Was ist 3D-Druck: Definition, Prozess und Materialien

Der 3D-Druck ist eine digitale Prototyping- und Produktionstechnologie, die Kunststoff- oder Metallteile Schicht für Schicht herstellt. Er wird auch als additive Fertigung bezeichnet, da Material schrittweise hinzugefügt wird, um das Bauteil aufzubauen. Dies steht im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung , Laserschneiden, Plasmaschneiden, Wasserstrahlschneiden, Stanzen usw., bei denen Material abgetragen wird, um ein Rohmaterial zu formen.

Obwohl der 3D-Druck bereits in den 1980er Jahren erfunden wurde, hat er im 21. Jahrhundert enorm an Bedeutung gewonnen. Der 3D-Druck von Kunststoffen ist zu einer wichtigen Methode für die Prototypenerstellung geworden, und die hochwertige additive Fertigung von Metallen ist heute in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizin weit verbreitet.

Verschiedene 3D-Drucker funktionieren zwar unterschiedlich, weisen aber in der Regel bestimmte grundlegende Gemeinsamkeiten auf. Alle 3D-Drucker werden durch Computerbefehle (in Form von G-Code) gesteuert und formen Rohmaterial – z. B. Metallpulver, flüssiges Harz oder thermoplastisches Filament – ​​Schicht für Schicht zu einem neuen 3D-Objekt.

Obwohl die additive Fertigung in Serienqualität zunimmt, werden 3D-Drucker nach wie vor überwiegend für die Prototypenherstellung eingesetzt. Dies liegt an den sehr geringen Anschaffungskosten, dem Wegfall von Werkzeugen und der hohen Geschwindigkeit bei der Fertigung von Einzelstücken.

Dieser Leitfaden zum 3D-Druck behandelt die Grundlagen der Technologie, einschließlich wichtiger Prozesse, Materialien, Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungsmethoden und gängiger Anwendungen.

3D-Druckmaterialien

Thermoplastische Filamente (FDM)

Die meisten Materialien, die beim FDM-3D-Druck verwendet werden, sind thermoplastische Filamente, die auf Spulen in verschiedenen Größen erhältlich sind. Thermoplaste schmelzen beim Erhitzen und verfestigen sich beim Abkühlen wieder, ohne ihre chemische Zusammensetzung zu verändern; dadurch eignen sie sich perfekt für den Extrusions-3D-Druck.

Ein gängiges, universell einsetzbares thermoplastisches Filament für den FDM-Druck ist Polymilchsäure (PLA), die einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist und umweltfreundlich ist. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist eine weitere beliebte Wahl, da es einen höheren Schmelzpunkt besitzt, sich aber leichter extrudieren lässt. Zu den weiteren gängigen Materialien für den FDM-3D-Druck gehören PETG und PC.

Während die meisten druckbaren Thermoplaste starr sind, gibt es einige flexible FDM-Filamente wie TPE und TPU, die sich für gummiartige Teile eignen.

Kompositfilamente (FDM)

Viele FDM-3D-Drucker können Thermoplaste drucken, die mit Zusätzen wie Glas- oder Kohlenstofffasern verstärkt sind. Diese Materialien weisen eine deutlich höhere Festigkeit als herkömmliche Thermoplaste auf (da die Glasstücke oder geschnittenen Fasern jedoch zufällig ausgerichtet sind, sind die Materialien in der Regel schwächer als gedruckte Endlosfasern, für deren Herstellung eine spezielle und teure Drucktechnologie erforderlich ist).

Flüssigharze (SLA, DLP)

Materialien für die Photopolymerisation im 3D-Druckverfahren wie SLA und DLP liegen in Form flüssiger, lichtempfindlicher Harze vor, die Monomere, Oligomere und Photoinitiatoren enthalten. Diese Harze werden durch eine Lichtquelle ausgehärtet, um feste Druckteile zu erzeugen.

Für unterschiedliche Anforderungen gibt es verschiedene Harze – manche sind beispielsweise vollständig transparent, andere bieten eine höhere Schlagfestigkeit –, doch sie haben keine einheitlichen Bezeichnungen wie Thermoplaste. Stattdessen produzieren verschiedene Hersteller von 3D-Druckharzen unterschiedliche Harzmischungen, die oft einfache Bezeichnungen wie „Standardharz“ oder „klares Harz“ tragen.

