Die Bachelorarbeit befasst sich mit dem Einsatz additiver Fertigungsmethoden in Industrie und Baubranche.
Neben der Darstellung verschiedener Methoden, Eigenschaften und Einsatzbereiche, wird besonders auf die Potentiale eingegangen, die diese Technologie mit sich bringt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einsatz der 3D-Betondruck-Technologie in der Baubranche, wodurch folglich auf die Potentiale spezifischer eingegangen und mit konventionellen Bauverfahren verglichen wird.
Ziel der Arbeit ist es, die bereits etablierte Technik des 3D-Drucks in der Industrie auf die Baubranche zu projizieren, um herauszufinden, welche Mehrwerte in der praktischen Ausführung auch im Baugewerbe anzusetzen sind und ob additive Fertigungsmethoden eine Alternative zu herkömmlichen Baumethoden darstellen.
Die Ergebnisse der Arbeit werden durch ein Experteninterview untermauert und geben Ausblick auf einen zukünftig sehr wahrscheinlichen Einsatz additiver Fertigungsverfahren in der Baubranche.
Inhaltsverzeichnis
Abstract
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweise
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Definition additive Fertigung
2.2 Anwendungsfälle der additiven Fertigung
2.3 Historie der additiven Fertigung
2.4 Prozessabläufe bei der additiven Fertigung
2.5 Aktueller Stand
2.6 Entwicklungsziel
3 Additive Fertigung in der Industrie
3.1 Methoden
3.1.1 Laser-Stereolithografie und Polymerisation (SL)
3.1.2 Lasersintern und Laserschmelzen (LS)
3.1.3 Layer Laminated Manufactoring (LLM)
3.1.4 3D-Drucken (3DP)
3.1.5 Fused Layer Manufactoring (FLM)
3.2 Einsatzbereiche in der Industrie
3.3 Potentiale der additiven Fertigung
3.3.1 Kosten
3.3.2 Konstruktionsfreiheit
3.3.3 Nachhaltigkeit
3.3.4 Flexibilität
3.3.5 Dezentrale Fertigung
4 Additive Fertigung in der Baubranche
4.1 Methoden
4.1.1 Verfahren basierend auf Extrusion
4.1.2 Selektives Binden
4.1.3 Alternative schichtweise Betonablageverfahren
4.2 Materialeigenschaften
4.3 Bewehrung
4.4 Building Information Modeling (BIM)
4.5 Stand in der Praxis
4.6 Potentiale der additiven Fertigung im Vergleich zu konventionellen Bauverfahren
4.6.1 Kosten
4.6.2 Produktivität
4.6.3 Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz
4.6.4 Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit
4.6.5 Gestaltung und Konstruktion von Bauteilen
4.6.6 Entgegenwirken des Fachkräftemangels
5 Empirische Forschung
5.1 Definition des Expertenbegriffs
5.2 Expertenbestimmung
5.3 Leitfaden
5.3.1 Interviewleitfaden
5.4 Durchführung Interview
5.5 Auswertung Interview
5.5.1 Themenbereich 1: aktueller Stand
5.5.2 Themenbereich 2: Vergleich zu konventionellem Bau
5.5.3 Themenbereich 3: Ausblick Zukunft
6 Fazit
7 Anhang
7.1 Beantworteter Fragebogen
8 Literaturverzeichnis
Abstract
Die vorliegende Bachelorarbeit befasst sich mit dem Einsatz additiver Fertigungsmethoden in Industrie und Baubranche. Neben der Darstellung verschiedener Methoden, Eigenschaften und Einsatzbereichen, wird besonders auf die Potentiale eingegangen, die diese Technologie mit sich bringt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einsatz der 3D-Betondruck-Technologie in der Baubranche, wodurch folglich auf die Potentiale spezifischer eingegangen und mit konventionellen Bauverfahren verglichen wird. Ziel der Arbeit ist es, die bereits etablierte Technik des 3D-Drucks in der Industrie auf die Baubranche zu projizieren, um herauszufinden, welche Mehrwerte in der praktischen Ausführung auch im Baugewerbe anzusetzen sind und ob additive Fertigungsmethoden eine Alternative zu herkömmlichen Baumethoden darstellen.
Die Ergebnisse der Arbeit werden durch ein Experteninterview untermauert und geben Ausblick auf einen zukünftig sehr wahrscheinlichen Einsatz additiver Fertigungsverfahren in der Baubranche.
