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3D-Druck im industriellen Maßstab

Druck mir die Welt

Unbemerkt von der öffentlichen Debatte um Zukunftstechnologien hat sich eine Szenerie etabliert, die  3D-Drucken im industriellen Maßstab betreibt. Flexibler und kostengünstiger als herkömmliche Verfahren. Möglichkeiten der additiven Fertigung.

Autor Thomas Edelmann

Man kann Zukunft beschwören oder sie sich schön ausmalen, was in Branchen wie der Auto- bis Büromöbelindustrie regelmäßig und mit visionärer Kraft geschieht. Und man kann sich mehr oder weniger pragmatisch auf das Absehbare und Bevorstehende einstellen. Etwa auf die Zukunft der industriellen Fertigung. Mit einiger Sicherheit bringt sie nicht nur zunehmende Digitalisierung mit sich, sondern zum Beispiel 3D-Druck-Techniken.

Das Zauberwort der Branche heißt „Additive Fertigung“, was nicht nur den schichtweisen Aufbau von Materie in unterschiedlichen Verfahren zu stabilen Bauteilen beschreibt, sondern eben auch den Übergang von der kleinteiligen Bastlerszene zu einem professionellen Maßstab.

3D-Druck: aus den Testlabors in die Werkhallen

Kürzlich berichtete das Handelsblatt, der 3D-Druck habe es „aus den Testlabors in die Werkhallen“ geschafft und entwickle sich zum „Jobmotor“. Auch der klassische Maschinenbau habe das Thema für sich entdeckt, was Investments von Unternehmen wie Trumpf belegen. „Die Techniken des 3D-Drucks“, sagt etwa Claudia Jordan, Sprecherin von EOS in Varel, „bringen für alle Vorteile, aber noch haben nicht alle sie für sich entdeckt.“ Noch dienen 3D-gedruckte Objekte oftmals als Prototypen oder werden als Vorstufe zum Formenbau für den Kunststoffspritzguss gebraucht. Längst sind 3D-Drucker auch in Produktionsprozesse eingebunden, etwa wenn es um Fertigung von Kleinserien geht.

In Architektur und Bauwesen spielen Forschungsprojekte und Versuchsbauten derzeit eine große Rolle, um neue Fertigungsmethoden auf digitaler Basis zu erproben. Im Schweizerischen Düben entsteht in Kombination verschiedener Techniken das dreistöckige „DFAB House“, konzipiert und begleitet von Professoren der ETH Zürich, ganze Geschossdecken sollen dabei 3D-gedruckt werden.

Interessant ist, dass ausgerechnet die Bearbeitung von Innenausbauten und Oberflächen nach wie vor von Hand erfolgt.

Am anderen Ende der Skala sind es beispielsweise miniaturisierte Bauteile in Kleinauflagen, die die Relevanz digitaler und womöglich dezentraler Produktionsweisen derzeit verändern. Zumindest als Ergänzung zu Spritzguss und Frästechniken, beginnt sich der 3D-Druck dort zu etablieren. Auch die Fertigung von spezifischen Ersatzteilen nicht mehr aktueller Baureihen wird derzeit etwa bei BMW, aber auch bei der Deutschen Bahn zum 3D-Projekt. Was Zulieferer längst nicht mehr im Programm haben, wie Kopfstützen älterer ICE-Baureihen, entsteht hier bereits in additiver Fertigung. Zudem entfallen Lagerkosten für Formbauteile, künftig müssen digitale Datensätze archiviert werden.

Was geht? Wer kann was?

Die Spannbreite der Akteure ist groß, ebenso sind es ihre Angebotspalette und Vorzeigeprojekte. Viele bieten ein Komplettangebot, das Systeme, Software, die pulver- oder strangförmigen Materialien sowie Dienstleistungen umfasst. So bietet EOS Systeme für die additive Fertigung mit Kunststoffen wie auch mit Metallen, Voxeljet hat mit dem Modell VX4000 den derzeit weltgrößten industriellen 3D-Drucker im Programm, sein Bauraum ist 4 x 2 x 1 m groß, was die Fertigung entsprechend großer Objekte ermöglicht, BigRep, ein Start-up aus Berlin, an dem sich inzwischen Stahlhändler Klöckner und Maschinenbauer Körber beteiligen, bietet mit seinem Modell „XXL“ einen etwa ein Kubikmeter großen Bauraum.

