Additive Fertigung

Andreas Mühlbauer,

Neue Materialien für realistische 3D-Modelle

Die Einführung der additiven Fertigung nimmt immer schneller zu. Die globalen Gesamtinvestitionen für den 3D-Druck werden im Jahr 2018 voraussichtlich die 12-Milliarden-Dollar-Marke übersteigen1, wobei die Fertigungsindustrie und das Gesundheitswesen hier führend sein dürften.2

Auch in der Luftfahrt werden mittlerweile viele Komponenten aus der additiven Fertigung verwendet. © Stratasys

Die Steigerung der Ausgaben zeigt, wie sich die Wettbewerbssituation in der additiven Fertigung weiter verschärft und die Nachfrage der Kunden weiter steigt. Zehavit Reisin, Vice President der Abteilung Rapid Prototyping bei Stratasys erläutert, wie sich Materialentwicklungen als Schlüssel zur Bewältigung spezifischer Branchenherausforderungen und zur Unterstützung des Wachstums der additiven Fertigung erweisen.

Neben innovativer Hardware, fortschrittlicher Software und starken strategischen Partnerschaften ist der Bereich der Materialentwicklung entscheidend für die additive Fertigung. In der Vergangenheit konzentrierten sich die Hersteller auf Rapid Prototyping, das anfängliche Kerngeschäft dieser Technologie. Die Anforderungen waren simpel, sie erforderten oft nur Passformprüfungen und Tests. In den letzten Jahren wuchs mit den steigenden Anforderungen an Realismus, Passform, Funktionalität und Farbe auch das Anwendungspotenzial. Anwender setzen heute die Technologie für die Herstellung komplexer und stabiler Produktionswerkzeuge sowie Fertigungshilfsmittel für den Produktionsbereich und sogar robuster Endprodukte ein. In vielerlei Hinsicht sind additive Fertigungsmaterialien die Voraussetzung, um Designern, Ingenieuren und Herstellern spezifische Lösungen für ihre Herausforderungen zu bieten.

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Jeder Prototyp durchläuft einen ganz konkreten Lebenszyklus: Konzeptüberprüfung, Designvalidierung und Funktionsprüfung. In der Konzeptüberprüfung werden schnelle Iterationen zu geringen Kosten benötigt. Den Qualitätsansprüchen genügt hier die Note „Ausreichend“. Für die Designvalidierung hingegen werden Bauteile mit hoher Formstabilität, die sich weder verbiegen noch verformen, sowie glatte Oberflächen benötigt. In vielen Fällen wird in diesem Stadium das endgültige Aussehen des Bauteils geprüft, daher sind auch Farbe, Transparenzen und Deckkraft wichtig. Bei Funktionsprüfungen ist die Bauteil-Performance entscheidend und erfordert Werkstoffe mit verbesserten mechanischen, thermischen und in einigen Fällen auch chemischen Eigenschaften. Hier muss sichergestellt werden, dass die Materialien den Umgebungsbedingungen standhalten, in denen das Endprodukt eingesetzt wird.

Aber natürlich steht jede Anwendung vor einzigartigen Herausforderungen, ganz zu schweigen von den enormen Unterschieden in den branchenspezifischen und gesetzlichen Vorgaben, die bei der Entwicklung von Materialien berücksichtigt werden müssen.

Gesundheitswesen

Im Gesundheitswesen werden für 2018 Ausgaben in Höhe von 1,3 Milliarden US-Dollar für den 3D-Druck erwartet.3 Heutzutage verwenden viele Krankenhäuser 3D-Druck, um die Patientenversorgung und chirurgische Behandlung zu verbessern. Krankenhäuser wie das Queen Elizabeth im englischen Birmingham und das Universitätsspital Basel in der Schweiz haben bei der Herstellung 3D-gedruckter medizinischer Modelle mit der PolyJet-Technologie erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen erzielt. Das Queen Elizabeth konnte erstaunliche 20.000 britische Pfund je Eingriff einsparen und diese in andere Bereiche des Krankenhauses reinvestieren. Zudem reduziert das Universitätsspital Basel die durchschnittliche Operationsdauer um mehr als ein Drittel: In beiden Krankenhäusern spielt der 3D-Druck eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Patientenversorgung.

Heute werden patientenspezifische Modelle im 3D-Druck angefertigt und ermöglichen dem Chirurgen, die jeweilige Anatomie zu visualisieren und den Eingriff am patientenspezifischen Modell zu üben. Mithilfe fortschrittlicher Vollfarb-Mulitmaterial-3D-Drucker können Modelle eingefärbt werden, um entscheidende Strukturen zu kennzeichnen. Durch die Kombination verschiedener Materialien kann die Funktionalität erweitert werden. So können Ärzte komplexe und lebenswichtige Operationen effektiv üben, planen und vorbereiten. Eine der größten Herausforderungen im Gesundheitswesen ist jedoch die Entwicklung von anatomisch sehr realistischen Modellen, die dem menschlichen Gewebe sehr ähnlich sind. Dies stellt mehrere Herausforderungen dar, angefangen von der Geometrie des gedruckten Modells, bis zur Notwendigkeit, mehrere, sehr unterschiedliche Materialien in einem einzigen Druckvorgang zu verwenden. Nehmen wir zum Beispiel unsere Haut: Sie ist unglaublich weich, aber dennoch robust – und jedes 3D-gedruckte Modell muss das abbilden können. Jeden Tag arbeiten Branchenvorreiter daran, dieses Gleichgewicht zu finden und solche Materialien herzustellen. Eine der bemerkenswertesten Lösungen für diese Herausforderungen ist BIOMIMICS™ von Stratasys. Die Ende 2017 eingeführte 3D-Drucklösung ermöglicht nun die Realisierung von hochpräzisen, anatomisch korrekten Gefäß-, Herz- und Knochenstrukturen, die unterschiedlichsten klinischen Anforderungen gerecht werden. BIOMIMICS wird hauptsächlich von Medizintechnikern sowie Schulungs- und Ausbildungsinstituten verwendet, um realistische Modelle zu erstellen, die eine genauere Einschätzung der Anatomie bieten, als Leichname oder Tiere.