Abkürzungsverzeichnis
3D: Dreidimensional
3DP: 3D-Printing (3D-Drucken)
ABP: Autobetonpumpe
AM: Additive Manufacturing
BBSR: Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung
BCG: Boston Consulting Group
BGK: Baustellengemeinkosten
BIM: Building Information Modeling
Bspw.: Beispielsweise
Bzw.: Beziehungsweise
CAD: Computer Aided Design
CAM: Computer Aided Manufacturing
CC: Counter Crafting
CNC: Computerized Numerical Control
CONPrint3D: Concrete ON-site 3D-Printing
CP: Concrete Printing
DGUV: deutsche gesetzliche Unfallversicherung
DM: Direct Manufacturing
EKT: Einzelkosten der Teilleistung
Etc.: et cetera
FLM: Fused Layer Manufacturing
Ggf.: gegebenenfalls
HOAI: Honorarordnung für Architekten und Ingenieure
KS: Kalksandstein
LLM: Layer Laminated Manufacturing
LS: Lasersintern bzw. Laserschmelzen
RP: Rapid Prototyping
RR: Rapid Repair
RT: Rapid Tooling
SC3DP: Shortcrete-3D-Printing
SCA: Selective Cement Activation
SL: (Laser-)Stereolithografie und Polymerisation
SPI: Selective Paste Intrusion
TGA: Technische Gebäude Ausrüstung
Usw.: und so weiter
VDI: Verband deutscher Ingenieure
z.B.: Zum Beispiel
ZiE: Zulassung im Einzelfall
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Anwendungsbereiche der additiven Fertigung
Abbildung 2: Prozessablauf bei der additiven Fertigung
Abbildung 3: Anteil an Unternehmen die Endprodukte mit der AM-Technologie herstellen
Abbildung 4: globale AM-Marktgröße und deren prognostizierte Entwicklung
Abbildung 5: Übersicht der AM-Prozesse
Abbildung 6: Prozessschema der Polymerisation
Abbildung 7: Prozessschema des Fused Layer Manufacturing
Abbildung 8: AM-Anwendung und Zukunftspläne nach Branche
Abbildung 9: Stückkostenverlauf bei AM zu konventionellen Fertigungsverfahren
Abbildung 10: „Complexity for free” bei Nutzung der additiven Fertigung
Abbildung 11: Produktionsprinzip extrudierender Verfahren
Abbildung 12: Rendering einer CC-Anwendung
Abbildung 13: Längsschnitt einer im CC-Verfahren hergestellten Wand
Abbildung 14: „Wonder Bench“
Abbildung 15: Darstellung des CONPrint3D-Varfahren durch den Einsatz einer ABP
Abbildung 16: Funktionsprinzip selektiv bindender Verfahren
Abbildung 17: D-Shape Drucksystem
Abbildung 18: SC3DP-Drucker im Bauprozess
Abbildung 19: links: Vibrationsdruckkopf; rechts: das fertig gedruckte Gebäude
Abbildung 20: Variantenbetrachtung Kostenaufwand Referenzgebäude
Abbildung 21: Variantenbetrachtung Zeitaufwand Referenzbauwerk
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
Während sich die meisten Branchen und Industriezweige mitten in dem Prozess des Digitalisierungsumbruchs befinden oder den Schritt in die Digitalisierung bereits vollzogen haben, findet dieser Prozess in der Baubranche immer noch sehr schleppend statt.
Zwar werden mittlerweile Planung, Bauprozessmanagement und Abnahmen durch ausgewählte Software sinnvoll unterstützt, allerdings werden die Gebäude nach wie vor mit den konventionellen zeit-, personal- und kapitalintensiven Methoden errichtet. Geplante Gebäude können dreidimensional auf Tablets dargestellt, der Baufortschritt digital für alle Projektteilnehmer in einer Cloud gespeichert und Baumängel unmittelbar fotodokumentiert werden, doch an der Ausführung ändert diese digitale Umstellung nichts. Eine Methode, welche die digitalisierte Planung automatisiert in der Ausführung umsetzen kann, fehlt bislang in der Branche.
Die additive Fertigungstechnik bietet hierbei eine potenzielle Lösung dieses Problems. Bereits seit einigen Jahren wird die Technologie in der Industrie erfolgreich für Komponenten, Werkzeuge und Fertigteile angewandt und bietet obendrein Potentiale, die herkömmliche Methoden nicht aufweisen können.
Da bereits seit einiger Zeit an der Integration der Technologie in die Baubranche geforscht wird, stehen einige additive Methoden kurz vor der Einbindung in die praktische Ausführung.
1.2 Zielsetzung
Das Forschungsziel der Arbeit besteht darin, den Einsatz additiver Fertigungstechniken in der Industrie auf die Baubranche zu projizieren und dadurch die möglichen Potentiale der Technologie aufzuzeigen, die in der industriellen Nutzung bereits in der Praxis vorhanden sind. Weiterhin werden die Potentiale der Methode für die Baubranche kritisch den konventionellen Fertigungsmethoden gegenübergestellt, um zu analysieren, ob der Beton-3D-Druck zukünftig eine ernstzunehmende Alternative für die Errichtung von Gebäuden ist.