Nylon-/Polyamidpulver (SLS)

Das am häufigsten verwendete SLS-3D-Druckmaterial ist Nylon, ein technischer Thermoplast, der starke, steife und langlebige 3D-gedruckte Teile erzeugt.

SLS-3D-Drucker sintern Nylon in Pulverform. Es gibt verschiedene Nylonpulver (und andere Pulver), die sich verarbeiten lassen. Nylon 12 ist ein vielseitiges Material für Bauteile und Prototypen, während Nylon 11 besonders fest und duktil ist. Aluminiumgefülltes Nylon und TPU sind weitere Optionen für das SLS-Verfahren.

Metallpulver (SLM, DMLS)

Metallbasierte additive Fertigungsverfahren wie SLM sind mit Metallpulvern kompatibel, die durch den Laserstrahl des Druckers geschmolzen werden können. Diese Pulver werden häufig durch Gaszerstäubung hergestellt, wodurch kugelförmige Partikel entstehen, die leicht fließen.

Für das SLM-Verfahren und andere Pulverbett-Schmelzverfahren steht eine breite Palette an Metallen als 3D-Druckpulver zur Verfügung. Dazu gehören hochfeste, hochtemperaturbeständige Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen, Edelstähle, Kobalt-Chrom-Legierungen und Nickellegierungen.

3D-Drucksoftware

3D-Drucker sind digitale Maschinen, daher spielt Software eine wichtige Rolle im 3D-Druckprozess. Obwohl es Überschneidungen zwischen verschiedenen Arten von 3D-Drucksoftware gibt (einige Softwarepakete enthalten viele verschiedene Werkzeuge), lassen sie sich in vier Hauptkategorien einteilen: 3D-Modellierung, STL-Reparatur, Slicing und Druckmanagement.

3D-Modellierungssoftware

Computergestützte Designsoftware (CAD), manchmal auch 3D-Modellierungssoftware genannt, dient dazu, 3D-Modelle auf einem Computerbildschirm zu entwerfen, die letztendlich in physische 3D-gedruckte Objekte umgewandelt werden können.

Solche Software ermöglicht die visuelle Modellierung von 3D-Formen durch Auswahl von Parametern oder durch Programmierung. Zu den Funktionen gehören automatische Modellierungswerkzeuge, CAM-Integration und Simulationswerkzeuge.

Zu den gängigen 3D-Druck- und 3D-Modellierungsprogrammen gehören TinkerCAD und Fusion 360 (beide von Autodesk), SolidWorks von Dassault Systèmes, Rhino und Blender.

STL-Reparatursoftware

STL-Reparatur- oder Mesh-Reparatursoftware – die manchmal mit CAD- oder Slicing-Software verpackt ist – dient der Analyse und Reparatur von 3D-druckbaren Dateien, um ein reibungsloses Drucken zu ermöglichen.

Zu den beliebten eigenständigen STL-Reparaturpaketen gehören Magics von Materialise und Netfabb/Meshmixer von Autodesk, während die bereits erwähnten Fusion 360 und Blender über STL-Reparaturwerkzeuge verfügen.

Slicing-Software

3D-Modellierungssoftware erzeugt Netzdateien, die Informationen über ein 3D-Modell enthalten. Ein 3D-Drucker kann diese Dateien jedoch nicht verarbeiten. Hier kommt die Slicing-Software für 3D-Drucker zum Einsatz.

Eine Slicing-Software zerlegt ein 3D-Netz in einzelne Schichten, die nacheinander 3D-gedruckt werden können, und exportiert die Daten über diese Schichten als G-Code, der von einem 3D-Drucker gelesen und ausgeführt werden kann.

Slic3r, Cura und Repetier sind gängige Softwareanwendungen zum Slicing von 3D-Drucken.

Druckverwaltungssoftware

Manche 3D-Druckerbenutzer – insbesondere diejenigen, die mehrere Drucker gleichzeitig betreiben – benötigen möglicherweise eine 3D-Druckmanagement-Software, um Druckaufträge zu verwalten, die Leistung und den Status der Maschinen zu überwachen und den Materialvorrat zu kontrollieren.

Zu den Druckmanagement-Tools gehören benutzerfreundliche webbasierte Tools wie OctoPrint, aber auch professionelle additive Fertigungsausführungssysteme (MES) wie Materialise Streamics und Oqton FactoryOS.