Nicht nur Unternehmen, deren Gründungsjahr im 21. Jahrhundert liegt, sind in der „Additiven Fertigung“ aktiv, auch solche mit Erfahrung bei traditionellen Drucktechniken, wie HP, haben die Bedeutung der dritten Dimension entdeckt und steuern eigene Techniken wie etwa den HP Fusion Jet 3D bei. Die Rentabilitätsschwelle steigt damit. Großvolumige 3D-Produktionen in Stückzahlen bis zu 110 000 Teilen werden damit konkurrenzfähig gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren.

Gegenüber anderen 3D-Druckmethoden sind die Druckkosten bei HP nach eigenen Angaben besonders günstig: Sie liegen um 65 Prozent darunter. So ist HP als Produktionspartner dabei, wenn es um Teile geht, mit denen der neueste Mini individualisiert werden kann. Dabei können dreidimensional geformte Abdeckungen und Anbauteile für innen und außen mit dem eigenen Namen versehen werden. Mit wenigen Handgriffen kann sich der Kunde die bei Mini individuell per 3D-Druck gefertigten Teile selbst ans Fahrzeug anbringen.

Reif für die Serienproduktion?

Wie die nahe Zukunft der Zukunftstechnologie aussehen könnte, macht Christoph Lindner, Sales Manager Deutschland 3D-Druck von HP, deutlich. Neben der Vergrößerung der Bauräume gebe es den „Trend zu einem größeren Portfolio an Werkstoffen. Feste, hochtemperaturbeständige und flexible Werkstoffe spielen eine größere Rolle.“ HP unterstützt diese Entwicklung mit einer offenen Plattform für Materialanbieter, die Nutzern die größtmögliche Varianz anbietet. „Hinzu kommen leitfähige Werkstoffe, die Strom und Wärme übertragen können.

In weiterer Zukunft wird es um intelligente Bauteile aus dem Drucker gehen, die eine bestimmte Funktion mitbringen.“ Während viele Branchen die Vorteile für sich bereits erkannt haben und nutzen, von der Medizintechnik bis zur Luftfahrt, beschränken sich Design und Innenarchitektur bislang vorwiegend auf Prototypenbau und produktionsvorbereitende Abläufe.

So lieferte die Ausstellung „Mutation – Création – Imprimer le monde“ im vergangenen Jahr im Pariser Centre Pompidou zwar viele höchst anregende Beispiel für 3D-gedruckte Unikate und Prototypen, Akteure aus Design und Architektur wie Joris Laarman, dei Brüder Ronan und Erwan Bouroullec, Michael Hansmeyer und Benjamin Dillenburger (beteiligt am „DFAB House“), Achim Menges oder Gilles Retsin und Manuel Jiménez Garcia lieferten beeindruckende Exponate.

Doch der Sprung in die Serienproduktion von 3D-Objekten ist bislang ausgeblieben. Auch die beeindruckenden Referenzen der System- und Serviceanbieter haben in puncto Design meist eher Kleinigkeiten wie 3D-gedruckte Leuchten vorzuweisen. Womöglich steht der auf Innovation geeichten Design- und Inneneinrichtungsbranche die Entdeckung einer neuen Produktionswelt noch bevor.

Wie bei anderen technologischen Sprüngen ist wohl auch ein gestalterischer Wandel nötig, um passende ästhetische Lösungen für den 3D-Druck zu erproben und weiterzuentwickeln. Die organisch geformten, selbst tragenden Objekte, die heute als Vorzeigestücke gelten, operieren oft mit einem Formenrepertoire, das bei Gaudí und dem Jugendstil entlehnt scheint. Die Möglichkeit, Freiformen einzusetzen, dient als Selbstzweck. Womöglich präsentiert sich der Fortschritt also zunächst in historischem Gewand?

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3D Printing on an industrial scale

Print the world

A scenario involving 3D printing on an industrial scale has established itself while going unnoticed in the public debate about future technologies. More flexible and cost-effective than conventional procedures. Opportunities of additive production.

Author: Thomas Edelmann

You can evoke the future or have great visions of it and this is quite common in industries, such as the automotive or office furniture sector, regularly driven by an immense visionary force. And we can all prepare for what is predictable and lies in the near future by applying individual amounts of pragmatism. For instance the future of industrial production. There is significant certainty that it will not only entail increasing levels of digitalization, but for instance also 3D printing methods.

The keyword within the industry is “additive production”, a term that not only describes building up materials layer by layer as part of different procedures to form sturdy components, but also the transition from the enthusiasts’ scene dominated by low volumes to operations on a professional scale.