1.3 Vorgehensweise
Zu Anfangs werden die theoretischen Grundlagen bezüglich der additiven Fertigung definiert und erläutert, um eine Verständnisgrundlage der Arbeit zu schaffen. Anschließend werden die Anwendungsmöglichkeiten, Methoden und Potentiale additiver Fertigungstechnologien der Industrie und Baubranche dargestellt und mit herkömmlichen Methoden verglichen. Dies geschieht auf Basis vorhandener Bücher, Fachaufsätze sowie Studien zu diesem Thema.
Um die Aussichten der Integration additiver Fertigungstechnologien in die Baubranche zu erfassen und zu untersuchen, wurde abschließend ein Fragebogen mit mehreren Themenblöcken entworfen, welche von einem Experten bearbeitet wurden. Durch diese empirische Forschung soll die Berufserfahrung und die Erfahrung mit additiven Fertigungstechniken des Experten in eine Bewertung der Technologie einfließen und darstellen, in welchem Umfang sich die additive Fertigung in der Baubranche etablieren wird.
2 Theoretische Grundlagen
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der für diese Arbeit relevanten Technologie betrachtet und erläutert. Zunächst wird der Begriff der „Additiven Fertigung“ definiert, sowie der Stand der Technik und das Entwicklungsziel der Technologie zusammengefasst. Anschließend wird der Prozessablauf der additiven Fertigung beschrieben, welcher bei der Anwendung additiver Fertigung angewandt werden muss.
Das in diesem Kapitel vermittelte Wissen dient als Basis, um das Verständnis der weiteren Arbeit zu gewährleisten.
2.1 Definition additive Fertigung
Der Begriff „Additive Fertigung“ (auch „Additive Manufacturing“ kurz: AM) steht für Fertigungsverfahren, die im Gegensatz zu „konventionellen“ Verfahren wie z.B. Fräsen, Drehen oder Bohren, kein Material von einem Werkstück abtragen, sondern additiv auftragen. Ein dreidimensionales Objekt entsteht, indem das Material schichtweise aufgetragen und anschließend verhärtet wird. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird dieser Prozess auch als „3D-Druck“ bezeichnet.
Die DIN EN ISO/ASTM 52900 definiert den Begriff als „Prozess, der durch Verbinden von Material Bauteile aus 3-D-Modelldaten, im Gegensatz zu subtraktiven und umformenden Fertigungsmethoden, üblicherweise Schicht für Schicht, herstellt“.1
Technischer ausgedrückt definiert Lachmayer die additive Fertigung als Überbegriff für Technologien, die in x- und y-Richtung einzelne Schichten maschinell generieren und diese unter Verwendung einer z-Achse in der dritten Dimension miteinander verbinden.2
Abgeleitet aus der DIN 8580 zählt AM zu den Urformenden Fertigungsverfahren, da folgende Merkmale auf die Technologie zutreffen und dadurch andere Fertigungsverfahren ausschließt:
- die Technologie stellt Bauteile aus einem formlosen oder formneutralen Ausgangsmaterial her,
- der Aufbau des Materials erfolgt schichtweise bzw. additiv, was klar von subtraktiven und Umformenden Verfahren abzugrenzen ist,
- der Prozess erfolgt automatisiert, was ein handwerkliches Verfahren ausschließt.3
2.2 Anwendungsfälle der additiven Fertigung
Aus dem Überbegriff der additiven Fertigung lassen sich vier Verfahren ableiten, die auf einem gemeinsamen Funktionsprinzip basieren, sich jedoch hinsichtlich ihrer Merkmale differenzieren.4 Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird hierbei zwischen „Rapid Prototyping“ (RP), „Rapid Tooling“ (RT), „Direct Manufacturing“ (DM) und „Rapid Repair“ (RR) unterschieden.