Welche Vorteile bietet der 3D-Druck?

Die Verwendung von 3D-Druck bietet gegenüber alternativen Verfahren wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss zahlreiche Vorteile. Dazu gehören:

• Geschwindigkeit: Insbesondere für die schnelle Prototypenfertigung von Einzelteilen ist der 3D-Druck eine der schnellsten Fertigungsmethoden. Digitale Dateien lassen sich mit minimaler Vorbereitung an einen 3D-Drucker senden. Dies verschafft Unternehmen einen Wettbewerbsvorteil, da es die Entwicklungszyklen und die Markteinführungszeit verkürzt.
• Kosten: Da keine teuren Werkzeuge benötigt werden, ist der 3D-Druck sehr kostengünstig für die Herstellung von Einzelteilen oder Kleinserien. Zudem entsteht nur minimaler Materialverlust, da es sich um ein additives und nicht um ein subtraktives Verfahren handelt.
• Geometrische Freiheit: Der 3D-Druck unterliegt weniger Designbeschränkungen als Verfahren wie das Spritzgießen und ermöglicht so komplexe Muster und sogar komplexe Innenstrukturen. Dies gilt insbesondere für Pulverbettverfahren wie SLS, da das Pulver die gedruckte Struktur von allen Seiten stützt.
• Konsistenz: Obwohl der 3D-Druck häufig für Einzelteile und Prototypen verwendet wird, erzeugt er tatsächlich sehr konsistente Duplikate, da die Teilequalität nicht von Faktoren wie der Lebensdauer der Form oder dem Werkzeugverschleiß abhängt.

Zu den Einschränkungen des 3D-Drucks gehören die Langsamkeit bei großen Stückzahlen, die im Vergleich zu subtraktiven und formgebenden Verfahren begrenzte Festigkeit der Bauteile, die Materialkosten (FDM-Filament ist beispielsweise teurer als die gleiche Menge an Spritzgussgranulat), die begrenzte Materialauswahl und die begrenzten Möglichkeiten zur Farbgebung.

Was sind die Anwendungsbereiche des 3D-Drucks?

Der 3D-Druck findet in einer Vielzahl von Branchen Anwendung, sowohl für die schnelle Prototypenerstellung als auch für die Kleinserienfertigung. Im Folgenden werden sechs Anwendungsbereiche des 3D-Drucks und konkrete Anwendungsbeispiele vorgestellt.

Schnelle Musterlieferung

Branchenübergreifend ist die schnelle Prototypenerstellung neuer Teile im Rahmen von Forschung und Entwicklung eine Schlüsselanwendung des 3D-Drucks. Keine andere Technologie eignet sich so gut für die sofortige Fertigung von Kunststoff- oder Metallteilen – selbst außerhalb von Produktionsstätten.

3D-Drucker können von Unternehmen intern genutzt werden, während andere Unternehmen es vorziehen, 3D-gedruckte Prototypen über Dienstleistungsunternehmen zu bestellen.

Medizin

Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung medizinischer Komponenten wie patientenspezifischer Titanimplantate und chirurgischer Schablonen (SLM), 3D-gedruckter Prothesen (SLS, FDM) und sogar 3D-biogedruckten menschlichen Gewebes. Auch Bauteile für medizinische Geräte und Maschinen – Röntgengeräte, MRT-Geräte usw. – lassen sich im 3D-Druckverfahren fertigen.

Technologien wie SLA und SLS werden auch in der Dentalindustrie häufig für Modelle, Prothesen und Restaurationen eingesetzt.

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat die 3D-Drucktechnologie maßgeblich eingesetzt, da sich damit sehr leichte Bauteile mit einem hervorragenden Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht herstellen lassen. Beispiele hierfür sind einfache Komponenten wie Kabinentrennwände (SLS) bis hin zu bahnbrechenden Triebwerkskomponenten (SLM) wie der von GE entwickelten und gefertigten 3D-gedruckten Kraftstoffdüsenspitze.

Automobilindustrie

Automobilhersteller nutzen 3D-Drucker regelmäßig zur Fertigung von Einzelanfertigungen von Ersatzteilen und Reparaturteilen sowie zur schnellen Prototypenerstellung. Zu den gängigen 3D-gedruckten Autoteilen gehören Halterungen, Armaturenbrettkomponenten und Antennenkomponenten (FDM).