Handelsblatt recently reported that 3D printing had made it “from test laboratories to production facilities” and was developing into a “job creator”. Traditional engineering has also discovered the sector, a trend underlined by investments by companies including Trumpf. According to Claudia Jordan, EOS spokesperson in Varel, “3D printing methods bring about benefits for everyone, yet not everyone has discovered them yet.” To date 3D prints often serve as prototypes or represent the stage preceding mould making for plastic injection moulding processes. By now 3D printers have also been integrated into production processes, for instance within the context of low volume series production.

Test structures are currently playing an important role in architecture and the construction industry to test new production methods on a digital basis. A combination of different technologies is resulting in the three-storey “DFAB House” in the Swiss town of Düben, designed and accompanied by professors at ETH Zurich, as part of which entire ceilings for individual floors are planned to be 3D printed. The interesting element in this context is that, of all things, interior structures and surfaces are still processed by hand.

The other side of the scale includes elements, such as very small components produced at low volumes that are currently changing the relevance of digital and potentially local production methods. 3D printing is starting to represent an addition to injection moulding and milling methods in this context. BMW and Deutsche Bahn (national German railways) are currently applying 3D printing methods to produce specific spare parts for components in outdated model series. Components suppliers have long since discontinued, such as headrests of older high speed train model series are already manufactured as part of additive production. What’s more is that no warehousing costs are incurred for moulds as in future companies are forced to keep digital data records in their archives.

What is feasible? Who can produce what?

Operators’ versatility is vast, as is their range and their flagship projects. Many offer a comprehensive range involving systems, software, powder or strand-shaped materials as well as services. Consequently EOS offers systems for additive production using plastic materials as well as metals, Voxeljet boasts the VX4000 model, the currently largest, industrial 3D printer with a design space of 4 x 2 x 1 m to enable the production of correspondingly large items and BigRep, a start-up from Berlin in which steel merchants Klöckner and mechanical engineering company Körber meanwhile own shares, provides a design space of around one cubic meter with its “XXL” model.

However, not just companies established in the 21st century operate in additive production, companies with experience in traditional printing technologies, such as HP, have also identified the significance of the third dimension and contribute with their own technologies like the HP Fusion Jet 3D. This raises the profitability threshold. As a consequence, large-volume 3D printing with production quantities up to 110,000 parts are able to compete with traditional production methods.

Compared with other 3D printing methods the printing costs at HP are particularly low (according to data from HP): 65 percent lower. Consequently HP has been selected as the production partner within the context of parts to add individual character to the most recent MINI. In this process, it is possible to add your own name to 3D printed covers and attachments on the inside and outside of the vehicle. It takes only a few steps for customers to install individual, 3D printed MINI parts in the vehicle themselves.

Christoph Lindner, Sales Manager for 3D printing at HP Germany illustrates the immediate future of this futuristic technology. Apart from increasing the design space there is also a “trend to more ample material portfolios. Solid, highly temperature-resistant and flexible materials are becoming increasingly more significant.” HP is fostering this development with an open platform for material providers that offer users the largest possible range of variants. “Conductive materials able to conduct electrical power and heat are also added to the range. In the more distant future printers will produce intelligent components offering a certain function.” While many industries, from medical to aerospace companies, have already discovered and are benefiting from the advantages, design and interior design are currently mainly focusing on prototype construction as well as procedures to prepare production.

Series production?

The “Mutation – Création – Imprimer le monde” exhibition held last year at the Centre Pompidou in Paris included plenty of very inspiring examples for 3D-printed one-offs and prototypes and artists as well as designers, such as Joris Laarman, Ronan and Erwan Bouroullec, Michael Hansmeyer as well as Benjamin Dillenburger (owns shares in “DFAB House”), Achim Menges, or Gilles Retsin and Manuel Jiménez Garcia provided impressive exhibits. However, 3D items have up to now failed to make the transition to series production. In terms of design impressive references by system and service providers mostly involve low-volume products, such as 3D-printed lamps.

It may well be that the design and interior design sector, where innovation always plays a major role, can still look forward to the discovery of new production worlds. As is the case with other technological leaps it probably also takes a design change to test and evolve the matching aesthetic solutions for 3D printing. Organically shaped, self-supporting items seen as today‘s showcases frequently apply a design language that borrows elements from Gaudí and art nouveau design. The option to apply free forms serves as an end in itself. Perhaps progress will in future present itself initially in a historic guise?

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