Abbildung 1: Anwendungsbereiche der additiven Fertigung5
Die Literatur unterscheidet und definiert die Anwendungen wie folgt:
- Die Herstellung von Prototypen und Konzeptmodellen (Rapid Prototyping)
- Die Herstellung von Werkzeugen (Rapid Tooling)
- Die Fertigung von Endprodukten (Direct Manufacturing)
- Die Herstellung von Ersatzteilen und Erweiterungen (Rapid Repair)
Das Rapid Prototyping kommt überwiegend in der frühen Phase einer Produktentwicklung zum Einsatz. In dieser Phase werden Entwicklungsrelevante Informationen generiert, Designkonzepte erstellt und erste simple Modelle hergestellt, um die Eigenschaften des Produktes schon früh in der Entwicklung erkennen und absichern zu können.6 Das Rapid Prototyping gibt schon früh Aufschlüsse über das angestrebte Endprodukt, unterstützt sinnvoll bei der Fehlervermeidung und reduziert dadurch die Entwicklungszeit. Die VDI 3405 Blatt 4 definiert das Rapid Prototyping als „additive Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität, bei denen jedoch spezifische Merkmale ausreichend gut ausgeprägt sind“.7
Das Rapid Tooling dient zur Herstellung von Werkzeugen in kleinem Umfang, welche zur Serienproduktion beitragen können. Unterschieden wird hierbei zwischen dem direct tooling, bei dem Werkzeuge und Formen additiv gefertigt und für eine spezielle Nutzung verwendet werden und dem indirect tooling, bei dem die additiv gefertigten Teile bspw. als verlorene Form beim Gießen genutzt werden.8 Die VDI 3405 Blatt 4 definiert das Rapid Tooling als „Anwendung der additiven Methode und Verfahren auf den Bau von Endprodukten, die als Werkzeuge, Formen oder Formeinsätze verwendet werden“.9
Das Direct Manufacturing umfasst die direkte additive Herstellung von Endprodukten, die in der Serie eingesetzt werden können. Dieses Verfahren kommt allerdings fast ausschließlich bei Einzelfertigungen und Kleinserien zum Einsatz. Die VDI 3405 Blatt 4 definiert das Direct Manufacturing als „Additive Herstellung von Endprodukten“.10
Der letzte Anwendungsfall der additiven Fertigung, das Rapid Repair, dient nicht zur Entwicklung oder Herstellung, sondern der Reparatur bzw. Instandhaltung eines Produktes. Mit dieser Anwendung können Ersatzteile oder verschlissene Teile gezielt additiv gefertigt werden, was besonders bei komplexen Ersatzteilen wirtschaftlich sinnvoll ist. Die VDI 3405 Blatt 4 definiert das Rapid Repair als „Anwendung der additiven Methode und Verfahren für die Substituierung, Modifizierung und Ergänzung bestehender Komponenten.“11
2.3 Historie der additiven Fertigung
Bereits in den 1960er Jahren wurden am „Battelle Memorial Institute Columbus“ erfolgreich die ersten Versuche unternommen, flüssiges Harz mithilfe von Lichtenergie durch Laserstrahlen zu erhärten.12 Dennoch dauerte es über 20 Jahre, bis das erste kommerzielle System 1987 auf den Markt kam. Seither ist die Technologie des AM rasant gewachsen und neue Verfahren werden bis heute entwickelt. Da die Auswahl an Prozessen und Materialien anfänglich sehr begrenzt war, wurde das Verfahren primär für die Herstellung von Prototypen verwendet. Daraus entstand der Begriff „Rapid Prototyping“, bevor durch die industrielle Serientauglichkeit die Begriffe „Rapid Manufacturing“ und „Rapid Tooling“ entstanden. Im deutschsprachigen Raum wurde zunächst von „generativen Fertigungsverfahren gesprochen, wie die Technologie auch in der VDI-Richtlinie 3404 genannt wird, bevor auch die englischen Begriffe eingedeutscht wurden.13
Durch die vielen Vorteile und die neuen Möglichkeiten Bauteile zu generieren, wird oft von einer industriellen Revolution im Zusammenhang mit der additiven Fertigung gesprochen.
2.4 Prozessabläufe bei der additiven Fertigung
Trotz der Unterschiede, welche die verschiedenen additiven Fertigungsverfahren aufweisen, kann allgemein ein Prozessablauf beschrieben werden, welcher auf alle Verfahren gleichermaßen zutrifft. Im Folgenden wird dargelegt, wie dieser Prozess abläuft. Wie in Abbildung 2 visualisiert, wird der Prozess in die drei Schritte „Pre-Prozess“, „In-Prozess“ und „Post-Prozess“ unterteilt.14
Abbildung 2: Prozessablauf der additiven Fertigung15
Unter den „Pre-Prozess“ fallen die Daten- und Maschinenvorbereitungen. Um ein Bauteil additiv drucken zu können, muss dieses mittels einer CAD-Software (Computer Aided Design) oder eines 3D-Scanners digital erstellt werden. Das digitale 3D-Modell des Bauteils wird anschließend in eine für den 3D-Drucker lesbare Datei umgewandelt und eingespielt. Eine „Slicer-Software“ unterteilt das 3D-Modell in mehrere 2D-Schichten mit gleicher Schichtdicke auf. Diese 2D-Schichten werden bei dem Herstellungsprozess nach und nach übereinandergelegt, sodass das Endprodukt wieder die ursprüngliche 3D-Form aufweist. Neben den CAD-Daten, welche die Außengeometrie des Bauteils bestimmen, sind weitere Daten und Einstellungen, wie z.B. Füllmuster, Prozessparameter, Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit nötig, um ein einwandfreies Bauteil herstellen zu können.