Zu den extremeren Beispielen gehören Autos mit großen, im 3D-Druckverfahren hergestellten Metallstrukturbauteilen, wie etwa frühe Modelle des Auto-Startups Divergent.

Schmuck und Kunst

3D-Drucktechnologien wie SLA werden häufig (als indirektes Fertigungsverfahren) bei der Herstellung und Reparatur von Schmuck eingesetzt, während praktisch alle Arten von 3D-Druckern zur Erstellung von Kunstwerken und Skulpturen verwendet werden können.

Bauwesen

Fortschritte in der additiven Fertigung mit Produktionsqualität haben das Anwendungsspektrum im Bauwesen und in der Architektur erweitert. Der 3D-Betondruck, der ähnlich wie das FDM-Verfahren funktioniert, jedoch mit Extrudern mit sehr breiten Düsen arbeitet, spielt in dieser Branche eine Rolle. Gängigere 3D-Drucktechnologien wie SLM können jedoch zur Herstellung von Bauteilen wie Brückenkonstruktionen eingesetzt werden.

3D-Druckdateiformate

3D-gedruckte Teile lassen sich mit gängiger CAD-Software entwerfen, 3D-Drucker können jedoch nur bestimmte Dateiformate lesen. Es gibt vier gängige maschinenlesbare 3D-Druckdateiformate.

STL: Das mit Abstand gängigste Dateiformat für 3D-Drucker. STL enthält Informationen zur Bauteilgeometrie in Form von Dreiecken. Informationen wie Farbe, Material oder Textur sind nicht enthalten. Die Dateigröße ist proportional zum Detailgrad, was problematisch sein kann.

OBJ: Das OBJ-Dateiformat, weniger verbreitet als STL, kodiert die Geometrie von 3D-Modellen und kann neben Tessellationen auch Freiformkurven und -flächen enthalten. Es kann außerdem Informationen über Farbe, Material und Textur enthalten und eignet sich daher für Vollfarbprozesse.

3MF: Das von Microsoft entwickelte 3MF-Format ist ein XML-basiertes Format mit kleinen Dateigrößen und hoher Fehlervermeidung. Es ist noch nicht weit verbreitet, wird aber von Unternehmen wie Stratasys, 3D Systems, Siemens, HP und GE unterstützt.

AMF: Als Nachfolger des STL-Formats ist AMF deutlich schlanker und ermöglicht die Tessellation von gekrümmten Dreiecken ebenso wie von flachen – wodurch sich detaillierte Bauteile in verschiedenen Formen viel einfacher kodieren lassen. Die Verbreitung des Formats verlief seit seiner Einführung schleppend.

3D-Druckeinstellungen und Spezifikationen

Beim 3D-Druck werden einige verfahrensspezifische Begriffe verwendet, die für Einsteiger verwirrend sein können. Diese Begriffe beziehen sich auf Druckereinstellungen und/oder Spezifikationen, die Einfluss auf das Ergebnis der 3D-gedruckten Teile haben können.

Füllen

Beim 3D-Druck von Bauteilen muss unter Umständen der Füllgrad (Infill Percentage) angegeben werden, der die innere Dichte des Bauteils beschreibt. Ein niedriger Füllgrad führt zu einem weitgehend hohlen Bauteil, bei dem nur minimales Material die Form zusammenhält; ein hoher Füllgrad hingegen ergibt ein stabiles, dichtes und schwereres Bauteil.

Schicht höhe

Die Schichthöhe, auch Z-Achsen-Auflösung genannt, ist der Abstand zwischen zwei 2D-Schichten eines Bauteils. Eine geringere Schichthöhe ermöglicht eine feinere Auflösung (und damit einen höheren Detailgrad) entlang der Z-Achse, also von oben nach unten. Eine geringe Schichthöhe ist ein Indiz für einen hochwertigen Drucker, jedoch können Anwender auch größere Schichthöhen für schnelleres und kostengünstigeres Drucken einstellen.

Druckgeschwindigkeit

Die Druckgeschwindigkeit eines Druckers, gemessen in Millimetern pro Sekunde, gibt an, wie schnell das Gerät das Rohmaterial verarbeiten kann. Ähnlich wie die Schichthöhe kann dieser Wert entweder die maximale Geschwindigkeit des Druckers angeben oder vom Benutzer festgelegt werden: Langsamere Druckgeschwindigkeiten führen in der Regel zu präziseren Ausdrucken.

