Additive Fertigung: Revolution in 3D

3D-Drucker haben eine neue industrielle Revolution in Gang gesetzt. Firmen können komplexe Bauteile einfacher und kostengünstiger als bisher herstellen. Gleichzeitig ermöglicht das Verfahren neue Möglichkeiten im Leichtbau. Automobilhersteller, die Formel 1 und viele weitere Branchen bedienen sich dieser Technologie. In der Luftfahrt werden sogar ganze Triebwerksteile und Rumpfsegmente ausgedruckt.

© Wolfram Scholl

Revolution 3D-Druck

Drucker für dreidimensionale Objekte haben sich nahezu unbemerkt in unseren Alltag geschlichen. Noch vor wenigen Jahren waren diese 3D-Drucker selten und vergleichsweise teuer, doch zwischenzeitlich sind die Preise gesunken und die Technik hat sich etabliert. Mit etwas Geschick lassen sich sogar im privaten Bereich dreidimensionale Objekte am Computer entwerfen und ausdrucken – perfekt, um zum Beispiel kleine, schwer erhältliche Ersatzteile für den Haushalt selbst zu machen. Die eigentliche Revolution spielt sich aber in der Industrie ab, wo Firmen ihre Fertigung auf ein neues Level heben können.


Schicht für Schicht zum fertigen Objekt

3D-Druck ist ein additives Verfahren. Im englischen Sprachgebrauch ist oft die Rede von Additive-Layer Manufacturing (ALM). Schicht für Schicht wird Material bis zum fertigen Objekt aufeinandergeschichtet. Entweder wird Kunststoff durch eine beheizbare Düse gepresst oder es kommt ein Laser zum Einsatz, der zum Beispiel Metallpulver schichtweise durch Hitze in Form bringt. Grundlage sind CAD-Modelle aus dem Computer. Die Vorteile dieser Drucktechnik sind vielfältig. Mit ihr lassen sich neue Strukturen verwirklichen, die mit herkömmlichen Methoden – also dem Fräsen aus einem Materialblock oder dem Gussverfahren – nicht realisierbar wären. 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten im Leichtbau, spart Kosten und eröffnet den Ingenieuren neue Wege beim Design ihrer Produkte. Erste Anläufe in Richtung 3D-Druck gab es bereits in den frühen 1980er Jahren.


3D Drucker während des Druckprozesses

3D-Druck spart sowohl Produktions- als auch Betriebskosten, z.B. Kerosineinsparungen durch leichtere Fluggeräte - © iStock.com/BLACKDAY

 

Autohersteller drucken Ersatzteile

„Wir haben mit dem 3D-Druck-Verfahren ganz neue Möglichkeiten, Geometrien zu erzeugen, die wir bisher konventionell nicht herstellen konnten“, sagte Roland Malek von Volkswagen AG bereits im Jahr 2014 zu einem damals in der Erprobung befindlichen Metall-Druckverfahren. Zwischenzeitlich hat sich die Technologie weiter durchgesetzt. Bisher war sie in erster Linie dem Bau von Prototypen und Einzelstücken vorbehalten, doch beispielsweise Volkswagen und Daimler möchten Ersatzteile für ältere Fahrzeuge im 3D-Druck in Serie herstellen.

Auch das VW-Tochterunternehmen Audi macht sich den 3D-Druck zunutze. Dort ging es bis vor kurzem um eine ganz besondere Anwendung, denn der Autohersteller plante nicht weniger als den Sprung zum Mond. Mit dem Audi Quattro Lunar, traten die Ingolstädter im Rennen um den Google Lunar XPRIZE an. „Ein Preisgeld von 30 Millionen Dollar erwartet den Ersten, der es schafft, mit einem Auto auf diesem feindseligen Terrain eine Entfernung von 500 Metern zurückzulegen, dort hochauflösende Fotos zu machen und zur Erde zu schicken“, berichtet die Die Welt in March 2017. Für den Bau dieses Mondfahrzeugs kam ein 3D-Drucker zum Einsatz. Ein 400 Watt starker Laser erschuf die vier Räder, bestehend aus einer Al-Si10MgSr-Legierung, in 0,05 Millimeter dünnen Schichten. 3000 Euro kostet so ein High-Tech-Rad, dessen Herstellung eineinhalb Tage dauert. Dafür ist das Rad so leicht, dass sich der Preis angesichts hoher Transportkosten ins All schnell relativiert. Obwohl am Ende keiner der Teilnehmer den Aufbruch zum Mond gewagt hat und der Wettbewerb eingestellt wurde, wurden neue Erkenntnisse in Sachen Leichtbau und 3D-Druck gewonnen.

Auch im Rennsport, wo es auf niedriges Gewicht und hohe Präzision ankommt, hat die additive Fertigungstechnik Einzug gehalten. Der Formel-1-Rennstall Sauber arbeitet bereits seit mehr als zehn Jahren mit 3D-Druck in Kunststoff. Jetzt gibt es am Standort Hinwil in der Schweiz einen technologischen Sprung nach vorn. Zusammen mit dem niederländischen Partnerunternehmen Additive Manufacturing erfolgte Ende vergangenen Jahres der Einstieg in den 3D-Druck mit metallischen Werkstoffen.


Neue Möglichkeiten in der Luftfahrt

Für unser Kalenderblatt im April war Fotograf Wolfram Schroll zu Gast im Airbus-Werk im britischen Filton, wo sich alles um die Flügel verschiedener Airbus-Modelle dreht. Der Konzern meldete im September 2017, dass erstmals ein Titanbauteil aus dem 3D-Drucker in die Serienfertigung Einzug hält. Dabei handelt es sich um eine Verbindung von Flügel und Triebwerk im A350XWB. Im Rahmen des Forschungsprojekts DEFACTO hat indes der französische Airbus-Zulieferer Stelia Aerospace ein etwa ein Quadratmeter großes Rumpfpanel aus Aluminium im 3D-Druckverfahren hergestellt.

Auch der Triebwerkshersteller GE Aviation nutzt die Vorteile additiver Teilefertigung. In der neuen Propellerturbine Catalyst wurden auf diese Weise 855 Einzelteile auf 12 reduziert, was Gewicht und Treibstoffverbrauch senkt. Die Kraftstoffdüse beispielsweise besteht nur aus einem einzigen statt aus 20 Teilen. Das Triebwerk wird in der Nähe von Prag in Tschechien hergestellt und soll Cessnas geplante Single-Turboprop Denali antreiben.


3D-Druck sorgt für Schub in vielen Branchen

Für den exportorientierten deutschen Maschinenbau hat der Trend zum 3D-Druck neue Geschäftsfelder eröffnet. Die Wirtschaftswoche bescheinigt der heimischen Industrie in diesem Segment einen mehrjährigen Vorsprung gegenüber dem globalen Wettbewerb. Das Fraunhofer-Institut beschäftigt sich im Rahmen eines vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekts damit, wie man mit 3D-Druck die Dächer von Straßenbahnen um bis zu 30 Prozent leichter bauen kann – immerhin benötigt jeder Beschleunigungsvorgang der schweren Bahnen kostbare Energie. Siemens Mobility besitzt eine eigene Abteilung, die Ersatzteile für Züge im 3D-Druck „on demand“ anfertigt.

Die neuen Verfahren verändern auch die Berufswelt. So gibt es bereits „Applikationsingenieur für die Additive Fertigung“ oder "Geprüften Industrietechniker in der Fachrichtung Additive Fertigung" als Ausbildungswege.

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