Für die Vorbereitung der Maschine muss die Plattform, auf dem das Bauteil gedruckt werden soll, ausgerichtet werden und eventuelle Stützstrukturen eingebracht werden. Letztere werden benötigt, um das Bauteil in seiner Form zu halten, bis das Material erhärtet ist.
Der „In-Prozess“ beschreibt die eigentliche Bauteilgenerierung durch ein 3D-Druck-Verfahren, welche unter Abschnitt 3.1 „Methoden“ in dieser Arbeit weiter beschrieben werden.
Im letzten Schritt, dem „Post-Prozess “, wird das Bauteil entnommen, gereinigt und einer Nachbehandlung unterzogen. Das fertige Bauteil muss von der Plattform getrennt, von überschüssigem Material gereinigt und die Stützstrukturen müssen rückgebaut werden.16 Anschließend können im Rahmen der Nachbehandlung weitere Schritte durchgeführt werden, bspw. die Verbesserung der Oberflächenqualität oder die Verstärkung der inneren Spannung. Je nach Verfahrensart variiert der Zeit- und Kostenaufwand bei diesem letzten Schritt.
2.5 Aktueller Stand
Obwohl die Vorteile und Potentiale der additiven Fertigung schon vor einiger Zeit von den meisten Unternehmen in fast allen Industriezweigen erkannt und aus der zukünftigen industriellen Fertigung nicht mehr wegzudenken sind, befindet sich die Technologie noch immer größtenteils in der Entwicklungsphase. Zwar wächst der Anteil an additiv gefertigten Endprodukten stetig, doch der Fokus liegt meist noch im Bereich der Produktentwicklung, der Produktion von Klein- und Sonderserien und der Herstellung von Werkzeugen.17 Laut dem „3D-Printing-Report 2019“ nutzen nur ca. 18% von 900 befragten Unternehmen bisher die 3D-Druck-Technologie für Endprodukte und Komponenten.18
Dennoch ermöglicht der Einsatz additiver Fertigungsmethoden immer mehr die Umsetzung neuer Ideen und damit die Erweiterung der Produktpaletten der Unternehmen.19 So ist der Anteil an Unternehmen, welche die Technologie des AM eingesetzt haben, in den Jahren 2016 bis 2019 von 24% auf 65% gestiegen. Im gleichen Zeitraum hat sich der Anteil an Unternehmen mit intensiver Erfahrung in AM verdoppelt und bei dem Einstieg in die AM-Technologie sogar mehr als verdreifacht.20
In einzelnen Industriezweigen steht die Technologie bereits an der Schwelle zur Serienproduktion, oder hat diese überschritten. Beispielsweise fertigte BMW bereits im Jahr 2019 serienmäßig Fensterführungsschienen für eines ihrer Modelle.21
Ein besonderer Fokus liegt bei der Entwicklung unter anderem auf der Baubranche bzw. der Forschung bezüglich additiver Fertigung mit dem Werkstoff Beton, auf die im Verlauf dieser Arbeit besonders eingegangen wird.
2.6 Entwicklungsziel
Die fortlaufende Entwicklung der additiven Fertigung könnte einen Umbruch in vielen Industriezweigen darstellen. Die Möglichkeiten, die diese Technologie bietet, sind für weiteres wirtschaftlicheres Wachstum und unternehmerischen Erfolg vieler Unternehmen essenziell. Stetig werden neue AM-Technologien entwickelt, neue Materialien verarbeitet, Bauräume von Maschinen besser ausgelastet und eine bessere Qualität der Bauteile erreicht.22
Bereits im Jahr 2016 hat eine Umfrage mit über 900 teilnehmenden Unternehmen aus zwölf Ländern und neun Brachen ergeben, dass knapp ein Viertel die Technologie in ihrer strategischen Unternehmensausrichtung als wichtig erachten.23 Deutsche Unternehmen stachen bei dieser Umfrage mit 37% besonders hervor. Bei der gleichen Umfrage im Jahr 2019 waren es bereits 63% der deutschen Unternehmen.24
Wie in Abbildung 3 ersichtlich, erwartet im Jahr 2022 etwa jedes zweite Unternehmen in den USA, Deutschland und Südkorea Endprodukte mit einer 3D-Technologie herzustellen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Anteil an Unternehmen, die Endprodukte mit der AM-Technologie herstellen25
Laut einer Umfrage von der Wirtschaftsprüfungsgesellschaft „Ernst & Young“ und dem daraus resultiertem „3D-Printing-Report 2019“ wird dadurch der weltweite Markt für 3D-Druck-Produkte im Jahr 2023 auf ein Marktvolumen von 27,4 Milliarden Dollar (23,8 Mrd. Euro) anwachsen. (siehe Abbildung 4) „EY“ sieht den größten Nutzen von AM in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Konsumgüterindustrie und Chemieindustrie.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: globale AM-Marktgröße und deren prognostizierte Entwicklung in Mrd. USD26
Eine weitere Studie aus dem Jahr 2017 der „Boston Consulting Group“ (BCG), sieht den potenziellen Marktanteil der additiven Fertigung im Jahr 2035 gar bei 350 Milliarden Dollar, was in etwa 300 Milliarden Euro entspricht.27 (Stand: September 2021) BCG sieht den größten potenziellen Nutzen von AM in den Branchen Automotive, Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik.
