-Wartungskosten.

Der Einsatz von 3D-CAD- und Computer-Aided-Engineering-Software (CAE) ist ein wesentlicher Bestandteil der Design- und Entwicklungsbemühungen der Luft- und Raumfahrtindustrie. GE nutzte CAD/CAE, um die notwendigen Designstudien, Simulationen und Analysen durchzuführen, um die neue Düse zu entwickeln und ihre Machbarkeit zu bewerten, bevor man zum Prototyping-Stadium überging.

Stellen Sie sich die Kosteneinsparungen für Fluggesellschaften vor, die Dutzende dieser Flugzeuge betreiben, besonders über einen Zeitraum von 20-plus Jahren. Das sind die direkten Vorteile der additiven Fertigung, sodass man sehen kann, wie ihr Wachstum bei der Bearbeitung anderer Baugruppen und Komponenten Gewinne für Hersteller, Zulieferer und Verbraucher in einer Vielzahl anderer Bereiche ausdehnen wird.

Neben der Optimierung auf Kostensenkung hat 3D-Druck auch ermöglicht, dass Branchen sehr komplexe Fertigung durchführen. Betrachten Sie Wärmetauscher. Diese Geräte haben eine große Anzahl von Rohren, Lamellen und anderen Eingängen für die Führung heißer Flüssigkeit von der einen und kalter Flüssigkeit von der anderen Seite. Aber der Montageprozess erfordert das Schweißen der Kühllamellen und das Einfügen in eine wasserdichte Box. Es ist ein arbeitsintensiver und zeitaufwendiger Fertigungsprozess mit beträchtlichem Fehlerrisiko.

Mit 3D-Druck kann der Wärmetauscher in einem einzigen konsolidierten Schuss gefertigt werden. Die Herstellung der einen Einheit kann zwar eine relativ lange Zeit in Anspruch nehmen, aber das Endergebnis ist viel zuverlässiger. Wie bei LEAP ist das Ziel, die Anzahl der für die Montage erforderlichen Teile zu konsolidieren und gleichzeitig signifikante Leistungsverbesserungen zu erzielen.

Die Zukunft der additiven Fertigung

Die Technologien der additiven Fertigung nehmen an Fähigkeit zu und sinken im Preis. Zudem werden ständig neue Anwendungen additiver Fertigung gefunden. Es gibt jedoch noch große Hürden bei Prozesskontrolle und Prozessvorhersagbarkeit.

In Bezug auf Prozesskontrolle fehlen der additiven Fertigung branchenweite Standards, die den Prozess der Fertigung von Rohmaterialien zu fertigen Teilen regeln. Traditionelle Fertigung – einschließlich subtraktiver Fertigung – profitiert von diesen Standards (z. B. metallurgisches Verhalten während des Zerspanungsprozesses, Stanzen oder Schmieden). Es gibt branchenübliche Referenzen, auf die Ingenieure zurückgreifen und konsultieren können.

Die Branche hat diese Standards für additive Fertigung jedoch noch nicht etabliert. Zum Beispiel bauen einzelne Luft- und Raumfahrtunternehmen – wie GE – proprietäre Kontrollregime für ihre additiven Fertigungsbemühungen auf, während der einzelne 3D-Druckzulieferer vollständig über Kontrollregime und Branchenstandards verfügt. Dies lässt sich am besten durch Normungsgremien beheben, die gemeinsame Compliance-Zertifizierungen entwickeln, die für alle verfügbar sind, insbesondere für kleinere Hersteller.

Schließlich ist Prozessvorhersagbarkeit immer noch eine große Herausforderung für Nutzer von 3D-Druckern. Die Optimierung der Teileausrichtung, des Stützmaterials und der Prozessparameter erfordert beträchtliches Trial-and-Error. Dies bietet jedoch auch eine massive Chance für Entwickler der Softwaretools, die im 3D-Druck verwendet werden. Physikbasierte Simulation wäre ein großer Schritt nach vorn. Die Kombination dieses Simulationselements mit maschinen-spezifischen Prozinformationen von 3D-Druckerherstellern wird Herstellern helfen, ihre Fehler- und Ausschussraten zu reduzieren.

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