Drucktemperatur

Bei Verfahren wie dem FDM-Druck bezieht sich die Drucktemperatur üblicherweise auf die Temperatur des Hotends, also des Teils des Druckkopfs, der das thermoplastische Filament erhitzt. Einige FDM-Drucker verfügen auch über ein beheiztes Druckbett, dessen Temperatur vom Hersteller angegeben wird. In beiden Fällen ist die Temperatur in der Regel vom Benutzer steuerbar.

Auflösung

Beim 3D-Druck bezeichnet die Auflösung fast immer die kleinstmögliche Bewegung entlang der X- und Y-Achse (Breite und Tiefe), entweder durch einen Laserstrahl (SLA, SLM usw.) oder einen Druckkopf (FDM). Dieser Wert ist schwieriger zu messen als die Schichthöhe und nicht immer proportional zu ihr.

Shells

Ähnlich wie die Wandstärke beim Spritzgießen bezeichnet die Schalenstärke die Dicke der Außenwand eines 3D-gedruckten Bauteils. Beim 3D-Druck müssen Anwender üblicherweise die Anzahl der Schalen auswählen: Eine Schale entspricht der Dicke der 3D-Druckdüse; zwei Schalen entsprechen der doppelten Dicke usw.

3D-Farbdruck

Da 3D-Druck hauptsächlich zur Prototypenerstellung eingesetzt wird, reichen einfarbige Ausdrucke für die meisten Anwendungen aus. Es gibt jedoch einige Möglichkeiten für den Farbdruck, darunter High-End-Materialstrahldrucker, FDM-Drucker mit mehreren Extrudern und Nachbearbeitungsoptionen.

Strahltechnologien

Führende 3D-Druckunternehmen wie Stratasys, 3D Systems und Mimaki haben Material- und Binder-Jetting-3D-Drucker entwickelt, die 3D-Modelle in Vollfarbe drucken können, ähnlich wie 2D-Tintenstrahldrucker. Allerdings sind diese Maschinen teuer, und die Bauteile weisen nicht immer optimale mechanische Eigenschaften auf.

Mehrfachextrusion

Viele FDM-3D-Drucker verfügen über zwei (oder mehr) Druckköpfe, wodurch zwei Filamentrollen – in unterschiedlichen Farben oder sogar aus völlig unterschiedlichen Materialien – gleichzeitig im selben Druckvorgang verarbeitet werden können. Dies ist einfach und kostengünstig, aber in der Regel auf zwei Farben beschränkt.

Filamenttausch

Mit einem FDM-3D-Drucker mit einem Extruder lassen sich mehrfarbige Drucke erstellen. Dazu wird der Druckvorgang an bestimmten Stellen unterbrochen und die Filamentrolle durch Filament einer anderen Farbe ersetzt. Diese Methode des Farbauftrags ist sehr langsam und ermöglicht keine präzise Kontrolle über die Position der einzelnen Farben.

Farbe nach dem Drucken hinzufügen

Viele 3D-gedruckte Teile können nach dem Druck gefärbt, getönt oder lackiert werden. Obwohl dies einen zusätzlichen Arbeitsschritt bedeutet, bietet es oft das beste Verhältnis zwischen Qualität und Kosteneffizienz.

Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen

Viele 3D-gedruckte Teile erfordern nach dem Drucken eine Nachbearbeitung. Dazu gehören notwendige Schritte wie das Entfernen der Stützstrukturen oder optionale kosmetische Verfahren wie das Lackieren. Einige dieser Prozesse sind für alle oder die meisten 3D-Drucktechnologien anwendbar, andere hingegen technologiespezifisch.

Support-Entfernung

3D-Drucktechnologien wie FDM und SLA erfordern das Drucken von Stützstrukturen (vertikale Streben zwischen dem Druckbett und dem Bauteil selbst), damit das gedruckte Objekt während des Herstellungsprozesses nicht zusammenfällt.

Diese Stützstrukturen müssen nach Fertigstellung des Bauteils entfernt werden. Einige Drucker, wie z. B. Dual-Extrusions-FDM-Maschinen, können die Stützstrukturen aus einem wasserlöslichen Material drucken. Dadurch lassen sie sich mithilfe flüssiger Chemikalien leicht vom Bauteil lösen. Nicht wasserlösliche Stützstrukturen müssen manuell abgeschnitten werden, wodurch eine Markierung entsteht, die gegebenenfalls abgeschliffen werden muss.