3 Additive Fertigung in der Industrie
Die Anforderungen und die Relevanz von komplexen Bauteilen und Strukturen haben in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. Zudem spielt eine nachhaltige und wirtschaftliche Produktion bei gleichbleibender Qualität eine immer bedeutendere Rolle in der industriellen Fertigung. Um all diesen Anforderungen gewachsen zu sein, setzen immer mehr Industrieunternehmen auf den Einsatz additiver Fertigungsverfahren.
In diesem Kapitel wird der Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie beschrieben. Des Weiteren werden die Methoden und Einsatzbereiche aufgezeigt sowie die Vorteile der Technologie in diesem Wirtschaftszweig erläutert.
3.1 Methoden
In der Industrie kommen, je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften, eine Vielzahl verschiedener additiver Fertigungsmethoden zum Einsatz. Viele dieser Verfahren sind in ihrem Funktionsprinzip sehr ähnlich und unterscheiden sich lediglich darin, wie eine Schicht hergestellt wird, wie aufeinander folgende Schichten verbunden werden und welches Material verarbeitet wird.28
Grundsätzlich können allerdings alle Verfahren in vier Klassen unterteilt werden. Diese Kategorisierung der Klassen erfolgt nach Aggregatszustand sowie Form des zu verarbeitenden Materials und dessen Bindemechanismus:
- Pulver
- Strang
- Folie
- Flüssigkeit
Aus diesen vier Klassen werden folgende fünf AM-Überprozesse abgeleitet, die anschließend erläutert werden:
- Laser-Stereolithografie und Polymerisation (SL)
- Lasersintern und Laserschmelzen (LS)
- Layer Laminated Manufacturing (LLM)
- 3D-Drucken (3DP)
- Fused Layer Manufacturing (FLM)
Abbildung 5: Übersicht der AF-Methoden29
Aus diesen lassen sich wiederrum Unterprozesse ableiten, die sich in ihrer Wirkungsweise ähneln, sich jedoch durch einige kleine Merkmale unterscheiden. Auf die Unterprozesse wird in dieser Arbeit nicht eingegangen.
3.1.1 Laser-Stereolithografie und Polymerisation (SL)
Das Prinzip der Polymerisation beruht auf der selektiven Verfestigung eines flüssigen monomeren Harzes mittels ultravioletter Strahlung.30 Als Harz eignen sich hierbei bspw. Acryl- oder Epoxidharz, welches mit Mikrofasern oder geometrischen Körpern aus Glas, Kohlenstoff oder Aluminium angereichert werden kann, um die mechanischen Eigenschaften positiv zu beeinflussen.
Laser-Stereolithografie
Bei einer Variante der Polymerisation, der Laser-Stereolithografie, wird ein Becken mit dem flüssigen Harz befüllt, in dem sich eine in vertikaler Richtung bewegbare Plattform befindet, die als Druckbett fungiert. Anschließend wird mit einem UV-Laser die erste Schicht des Bauteils knapp unter der Oberfläche der Flüssigkeit abgefahren. An der Stelle, an dem der Laser das Harz trifft, erhärtet sich dieses. Nachdem die erste Schicht erhärtet ist, fährt die Plattform ein Stück nach unten, sodass sich darüber wieder das flüssige Harz sammeln kann und der UV-Laser fährt die Kontur des Bauteils erneut ab, um eine weitere feste Schicht zu erzeugen. Der Prozess wiederholt sich so lange, bis das Bauteil fertig ist. Nach dem Bauvorgang wird das Bauteil im „Post-Prozess“ in einer UV-Kammer vollständig ausgehärtet. Der gesamte Prozess ist zur Veranschaulichung in Abbildung 6 grafisch dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Prozessschema der Polymerisation31
Polymer-Druckverfahren
Bei einer anderen Methode der Polymerisation, dem Polymer-Druckverfahren bzw. Polymer Jetting, wird ein monomeres Material über einen Druckkopf auf eine Bauplattform aufgebracht.32 Bei dem Verfahren wird ein flüssiger, lichtempfindlicher Kunststoff auf die Plattform aufgetragen und direkt mit am Druckkopf befestigten Hochleistungs-UV-Lampen beleuchtet. Dadurch härtet das Material sofort aus und behält seine gedruckte Form.
