Additive Fertigung wächst über Desktop-3D-Druck hinaus in die industrielle Produktion

3D-Druck wird erwachsen. Ist er so revolutionär wie versprochen oder nur ein weiteres wertvolles Werkzeug in der Werkzeugkiste – oder beides? Wir sprechen mit MakerBot und einem 3D-Druck-Berater im Rust Belt, um zu sehen, wo Dinge stehen und wohin sie gehen.

3D-Druck hat sein volles Potenzial in professionellen und fertigungzentrierten Umgebungen noch nicht erreicht, aber es gibt gesunden Raum zum Wachsen, sagen Additive-Fertigungs-Ingenieure, Berater und Akademiker. Neue Technologien und Maschinen nutzen Innovationen in Metallpulvern. Eine der größten Fragen: Kann die Technologie vom Liebling von Design und Prototyping zum Shopfloor-Standard werden? Wird sie bei höheren Produktionsvolumen Fuß fassen? Und was sind die Barrieren für größere Wellen?

Brancheninsider sagen: Shops aller Größen nutzen 3D-Prozesse auf vielfältige, geniale Weise – von kundenspezifischen Spannvorrichtungen und Formen bis zu funktionalen Endbauteilen mit Geometrien, die nur additiv möglich sind.

„CNC-Shops nutzen MakerBot, um komplexe Strukturen zu 3D-drucken, die das Bauteil im Fräser im benötigten Winkel halten“, sagt Chris Barrett, Präsident von 3DDirections. „So fertigen Shops Vorrichtungen, Spannmittel und Werkzeuge.“

Barrett ist Chemiker und Physiker, langweilte sich mit Reagenzgläsern – fand Weg in Materialwissenschaft und Engineering. In Ohio ausgesetzt traditioneller Fertigung und emergenter Additiver/3D-Druck-Technologie. Startete Beratung mit starkem Verständnis beider Welten, fokussiert auf Unternehmen, die Technologie dort nutzen, wo sie am meisten Sinn macht.

Hinweis: Barrett, als Trainer für Tooling U-SME, hostete ein Webinar am 27. Juni über additive Fertigung auf Better MRO, wo er sieben Hauptkategorien des 3D-Drucks skizzierte und Pro/Contra jedes Typs diskutierte. Replay im Video-Link oben. Themen:

• Vat Photopolymerisation
  • Stereolithografie (SLA) & Digital Light Processing (DLP)
• Powder Bed Fusion (PBF)
  • SLS, Direct Metal Laser Sintering (DMLS), SLM, Electron Beam Melting (EBM)
• Binder Jet Printing (BJP)
• Material Jet Printing (MJP)
• Sheet Lamination (LOM)
• Material Extrusion
  • Fused Deposition Modeling (FDM)
• Directed Energy Deposition (DED)

„Es gibt einige Schlüsselwege, wie Hersteller und Job Shops professionelle 3D-Drucker heute nutzen“, sagt Dave Veisz, VP Engineering bei MakerBot. „Unternehmen nutzen sie für Workplace Organization – Teile für 5S Lean Manufacturing, Montage- und Messvorrichtungen, Teilegreifer, Lehren, wo hochfeste Kunststoffe ausreichen… Nicht für einzigartig anspruchsvolle Hochkraft- oder Hochtemperaturanwendungen wie Ofenvorrichtungen, aber für viele Vorrichtungs- und Werkzeuganwendungen funktioniert es gut.“

Ein entscheidender Vorteil: Geometrische Komplexität ist „kostenlos“, sagt Veisz. Beispiel: Designen Sie einen Greifer zum Pick-and-Place eines Gussteils mit komplexer Form. Sie können die inverse Geometrie des Gussteils im CAD generieren, für die Applikation modifizieren und einen perfekten Match drucken. Da 3D-Druckkosten und -zeit primär vom Teilvolumen getrieben sind, gibt es keine Zusatzkosten für schwer durch traditionelle Fertigung erreichbare Geometrien.

Metall-3D-Druck, Additive Fertigung: Wer nutzt es heute?

Additive Fertigung mit Metallpulver oder Hochtemperatur-Thermoplasten wird vorwiegend in Luftfahrt & Verteidigung genutzt – mit gutem Grund: Diese Unternehmen können F&E-Gelder in kleinere, manchmal komplexe Teile investieren, die Kosten senken oder Lieferzeit beschleunigen können. Teile: komplexe Luftkanäle für Umweltsysteme, Windkanal- und UAV-Komponenten, Tanks für Kraftstoff/Flüssigkeiten, Surrogat-Teile, Composite-Layups.

„Die meisten großen Luftfahrt- und Rüstungs-OEMs – Boeing, Lockheed, GE, Northrop Grumman, mit großen Umsatzbasen – sind alle dabei“, sagt Barrett. „Andere Unternehmen, die anfangen: Biomedizinische Firmen, die heute Titan-Hüftimplantate machen. Aber das Problem: die Kosten.“

OEMs wollen Arbeit ausschreiben und an kleinere Hersteller auslagern. Die Herausforderung: Standards haben bei Metall-Druckteilen noch nicht aufgeholt. FAA-Standards für Luftfahrtteile, besonders Großraumflugzeuge, sind zu Recht streng. Viel Forschung nötig, um akzeptable kleine Anomalien zu definieren – und was nicht.

