Obwohl der Wirbel um additive Fertigungsverfahren bereits vor mehr als drei Jahrzehnten mit der Geburt des weltweit ersten 3D-Druckers von Charles W. Hull begann, sorgte dieses Thema bis vor wenigen Jahren noch kaum für Gesprächsbedarf in den Medien. Damals wurde ausschließlich eine Revolution in den Branchen der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik und der Medizin erwartet. Daher waren Wissenschaftler aus aller Welt umso überraschter und erfreulicher gestimmt, als diese Innovation in den vergangenen Jahren eine einschlägige Wende durchlebte. Aktuelle Studien des Bundesverbandes für Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. besagen, dass bereits 87 Prozent der deutschen Bundesbürger (in etwa 61 Millionen im Alter ab 14 Jahren) schon einmal von 3D-Druck gelesen oder gehört haben, wobei 18 Prozent behaupten, bereits einen 3D-Druck angefertigt zu haben oder anfertigen haben zu lassen. Außerdem können sich 55 Prozent vorstellen, diese Technologie auch in Zukunft zu nutzen, wohingegen 25 Prozent keinerlei Interesse dafür hegen. Zukunftsweisend ist vor allem die Erkenntnis, dass sich laut dieser Studie neun von zehn Deutschen die Durchsetzung von 3D-Druckern in privaten Haushalten vorstellen können.
Bereits heute können in der Lebensmittelindustrie beachtliche Ergebnisse mithilfe von additiven Fertigungsverfahren erzielt werden, wie aktuelle Beispiele aus der Praxis in der folgenden Analyse darstellen werden. Schon im September 2015 gelang es dem Team des Start-ups Print2Taste GmbH, ein maßstabsgetreues Modell des Schlosses ‚Neuschwanstein’ aus Marzipan zu drucken. Die rapide Entwicklung in der Lebensmittelindustrie erhielt im April des vergangenen Jahresdurch ein Ereignis, welches vor einigen Jahren noch als undenkbar schien, seine Bestätigung: Auf der 3D Food Printing Conference 2016 im spanischen Venlo stellte das Team der niederländischen Firma 3D By Flow das weltweit erste Pop-Up-Restaurant mit dem Namen Food Ink. vor, in dem Lebensmittel aus einem 3D-Drucker serviert wurden.
Der 3D-Druck wird in der Literatur und Forschung häufig mit den Begriffen Rapid Prototyping und Additive Manufacturing oder dem deutschen Synonym Additive Fertigung in Verbindung gebracht und gliedert sich in das Spektrum der generativen Fertigungsverfahren, die auf rechnerinternen Datenmodellen basiert, ein.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Literaturrückblick
3. Theoretischer Hintergrund
4. Analyse
4.1 Die wichtigsten 3D-Druckverfahren im Überblick
4.1.1 Fused Deposition Modeling (FDM)
4.1.2 Stereolithografie (STL)
4.1.3 Selective Laser Sintering (SLS)
4.2 Anwendung des 3D-Drucks auf die Massenproduktion
4.3 3D-Druck im Rahmen der Spezialisierung
4.4 Aktuelle Beispiele aus der Praxis
5. Diskussion und Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht, inwieweit der Einsatz von 3D-Druckern in der Lebensmittelindustrie unter Berücksichtigung ökonomischer Prinzipien sinnvoll ist. Im Fokus steht dabei die Differenzierung zwischen Massenproduktion und Spezialisierung, um die Tauglichkeit verschiedener 3D-Druckverfahren für diese Anwendungsgebiete kritisch zu bewerten.
- Grundlagen additiver Fertigungsverfahren
- Differenzierung zwischen Massenproduktion (MP) und Spezialisierung (SP)
- Analyse und Vergleich gängiger 3D-Druckverfahren (FDM, STL, SLS)
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des 3D-Lebensmitteldrucks
- Praxisbeispiele und aktuelle Anwendungsfelder
Auszug aus dem Buch
4.1.1 Fused Deposition Modeling (FDM)
Das FDM wird auch als Schmelzschicht-Verfahren bezeichnet und ist zudem unter dem Namen Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt (Hagl, 2015, S. 25). Es wird zu den Verfahren mit Abscheidungsprozessen gezählt und funktioniert nur unter Einsatz von Materialien, die bei Erhitzung ihren Aggregatzustand ändern und infolgedessen verformbar werden.
