3D-Druck. Auswirkungen auf Fertigungsabwicklung und Logistik

Inhaltsverzeichnis

1 3D-Druck - die dritte industrielle Revolution?

2 Verfahren und Grundlagen der Technologie des 3D-Drucks
2.1 Sinter- oder Pulverdruckverfahren
2.2 Verfahren mit flüssigen Materialien
2.3 Stereolithografie

3 Heutige Auswirkungen des 3D-Drucks in der Fertigungsabwicklung und Logistik
3.1 3D-Druck im Prototypbau
3.2 Einfluss auf die Fertigungsabwicklung der dentalen und oralen Industrie
3.3 Rapid Manufacturing - Kleinserien für komplexe und hochwertige Bauteile

4 Zukünftige Auswirkungen des 3D-Drucks
4.1 Auswirkungen auf die Logistik
4.1.1 Veränderungen in der Lagerlogistik
4.1.2 Veränderungen der Supply Chains von Unternehmen
4.2 Auswirkungen auf die Fertigungsabwicklung
4.2.1 Veränderungen der eingesetzten Materialien
4.2.2 Kundenspezifische Produktpaletten und Produktionsvielfalt
4.2.3 3D-Drucker für jedermann

5 Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Umweltbilanz von Fertigung und Logistik

6 Grenzen des 3D-Drucks

7 Die Zukunft mit 3D-Druck: 4D-Druck und mehr

Quellenverzeichnis

1 3D-Druck - die dritte industrielle Revolution?

Mit der ersten industriellen Revolution kamen nicht nur auf die Industrie extreme Änderungen zu, sondern auch auf das tägliche Leben der Menschen. Die Erfindung der Dampfmaschine führte zu einer riesigen Welle neuer mechanischer Erfindungen, von denen jeder Einzelne profitieren konnte. Mit der zweiten industriellen Revolution und der Einführung des Fließbands änderte sich die Fertigung in Fabriken grundlegend. Die nun mögliche Massenproduktion führte unter anderem zu dem Wohlstand der heutigen Industrienationen.

Nun sprechen Medien von einer dritten industriellen Revolution − dem 3D-Druck. Eine Technologie, die seit den 80er Jahren existiert und seitdem Schritt für Schritt Bestandteil unseres Lebens wurde, ohne dass viele es überhaupt mitbekamen. Der Markt für 3D-Druck (alle Produkte und Dienstleistungen) stieg 2012 auf 2,204 Milliarden US-Dollar und hatte ein Marktwachstum von 28,6 %. Die Prognosen Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Fertigungsabwicklung und Logistik sagen einen Anstieg des Marktvolumens auf etwa 4 Milliarden im Jahr 2015 und etwa 6 Milliarden im Jahr 2017 voraus. [WOHL13]

Doch reichen diese immensen Wachstumsraten aus, um von einer industriellen Revolution sprechen zu können? Dazu braucht es einiges mehr. Die Technologie muss nicht nur in der gesamten Industrie verbreitet sein, sondern diese auch grundlegend verändern. Außerdem müssen diese Veränderungen auch das tägliche Leben des Einzelnen beeinflussen.

In dieser Arbeit werden die Verfahren des 3D-Drucks beschreiben und dessen Auswirkungen auf die Fertigungsabwicklung und Logistik untersucht. Da viel Potential des 3D-Drucks noch in der Entwicklung steckt, werden diese Aus- wirkungen in der heutigen Zeit, aber auch für die zukünftigen Jahre betrachtet. Dabei werden immer wieder Konsequenzen für die Industrie, aber auch für das alltägliche Leben ersichtlich. Die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Umweltbilanz spielt dabei für die Industrie eine wichtige Rolle, gerade heute, da immer mehr politische Entscheidungen getroffen werden, um den Klimaschutz voranzutreiben. Im Endeffekt ist allerdings die Umwelt und damit die Menschheit am meisten durch Veränderungen der Umweltbilanz der Industrie betroffen. Natürlich werden auch Grenzen der Technologie des 3D-Drucks betrachtet, bevor abschließend ein Ausblick auf die Relevanz des 3D-Drucks für Unternehmen in der Zukunft erfolgt.