Waschen und Pulverentfernung

Manche 3D-Drucktechnologien (z. B. SLA) hinterlassen klebrige Rückstände auf den Bauteilen, während andere (SLM, SLS) Pulverreste hinterlassen können. In diesen Fällen müssen die Bauteile – manuell oder mit einer speziellen Maschine – gewaschen oder mit Druckluft entpulvert werden.

Wärmebehandlung

Viele wichtige 3D-Drucktechnologien drucken Bauteile aus Materialien, die beim Verlassen des Druckbetts noch nicht ihren endgültigen chemischen Zustand erreicht haben. Diese Bauteile werden manchmal als „grüne“ Bauteile bezeichnet.

Viele 3D-gedruckte Metallteile erfordern nach dem Druck eine Wärmebehandlung, um die Schichtverschmelzung zu verbessern und Verunreinigungen zu entfernen. Binder-Jetting-3D-Drucker beispielsweise produzieren Teile, die nach dem Druck entbindert und gesintert werden müssen, um das Polymerbindemittel aus dem Inneren der Metallteile zu entfernen.

Einige mit Harz 3D-gedruckte Teile müssen nach dem Druck nachgehärtet werden, um ihre Härte zu erhöhen und sie verwendbar zu machen.

Oberflächenveredelung

3D-gedruckte Teile können einer Vielzahl von Oberflächenbearbeitungstechniken unterzogen werden, von Texturierungsverfahren wie Schleifen und Glätten bis hin zu optischen Verfahren wie Lackieren und Tönen. Einige Technologien, wie z. B. FDM, erzeugen eine relativ raue Oberfläche, die geschliffen werden muss, während andere, wie z. B. SLA, eine deutlich glattere Oberfläche liefern. Weitere Informationen finden Sie in unserer vollständigen Liste der Oberflächenbearbeitungsdienstleistungen .

Kombination von 3D-Druck mit anderen Technologien

3D-Druck muss nicht als eigenständiges Verfahren eingesetzt werden. Statt ihn als Konkurrenz zu CNC-Bearbeitung und Spritzguss zu betrachten, kann er diese Fertigungsverfahren vielmehr ergänzen. Beispiele für Kombinationen sind:

3D-Druck des Hauptteils eines Bauteils, anschließend CNC-Fräsen der Feindetails mit engeren Toleranzen.

3D-Druck eines Urmodells für Feinguss oder Vakuumguss

Ein Bauteil wird im 3D-Druckverfahren hergestellt, anschließend wird mit Hilfe von Insert Molding eine Struktur darüber spritzgegossen.

Es gibt hybride Fertigungssysteme, die 3D-Druck mit anderen Technologien kombinieren. Die INTEGREX i-400 AM von Mazak und die Lasertec DED von DMG MORI beispielsweise können sowohl 3D-Druck als auch CNC-Fräsen durchführen.

Wird der 3D-Druck andere Fertigungsverfahren ersetzen?

Analysten spekulieren schon lange darüber, ob der 3D-Druck andere Fertigungsprozesse überflüssig machen könnte, darunter:

Maschinenbearbeitung

Molding

Casting

Trotz der Bemühungen der Hersteller von AM-Hardware, den 3D-Druck als durchgängige Produktionstechnologie zu positionieren (siehe beispielsweise die Industrie 4.0-Initiative von EOS), bleibt der 3D-Druck in der Praxis auf bestimmte Fertigungsaufgaben beschränkt, insbesondere auf die Kleinserienfertigung aus bestimmten Materialien.

Der 3D-Druck hat andere Verfahren in einigen Bereichen längst überholt. So wird beispielsweise das Rapid Prototyping mit kostengünstigen Kunststoffen wie ABS mittlerweile vom 3D-Druck dominiert, da das Drucken von ABS günstiger ist als dessen maschinelle Bearbeitung. Auch als ideales Werkzeug zur Herstellung von Objekten wie patientenspezifischen Titan-Implantaten hat sich der 3D-Druck etabliert: Sowohl die Geschwindigkeit als auch die geometrische Flexibilität des 3D-Drucks sind in solchen speziellen Anwendungsfällen kaum zu übertreffen.