Die Funktionsweise des FDM kann laut Sommer et al. (2016, S. 21) mit einer Heißklebepistole verglichen werden, bei welcher ein klebriger Kunststoff mithilfe einer beheizten Düse verflüssigt und anschließend herausgepresst wird. Beim 3D-Druck mittels des FDM dient die Düse allerdings nicht dem Kleben, sondern dem schichtweisen Aufbau eines Modells. Hierzu wird im ersten Schritt das Druckmaterial über eine Zufuhr (z.B. Schläuche, Behältnisse oder Patronen) eingeschleust und in die beheizte Düse, den sogenannten „Extruder“, gepresst. Oftmals werden auch zwei separate Düsen, eine für das Hauptmaterial und eine für das Stützmaterial, verwendet. Letzteres dient zur Herstellung einer Stützkonstruktion bei der Produktion von Objekten mit überhängenden Bauteilen, um das Abbrechen beziehungsweise Wegbrechen des Hauptmaterials zu verhindern. Besagte Stützkonstruktion kann am Ende des Druckvorgangs, nach der Aushärtung und Abkühlung des Produktes, rückstandslos entfernt werden (Leupold und Glossner, 2016, S. 35).
Bei diesem Verfahren erfolgt die Produktion eines Objekts durch die vorher mittels einer 3D-CAD-Zeichnung programmierte Bewegung des Druckkopfes in X- und Y-Richtung. Sobald die erste Schicht gefertigt wurde, existieren zwei Möglichkeiten, die weiteren Schichten des Objekts zu drucken: (i) die Anhebung des „Extruders“ oder, die in der Regel häufiger benutzte Möglichkeit (ii), das Senken der Druckplatte in Z-Richtung mithilfe eines eingebauten Motors (Sommer et al., 2016, S. 22).
Beispiele für die bisherige Nutzung dieses Verfahrens im Hinblick auf die Lebensmittelindustrie sind der Druck von masseartigen Werkstoffen, wie beispielsweise Käse, Fleischwaren und Marzipan, aber auch verflüssigter Schokolade.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Thematik der additiven Fertigung und Problemstellung der Arbeit mit Fokus auf die Lebensmittelindustrie.
2. Literaturrückblick: Übersicht über die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie und deren Anwendung in verschiedenen Branchen wie Automobilbau und Medizin.
3. Theoretischer Hintergrund: Definition und Abgrenzung der Begriffe Massenproduktion (MP) und Spezialisierung (SP) sowie logistische Grundlagen.
4. Analyse: Detaillierte Betrachtung und technische Erläuterung der 3D-Druckverfahren sowie deren Anwendungspotenzial in der Lebensmittelbranche.
5. Diskussion und Zusammenfassung: Synthese der Ergebnisse zur wirtschaftlichen Sinnhaftigkeit des 3D-Drucks in der Lebensmittelindustrie und Fazit.
Schlüsselwörter
3D-Druck, Additive Fertigung, Lebensmittelindustrie, FDM-Verfahren, Stereolithografie, Selective Laser Sintering, Massenproduktion, Spezialisierung, Rapid Prototyping, Wirtschaftlichkeit, additive Fertigungsverfahren, 3D-Lebensmitteldruck, Technologieanalyse, Fertigungsprozesse, Innovation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit dem Einsatz von 3D-Druckern in der Lebensmittelindustrie und prüft, ob diese Technologie unter ökonomischen Gesichtspunkten eine sinnvolle Ergänzung oder Alternative zu bestehenden Produktionsmethoden darstellt.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Themen sind die technischen Grundlagen der additiven Fertigung, die Differenzierung zwischen Massenproduktion und Spezialisierung sowie die ökonomische Analyse dieser Verfahren spezifisch für Lebensmittel.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die Forschungsfrage zu beantworten, ob der Einsatz von 3D-Druckern in der Lebensmittelindustrie unter Einsatz von ökonomischen Prinzipien heute bereits sinnvoll ist oder zukünftig sein könnte.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt eine hermeneutische Vorgehensweise, basierend auf einer Analyse des aktuellen Forschungsstandes sowie einer Fallbetrachtung aus der Praxis.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Vorstellung der wichtigsten 3D-Druckverfahren (FDM, STL, SLS), die theoretische Abgrenzung von Produktionsarten sowie die Analyse ihrer Tauglichkeit für Lebensmittelanwendungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird primär durch Begriffe wie Additive Fertigung, 3D-Lebensmitteldruck, Massenproduktion, Spezialisierung und wirtschaftliche Effizienz charakterisiert.
Welche Rolle spielt das FDM-Verfahren in der Lebensmittelbranche?
Das FDM-Verfahren ist derzeit das relevanteste Verfahren für die Lebensmittelindustrie, da es masseartige Stoffe wie Schokolade, Käse oder Marzipan durch Schichtaufbau in spezifische Formen bringen kann.
Warum ist die Massenproduktion von Lebensmitteln mittels 3D-Druck derzeit schwierig?
Aktuell scheitert die Massenproduktion an der zu geringen Fertigungsgeschwindigkeit und den hohen Kosten für Druckmaterialien, die im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungswegen noch nicht wirtschaftlich konkurrenzfähig sind.
- Arbeit zitieren
- Ricardo Escoda (Autor:in), 2017, 3D-Druck in der Lebensmittelindustrie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/438279