3.1.2 Lasersintern und Laserschmelzen (LS)
Bei der Methode des (selektiven) Lasersintern ist der Ausgangsstoff pulverförmig. Dieses kann mit Zusätzen wie Kohlenstoff, Metallpartikeln oder Kohlenstoffasern versehen werden, um bestimmte optische oder mechanische Eigenschaften sowie die Haptik anzupassen.33 Das Pulver wird, ähnlich wie bei der Laser-Stereolithografie, auf einer vertikal beweglichen Plattform aufgetragen. Nachdem die erste Schicht Pulver, mit den Konturen des zu fertigenden Bauteils, auf der Plattform aufgetragen wurde, fährt ein Laser diese Kontur ab und schmilzt dieses ein. Dadurch verbinden sich die Pulverpartikel miteinander und es entsteht ein zusammenhängendes Konstrukt. Nach der ersten Schicht wird die Plattform um eine Schichtdicke abgesenkt und der Prozess wiederholt sich, bis das Bauteil fertig ist.
Der Unterschied zwischen (selektiven) Laserschmelzen und (selektiven) Lasersintern ist der Aufbau der Kabine, in der das Bauteil gefertigt wird. Beim Lasersintern erwärmt eine Heizung das Pulver in der Kabine bis kurz vor dem Schmelzpunkt vor, um die Laserleistung zu reduzieren. Beim Lasersintern kann auf diese Heizeinrichtung verzichtet werden.
3.1.3 Layer Laminated Manufactoring (LLM)
Das Funktionsprinzip des Layer Laminated Manufacturing basiert auf einer sehr einfachen Technik. Folien aus Papier, Keramik, Kunststoff oder Aluminium werden auf eine bereits vorhandene Schicht aufgetragen und so zu einem Objekt verbunden.34 Um eine haftende Wirkung zwischen den Schichten zu erzielen, werden diese geklebt, gelötet, geschweißt oder mit Ultraschall behandelt. Anschließend wird das „zusammengeklebte“ Bauteil auf die gewünschte Form geschnitten. Dies kann mittels eines Messers, einem Laser oder mit einem heißen Draht erfolgen. Dieser Prozessschritt wiederholt sich so lange, bis das Bauteil seine endgültige Form erhalten hat.
3.1.4 3D-Drucken (3DP)
Ein 3D-Drucker ähnelt sehr einem konventionellem 2D-Tintenstrahldrucker, nur dass über den Druckkopf keine Tinte, sondern ein flüssiges Bindemittel aufgetragen wird. Beim 3D-Druckverfahren ist das Ausgangsmaterial wie beim Laserschmelzen oder Lasersintern pulverförmig. Allerdings wird dieses nicht mittels hoher Temperaturen geschmolzen, sondern geklebt. Eine weitere Gemeinsamkeit der beiden Methoden ist das mit dem Ausgangsmaterial befüllte Becken. Das Becken bei der 3D-Druck-Methode ist allerdings nicht mit flüssigem Harz, sondern mit einem pulverförmigen Material, wie Gips, Keramik, Kunststoffpulver oder Glas, gefüllt.
Das Bindemittel wird mit dem Druckkopf, entsprechend der gewünschten Konturen des Bauteils, auf die oberste Pulverschicht in dem Becken aufgetragen und verklebt diese zu einer festen Schicht. Anschließend wird das Becken um eine Schichtdicke des Bauteils abgesenkt und die bereits verklebte Schicht wird mit neuem Pulver überlagert. Anschließend wird die nun frische Pulverschicht abermals mit dem flüssigem Binder verklebt. So entsteht Schicht für Schicht das am Computer konstruierte Bauteil.
Nach dem eigentlichen Druckvorgang kann das fertige Bauteil mit Wachs oder Epoxidharz überzogen werden, um dessen Eigenschaften bezüglich seiner Festigkeit und Oberflächenqualität zu verbessern.
3.1.5 Fused Layer Manufactoring (FLM)
Das Prinzip des Fused Layer Manufacturing ist vergleichbar mit dem einer handelsüblichen Heißklebepistole. Ein vorgefertigtes thermoplastisches Material wird in Düsen aufgeschmolzen und als Strang auf eine Plattform extrudiert.35
Ein Objekt entsteht Schicht für Schicht, in dem ein Strang auf den vorgehenden aufgetragen wird, sobald dieser abgekühlt ist.