Dennoch sind Verfahren wie die CNC-Bearbeitung derzeit noch besser geeignet, um hochwertige Teile und Prototypen aus technischen Werkstoffen wie POM, PEI, PPS und PEEK herzustellen und eine deutlich bessere Oberflächengüte als der 3D-Druck zu erzielen. Darüber hinaus sind Verfahren wie das Spritzgießen für die Massenproduktion einfacher Kunststoffbauteile nach wie vor wesentlich schneller.

Darüber hinaus verzeichnet die additive Fertigung einige der bedeutendsten technologischen Fortschritte innerhalb der Fertigung – wodurch sie sich insgesamt einen größeren Stellenwert in der Fertigung sichern kann –, aber auch etabliertere Verfahren wie CNC und Spritzguss werden verfeinert, um Teile von höherer Qualität herzustellen.

Der 3D-Druck wird zwar weiterhin einen größeren Anteil der Arbeitsplätze im produzierenden Gewerbe einnehmen, aber er wird andere Technologien nicht vollständig ersetzen.

Wie sah der 3D-Druck vor 10 Jahren aus?

Vor zehn Jahren bereitete sich die noch junge 3D-Druckindustrie auf das vor, was sie für eine 3D-Druckrevolution hielt: einen 3D-Drucker in jedem Haushalt, der es Familien ermöglichen würde, neue Objekte, die sie benötigen könnten, selbst auszudrucken, wie zum Beispiel ein Ersatzteil für ihren Kühlschrank, ein neues Spielzeug für ihre Kinder oder sogar Komponenten zum Bau eines zweiten 3D-Druckers.

Um 2012–2014 vermarkteten FDM-3D-Druckerhersteller wie MakerBot ihre Geräte aggressiv auf dem Endverbrauchermarkt und versuchten, die breite Masse davon zu überzeugen, dass ein 3D-Drucker ihr Privat- und Berufsleben verbessern könnte. Es war jedoch offensichtlich, dass diese Unternehmen den Neuheitsfaktor des 3D-Drucks ausnutzen wollten und ihre Produkte wenig praktischen Nutzen hatten. Eine Pressemitteilung von MakerBot aus dem Jahr 2012 scheint dies zu belegen: „Erstellen Sie ein komplettes Schachspiel per Knopfdruck. Freunde, Klassenkameraden, Kollegen und Familie werden Ihre Kreationen sehen und staunen!“

Nur wenige Jahre später war diese sogenannte 3D-Druckrevolution offensichtlich gescheitert, und viele 3D-Druckerhersteller begannen, ihre Ziele neu auszurichten und sich vom Konsumentenbereich auf den professionellen und industriellen Markt zu verlagern, wo es konkretere (und lukrativere) Anwendungsmöglichkeiten für additive Technologien gab.

Darüber hinaus begannen Unternehmen wie 3D Systems und Stratasys, die bereits im professionellen und industriellen Bereich tätig waren, die Idee des 3D-Drucks als Prototyping-Technologie aufzubrechen und ihn stattdessen als praktikables Werkzeug für die Massenproduktion zu positionieren (was für die 3D-Druckindustrie natürlich lukrativer sein könnte, da von den Herstellern erwartet würde, ganze Fabriken mit 3D-Druckern auszustatten, 3D-Drucker-Management-Software zu kaufen und 3D-Druckberater einzustellen).

Wie wird der 3D-Druck in 10 Jahren aussehen?

Die Unternehmen der 3D-Druckbranche haben die Vision, einen 3D-Drucker in jedem Haushalt zu installieren, vorerst aufgegeben. In zehn Jahren dürfte jedoch mit einer größeren Anzahl von Fabriken gerechnet werden, in denen additive Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen.

Obwohl 3D-Druck heute unter Normalbürgern weniger Gesprächsthema ist als noch im Jahr 2012, gewinnt die Technologie in der professionellen und industriellen Welt weiterhin an Bedeutung.

Laut einem aktuellen Bericht des Marktforschungsunternehmens 3DPBM Research wird der Markt für additive Fertigung von Metallen von 1.6 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 auf 30 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 anwachsen. Dies ist vor allem auf die Neupositionierung der additiven Fertigung als Produktionswerkzeug und die Entwicklung leistungsfähigerer technischer Werkstoffe zurückzuführen. (Dennoch wird der 3D-Druck in vielen Branchen ein wertvolles Werkzeug für die Prototypenerstellung bleiben, und auch Prototypenanwendungen werden von technologischen Verbesserungen profitieren.)