2 Verfahren und Grundlagen der Technologie des 3D-Drucks

Die Anfänge des 3D-Drucks liegen in den 80er-Jahren. Die stetige Verbesserung von CAD-Programmen lieferte zu dieser Zeit die nötige Software zum Erstellen von 3D- Modellen für die Industrie. Auf Grundlage dessen entwickelte die Firma 3D Systems im Jahr 1987 den ersten kommerziellen 3D-Drucker. Dieses Gerät arbeitete mit dem Verfahren der Stereolithografie, einem 3D-Druck mit flüssigen Materialien. In den folgenden Jahren entstanden zahlreiche weitere Firmen, die sich in dieser Branche etablierten. So z. B. die deutsche Firma Electro Optical Systems (EOS), die ihren ersten 3D-Drucker 1990 entwickelte und heute zu den marktführenden Unternehmen zählt. Seit 1991 entstanden zudem immer weitere Methoden des 3D-Drucks.

[WOHL11, S. 1]

Anwendung fand die Technologie zu Beginn meist nur in der Erstellung von Modellen und Prototypen, was ihr wegen ihrer Schnelligkeit den Beinamen "Rapid Prototyping" brachte. Mit Hilfe von verbesserter Software und Technik entwickelten sich im Laufe der Zeit etwa 15 unterschiedliche Verfahren, die in der heutigen Industrie Anwendung finden. Das Grundprinzip aller dieser Verfahren ist jedoch immer das gleiche. Um ein Objekt mit einem 3D-Drucker herstellen zu können, wird zunächst ein dreidimensionales CAD-Modell benötigt. Dabei ist es wichtig, dass die gesamte Oberfläche des Objekts erfasst wird. Das Standardformat solcher CAD- Modelle ist dabei STL (Surface Tesselation Language oder Standard Triangualtion Language), welches das Objekt in diverse Dreiecksflächen umwandelt. Um gekrümmte Flächen darzustellen, ist dabei eine Vielzahl von Dreiecken nötig, da sonst Unstetigkeiten und Abweichungen auftreten können. Dies erhöht allerdings die Datenmenge drastisch, sodass in der Praxis ein Mittelmaß für Genauigkeit und Datenmenge gefunden werden muss. Ist die Genauigkeit der Dreiecke dabei höher als die Genauigkeit des 3D-Druckers, sind Abweichungen später nicht sichtbar. Durch das sogenannte Slicing wird das Modell anschließend in einzelne horizontale Scheiben geschnitten, wodurch es dem 3D-Drucker möglich ist, das Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Die Vorgehensweise dabei unterscheidet sich dann durch das jeweilige Verfahren. [FAST12, S. 7-13]

Prinzipiell lassen sich die unterschiedlichen Verfahren des 3D-Drucks in drei Kategorien einteilen. Dabei liegt das Unterscheidungsattribut in der Art der verwendeten Materialien beim Druck. Die Kategorien sind: das Sinter- oder Pulverdruckverfahren, das Druckverfahren mit flüssigen Materialien und das Verfahren der Stereolithografie. Im Folgenden werden jeweils die einige wichtige Vertreter der Kategorien kurz vorgestellt, um einen Überblick über die Herstellungs- möglichkeiten zu erhalten.

2.1 Sinter- oder Pulverdruckverfahren

Der 3D-Druck mit Gipspulver ist ein Pulverdruckverfahren bei dem ein flüssiges Bindemittel eingesetzt wird, um einzelne Pulverkörner schichtweise zu kristallisieren und dadurch das Objekt aufzubauen. Schicht für Schicht wird dabei Pulver aufgetragen und mit Bindemittel, das mit Hilfe von Druckköpfen auch farbig aufgetragen werden kann, verklebt. Das nicht verklebte Pulver wird nach Fertigstellung entfernt und kann wiederverwendet werden. Da das gedruckte Objekt sehr spröde ist, wird es nach dem Druck mit einer Art Kleber imprägniert. Auch nach dieser Behandlung ist das Objekt jedoch noch recht empfindlich und leicht zu zerbrechen. Vorteil dieser Methode ist, dass auch schwierige Formen einfach hergestellt werden können, solange das Pulver hinterher entfernbar ist, da das Pulver die Konstruktion beim Drucken stützt. [FAST12, S. 117-118]

Das selektive Lasersintern (SLS) ist ein Sinterdruckverfahren, bei dem die Pulverkörner nicht verklebt, sondern durch Laser miteinander verschmolzen werden (sintern). Dafür sind beim Druck Temperaturen nahe den Schmelzpunkten der verwendeten Materialien nötig. Dies kann zu Verformungen bei der Abkühlung des Objektes führen. Wie auch im Gipsdruckverfahren, lassen sich hierbei schwierige Formen herstellen, allerdings weisen Objekte dieses Verfahrens eine deutlich höhere Belastbarkeit auf. Entstandene Poren können mit Hilfe von Überzügen durch Metalle oder Harz zu glatten Oberflächen umgewandelt werden, sodass dieses Verfahren auch für Endprodukte geeignet ist. Wird das Material nicht gesintert, sondern geschmolzen, so spricht man vom selektiven Laserschmelzen. Dies führt zu einer porenfreien Oberfläche, reduziert aber die Festigkeit des Objekts durch entstehende Kristalle an den Schichtgrenzen. [FAST12, S. 118-199]