Da mit dieser Methode, je nach Farbe des Materials, auch bunte Objekte hergestellt werden können, wird diese Methode in privaten Haushalten vermehrt genutzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Prozessschema des Fused Layer Manufacturing36
3.2 Einsatzbereiche in der Industrie
Der Mehrwert der additiven Fertigungstechnologie ist inzwischen allgemein bekannt und die Entwicklung der verschiedenen Anwendungen ist zur Serienreife vorangeschritten. Daher ist der Einsatz dieser Technologie in den meisten Wirtschaftsbranchen die logische Konsequenz. Wie in Abbildung 8 dargestellt, wenden in der Chemie- und Konsumgüterindustrie, sowie in der Luft- und Raumfahrt bereits über 75% der Unternehmen eine additive Fertigungsmethode an. Dieser Anteil wird in diesen Branchen in den nächsten Jahren sogar bis auf 100% anwachsen.
Auch in vielen anderen Branchen liegt der Anwendungsanteil bereits jenseits der 50% und wird in allen Fällen die 75%-Marke überschreiten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: AM-Anwendung und Zukunftspläne nach Branche (Stand: 2019)37
Im Folgenden werden einige Anwendungen verschiedener Branchen beispielhaft aufgezeigt, um darzustellen, wie essenziell die AM-Anwendung in der modernen Wirtschaft und Industrie geworden ist.
Medizintechnik
In der Medizintechnik hat sich die additive Fertigung bereits erfolgreich am Markt etabliert. Dies resultiert aus der Möglichkeit der enormen Individualisierungsmöglichkeiten, die AM mit sich bringt. Viele Produkte, die für die Medizintechnik hergestellt werden, müssen individuell an den Patienten angepasst werden, was in der Vergangenheit mit einem großen Aufwand verbunden war. Heutzutage können Prothesen, Schablonen, Schienen, Implantate und Provisorien präzise auf die Bedürfnisse eines Patienten mit einem 3D-Drucker hergestellt werden. Bspw. wurden in den USA bereits 2017 ca. 90% der Hörgeräteschalen additiv hergestellt.38
Gegenwärtig wird ebenfalls an einer Methode des „3D-Bioprinting geforscht. Mit diesem Verfahren soll es ermöglicht werden, menschliches Gewebe zu drucken, womit zukünftig künstlich erzeugte Organe hergestellt werden könnten.
[...]
1 Vgl. DIN EN ISO ASTM 52900
2 Vgl. Lachmayer; Lippert; Fahlbusch, 2016, S.6
3 Vgl. Klahn et al, 2018, S.11
4 Vgl. Lachmayer; Lippert; Fahlbusch, 2016, S.8
5 Vgl. Eigene Darstellung
6 Vgl. Lachmayer; Rettschlag; Kaierle, 2021, S. 3
7 Vgl. VDI 3405, 2014, Blatt 4
8 Vgl. Lachmayer; Rettschlag; Kaierle, 2021, S. 3
9 Vgl. VDI 3405, 2014, Blatt 4
10 Vgl. VDI 3405, 2014, Blatt 4
11 Vgl. VDI 3405, 2014, Blatt 4
12 Vgl. Krause, 2021, S.11
13 Vgl. Klahn et al., 2018, S. 13
14 Vgl. Lachmayer; Lippert, 2020, S. 9 ff.
15 Eigene Darstellung
16 Vgl. Lachmayer; Lippert, 2020, S. 11
17 Vgl. Gebhardt; Kessler; Thurn, 2016, S. 101 ff.
18 Vgl. EY, 2019, S. 15
19 Vgl. Gebhardt; Kessler; Thurn, 2016, S. 101 ff.
20 Vgl. EY, 2019, S. 7
21 Vgl. Gebhardt; Kessler; Schwarz, 2019, S. 51
22 Vgl. Gebhardt; Kessler; Schwarz, 2019, S. 51
23 Vgl. Gebhardt; Kessler; Schwarz, 2019, S. 6
24 Vgl. EY, 2019, S. 4
25 Eigene Darstellung, angelehnt an EY, 2019, S. 6
26 Eigene Darstellung, angelehnt an EY, 2019, S. 14
27 Vgl. Küpper et al., 2017, URL 1
28 Vgl. Gebhardt; Kessler; Thurn, 2016, S. 37
29 Eigene Darstellung
30 Vgl. Gebhardt; Kessler; Schwarz, 2019, S. 52
31 Vgl. Gebhardt; Kessler; Schwarz, 2019, S. 54
32 Vgl. Gebhardt; Kessler; Schwarz, 2019, S. 55
33 Vgl. Lachmayer; Lippert; Fahlbusch, 2016, S. 21
34 Vgl. Fastermann, 2014, S. 39 ff.
35 Vgl. Gebhardt; Kessler; Thurn, 2016, S. 51
36 Vgl. Eigene Darstellung
37 Eigene Darstellung, angelehnt an EY, 2019, S. 5
38 Vgl. Küpper et al., 2017, URL 1
- Arbeit zitieren
- Jan Finneiß (Autor:in), 2021, Potentiale der additiven Fertigung in Industrie und Baubranche, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1265388
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