Doch nicht nur die additive Fertigung von Metallen verzeichnet ein Wachstum. Technologien wie Multi Jet Fusion von HP haben neue Möglichkeiten im Kunststoffdruck eröffnet, während innovative Unternehmen wie Carbon neuartige Hochgeschwindigkeitsverfahren im Bereich der Photopolymerisation entwickelt haben. Nischenbereiche wie 3D-Biodruck und Mikro-3D-Druck leisten ebenfalls regelmäßig Pionierarbeit, und auch der 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen (z. B. Endlos-Kohlenstofffaser-3D-Druck) ist auf dem Vormarsch: IDTechEX prognostiziert, dass der Markt für 3D-Druck mit Verbundwerkstoffen bis 2030 ein Volumen von 1.7 Milliarden US-Dollar erreichen wird.

Kurz gesagt, wird der 3D-Druck nach und nach in vielen Disziplinen zu einem ernstzunehmenden Konkurrenten anderer Fertigungsverfahren werden.

Wie entwickelt sich der 3D-Druck in China?

Obwohl China nur wenige namhafte 3D-Druckerhersteller vorweisen kann – UnionTech (SLA), Farsoon (DMLS, SLS), Shining 3D (FDM, DLP) und Creality (FDM, DLP, SLA) gehören zu den bekannteren Namen –, ist China und die Asien-Pazifik-Region einer der am schnellsten wachsenden Märkte für 3D-Druck, was sich auch in der breiten Akzeptanz widerspiegelt (teilweise dank staatlicher Anreize).

Derzeit konzentriert sich die additive Fertigung in China auf Shanghai, Xi’an, Guangdong (wo 3ERP seinen Hauptsitz hat) und die Bohai-Region, zu der Tianjin, Hebei, Liaoning und Shandong gehören. Einige große westliche Unternehmen der additiven Fertigung wie 3D Systems, Stratasys und EOS unterhalten Niederlassungen in Shanghai.

Obwohl die Produktion chinesischer 3D-Drucker von FDM- und Harztechnologien dominiert wird, ist etwa die Hälfte der in China verkauften Drucker für den industriellen Einsatz bestimmt (und nicht für den persönlichen oder den gewerblichen Einsatz in kleinem Maßstab).

Im Oktober 2020 stellte das Marktforschungsunternehmen CONTEXT fest, dass sich der chinesische 3D-Druckmarkt angesichts der Pandemie als weitaus widerstandsfähiger erwiesen hatte als andere Märkte und eine wichtige Rolle bei der Erholung des globalen 3D-Druckmarktes spielte.

Wie kann man 3D-Druckdienstleistungen auslagern?

Investitionen in 3D-Druckhardware und -software sind nicht für alle Unternehmen geeignet, und viele erfolgreiche Unternehmen lagern ihre 3D-Druckanforderungen an Dritte aus, z. B. an Online-3D-Druckdienstleister (für einmalige Projekte) oder an Prototyping- und Fertigungspartner wie 3ERP (für einmalige Projekte oder Folgeaufträge).

Bei der Auslagerung von 3D-Druckdienstleistungen ist es wichtig zu überlegen, ob Ihr Unternehmen Design- und Produktionsdienstleistungen oder nur Produktionsdienstleistungen benötigt. (Bedenken Sie, dass ein schlecht erstelltes 3D-Modell möglicherweise nicht erfolgreich gedruckt werden kann.)

Generell ist die Bestellung von 3D-gedruckten Teilen bei Drittanbietern einfacher denn je. Viele Hersteller können den 3D-Druck bereits mit einem digitalen 3D-Modell starten. Für größere Projekte ist jedoch oft auch eine technische Zeichnung erforderlich, um zusätzliche Informationen wie Materialien, Farben und Toleranzen zu vermitteln. Einige 3D-Druckdienstleister (darunter 3ERP) beraten Sie gerne zu geeigneten 3D-Drucktechnologien und Materialien für Ihr Projekt.

Informieren Sie sich über unser gesamtes Angebot an 3D-Druckdienstleistungen , einschließlich der verfügbaren Technologien und Materialien, oder fordern Sie ein Angebot für Ihr 3D-Druckprojekt an.