Zusammenfassend hat der 3D-Druck im Sinter- oder Pulverdruckverfahren den Vorteil, dass keinerlei Stützkonstruktionen benötigt werden, welche später wieder entfernt werden müssen. Die Vielfalt der einsetzbaren Materialien ist groß, sie müssen allerdings in Pulverform vorliegen. Solange das benutzte Pulver in irgendeiner Form entfernt werden kann, bringen schwierige Formen nur wenige Probleme mit sich. Dementsprechend fallen auch sehr wenige Abfallstoffe beim Druck an. Der Nachteil dieser Verfahren ist, dass die Auflösung des Objekts durch die Feinheit des verwendeten Pulvers beschränkt ist und deshalb oft eine Nachbehandlung nötig ist. Außerdem ist die Stabilität des gedruckten Objekts beim Pulverdruckverfahren eher gering, während Objekte beim Sinterverfahren bei Abkühlung ihre Größe verkleinern.

2.2 Verfahren mit flüssigen Materialien

Bei dem Fused Deposition Modeling (FDM) wird schmelzfähiger Kunststoff erhitzt und Schicht für Schicht auf den bereits gehärteten Kunststoff aufgetragen. Für schwierige Formen kann dabei eine Stützkonstruktion nötig sein. Die gedruckten Objekte sind relativ stabil, wenn auch weniger als bei Spritzgießverfahren. Außerdem ist die Qualität der Oberfläche recht niedrig und die einzelnen Schichten sind deutlich erkennbar. [FAST12, S. 120]

Bei dem Multi-Jet Modeling wird das flüssige Material durch Druckköpfe aufgetragen und mit Hilfe von UV-Licht polymerisiert und gefestigt. Auch bei diesem Verfahren kann der Einsatz von Stützkonstruktionen notwendig sein. Die Qualität der Oberfläche ist bei diesem Verfahren sehr hoch. Die Druckauflösung ist sehr gut und auch kleinste Details können dargestellt werden. [FAST12, S. 121] Verfahren mit flüssigen Materialien führen zu einer sehr hohen Genauigkeit des gedruckten Objekts. Der Einsatz von Stützkonstruktionen ist jedoch meist nötig, was zu Abfall und der Notwendigkeit der Nachbearbeitung führt. Als Material wird fast ausschließlich Kunststoff eingesetzt. Das FDM-Verfahren hat zwar eine geringere Oberflächenqualität als beispielsweise das Multi-Jet Modeling, zählt aber zu den kostengünstigeren 3D-Druck-Verfahren. [FAST12, S. 120-121]

2.3 Stereolithografie

Bei der Stereolithografie wird Kunststoff Schicht für Schicht in einem Bad aus Basismonomeren des verwendeten Kunststoffs aufgetragen und mit einem Laser ausgehärtet. Dabei müssen Stützkonstruktionen am Objekt angebracht werden, damit dieses im Bad nicht schwimmt. Diese müssen anschließend wieder entfernt werden. Außerdem sind die gedruckten Objekte wenig belastbar. Die Qualität der Oberfläche und der Details hingegen ist sehr gut. Allerdings sind die Kosten des Verfahrens teilweise extrem hoch. [FAST12, S. 121-122]

Das Film Transfer Imaging Verfahren (FTI) ist der Stereolithografie sehr ähnlich, dabei wird ein lichtempfindlicher, flüssiger Kunststoff mit Hilfe einer Transportfolie auf eine Plattform aufgetragen. Dieser Kunststoff wird dann mittels eines Beamers durch Belichtung gehärtet und löst sich dabei von der Folie ab. Das unbelichtete Material bleibt an der Folie haften und wird mit dieser wieder entfernt. Die Qualität der Oberfläche und der Auflösung ist dabei sehr gut. Der Bau solcher Drucker ist weniger komplex, allerdings entsteht beim Druck recht viel Abfall. Ein recht ähnliches Verfahren ist das Digital Light Processing, dieses wird allerdings auch in einem Bad durchgeführt. [FAST12, S. 122-123]

Das Verfahren der Stereolithografie war das erste 3D-Druck-Verfahren und bietet somit den größten Erfahrungsreichtum. Der Genauigkeitsgrad ist meist sehr hoch, dies gilt allerdings auch für die entstehenden Kosten beim Druck.

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