Recht jetzt könnte ein kleinerer Job Shop ein Metallteil für einen OEM drucken, aber nur z. B. ein Metallpulver pro Maschine per Standard auf einer zugelassenen Maschine – Limitierungen sind kostspielig, sagt Barrett. Job Shops brauchen Flexibilität für Profit.

Wie ein Luftfahrt- und Rüstungshersteller eine Nische in 3D-Additiver Arbeit fand. Lesen Sie „Wie man ein 3D-gedrucktes Teil in der Luftfahrt in den Markt bringt“.

„Die gute Nachricht: In den nächsten 5–10 Jahren werden Standards anfangen, Impact zu haben“, sagt Barrett. „Aktuell forscht NIST (National Institute of Standards and Technology) stark hier.“

Nicht limitiert auf Luftfahrt oder Implantate. Andere Medizininstrumente: Handgeräte, Medizincarts, chirurgische Führungen und Werkzeuge, sowie Teile für Energie, Transport, Konsumgüter. Öl & Gas: Rotoren, Statoren. Automotive: Verkleidungen, Custom-Interieurs, Grills. Konsum: Form & Fit – Brillenfassungen, Pre-Production-Designs.

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MakerBots Method zielt auf Profi-Markt und Job Shops

Eine Firma, die in der ersten Konsumenten-3D-Druck-Welle viel Traktion und Aufmerksamkeit bekam, war MakerBot. 2013 von Stratasys übernommen, fokussierte die Firma die letzten Jahre auf F&E jenseits von Hobbyist und Education. Stratasys fertigt seit 2015 3D-Teile für Airbus.

Letzten Dezember launchte MakerBot eine fortgeschrittenere 3D-Druckmaschine für den Profimarkt: Method, kostet ca. ein Drittel eines Einstiegs-Industriedruckers. MakerBot kollaborierte mit Stratasys bei Technologieentwicklung. Method ist die erste neue Hardware-Plattform seit ~3 Jahren für MakerBot.

„Es ist wirklich die erste Plattform, die wir von Grund auf als Stratasys-Affiliate entwickelt haben“, sagt Veisz. „Kombination aus Stratasys IP und großem Wissen und MakerBots Design- und Engineering-DNA … Ohne beide Stücke hätten wir diese Maschine nicht erfolgreich hinbekommen.“

Methods Feature-Set ist völlig anders und robuster als Desktop-3D-Drucker, behauptet man. Features: Dual-Extrusion von Solid-Model-Material und löslichem PVA (wasserlöslicher Kunststoff), CNC-gefertigter Metallrahmen, trocken versiegelte Materialbuchten, zirkulierende beheizte Kammer – schafft warmes Luftkissen für kontrollierte Umgebung. Jede hinzugefügte Schicht sieht dieselbe Umgebung.

In Aktion sehen: Integrations-Webinar zu 3D-Druck und CNC-Zerspanung [Quelle: MakerBot]

„Das sieht man bei Industriedruckern ab Zehntausenden $, nicht in der Desktop-Welt“, sagt Veisz. Desktop-Drucker nutzen Hobbyist-Architektur ohne wiederholbare Dimensionsgenauigkeit – inadäquat für viele Fertigungsanwendungen mit engen Toleranzen.

Da Druckumgebung bei Desktop-Druckern nicht so kontrolliert wie bei Industriedruckern, leiden Genauigkeit und Maschinenverfügbarkeit. Bei den meisten Desktop-Druckern: Je höher in Z-Richtung, desto kälter die Umgebung – Schicht schwächt sich ab, Teil verzieht sich anders.

Mit Method behauptet MakerBot Fertigteil-Toleranzen von ±0,2 mm für die ersten 100 mm in X, Y, Z – dann proportional skalierend, 0,002 mm pro mm für Dimensionen >100 mm.

„Nicht ganz CNC-Präzisionstoleranzen, aber nah genug für die meisten Vorrichtungs-, Werkzeug- und Prototypenarbeiten“, sagt Veisz. „Und inline mit Kunststoff-Spritzguss-Produktionstoleranzen. Man sieht keine Dimensionsgenauigkeits-Claims bei den meisten Desktop-3D-Drucken, MakerBot hat solche Claims bei früheren Maschinen nicht gemacht … Sie sehen kaum Claims für Fertigteilgenauigkeit [bei den meisten Desktop-3D-Druck] … Bemerkenswert: erster Drucker, den wir launchten, der wirklich jede Geometrie drucken kann dank löslicher Stützstruktur, und das mit konsistenter Fertigteilgenauigkeit dank Maschinenfeatures und -kontrollen.“

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