Im Gegenzug benötigen manche Mediziner Materialien, die leicht, haltbar oder biokompatibel sind und sich für einen langfristigen Kontakt mit dem menschlichen Körper eignen. Damit sind viele weitere Herausforderungen verbunden, wie z.B. Sterilisation und Zertifizierung. Hersteller von Medizinprodukten benötigen beispielsweise Materialien, die durch bereits weit verbreitete und leicht zugängliche Technologien sterilisiert werden können. In der Regel nutzen unsere Kunden eine Form von Hochtemperatur-Autoklaven, daher sorgen wir dafür, dass unsere Materialien diesen Temperaturen standhalten. Hierdurch wird unsere Branche täglich vorangetrieben. Bereits heute nutzen Kunden auf der ganzen Welt unsere Materialien in Kombination mit erstklassiger Hardware und branchenweit anerkannter Software zur Fertigung effizienter, kostengünstiger und präziser Hilfsmittel für klinische Tests und Anwendungen.

Luft- und Raumfahrt

Hohe Temperaturen und strenge Zulassungsvorschriften gibt es nicht nur im Gesundheitswesen. Auch in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Eisenbahnindustrie spielen sie eine große Rolle. Diese Branchen unterliegen naturgemäß strengen Vorschriften. Die Bauteile müssen häufig härtesten Bedingungen standhalten und bei gleichzeitig niedrigeren Kosten, die Effizienz und Leistung steigern. Die wichtigste Frage ist immer, ob das Material den strengen FST-Anforderungen (Flamme, Rauch und Toxizität) sowie den Anforderungen an Wärmefreisetzung und chemische Empfindlichkeit gerecht werden. Infolgedessen sind komplexe und spezifische Materialeigenschaften gefordert, die für die Sicherheit der Passagiere erforderlich sind.

Die Aufmerksamkeit der Medien konzentrierte sich in den letzten Jahren auf Hersteller aus der Luftfahrt, die mithilfe der additiven Fertigung schwere Metallteile durch widerstandsfähige, deutlich leichtere Alternativen aus 3D-gedruckten Thermoplasten ersetzen. In enger Zusammenarbeit mit ihren Kunden konnte Stratasys eine Konfigurations- und Prozessmethodik entwickeln, die eine herausragende Reproduzierbarkeit ermöglicht. Eines der Ergebnisse dieser Zusammenarbeit ist die hohe Reproduzierbarkeit des Materials Ultem 9085, das ein hohes Festigkeits-/Gewichtsverhältnis aufweist und zudem FST-konform ist. Hardware-Lösungen in Kombination mit Ultem 9085, die für spezielle Branchenprobleme entwickelt wurden, wie beispielsweise unsere Aircraft Interiors Solution, können Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie jetzt viel schneller mehrere Bauteile für den Einsatz in Flugzeugen zertifizieren lassen.

Automobilbau

Mit Forderungen nach verbesserter Kraftstoffeffizienz, dem ständigen ökologischen und politischen Druck sieht sich auch der Automobilmarkt ständigen Herausforderungen gegenüber. Diese unterscheiden sich durchaus von denen in der Luft- und Raumfahrtindustrie – während Flugzeugbauteile strengen Anforderungen an die Entflammbarkeit unterliegen, müssen Kraftfahrzeugteile crashsicher sein – ein Beleg dafür, dass Bauteile den Anforderungen der jeweiligen Betriebsumgebung gerecht werden müssen.

Die Materialentwicklung ist eine der fortwährenden Aufgaben bei Stratasys. Ingenieure arbeiten u. a. an höherer Chemikalienbeständigkeit für Treibstoffkontakt und einer optimalen Kombination aus Widerstandsfähigkeit, Dehnbarkeit und Festigkeit für eine längere Lebensdauer. Neue Materialien, wie unser kürzlich eingeführtes karbonfaserverstärktes Nylon 12, ermöglichen neue Anwendungen in der Automobilbranche. 3D-Druck-Verbundwerkstoffe bieten die Festigkeit von Metall und das geringe Gewicht von Kunststoff. Additive Fertigung bietet nicht nur die Möglichkeit, leichte Bauteile zu produzieren, sondern auch das Leistungsgewicht durch komplexe geometrische Entwürfe, mithilfe hochentwickelter Software- und Hardware-Funktionen, zu optimieren. Dies wäre mit anderen Methoden nicht möglich.

Diese Vorteile werden von Anwendern in der gesamten Automobilindustrie unterstrichen, zu denen auch das Formel-1-Rennteam McLaren gehört, das in der anspruchsvollen und leistungsstarken Welt des Motorsports tätig ist. Mit der FDM additiven Fertigungstechnologie von Stratasys produzierte McLaren während der letzten Grand-Prix-Saison in weniger als zwei Wochen einen neuen Rennwagenflügel, wobei ein 3D-gedrucktes Formwerkzeug aus ULTEM 1010 zum Einsatz kam und eine deutliche Zeitersparnis, im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, ermöglichte.

In ähnlicher Weise setzt Volvo Trucks in Frankreich seine FDM-Lösungen ein, um langlebige und gleichzeitig gewichtsoptimierte Klemmen, Montagevorrichtungen, Halterungen und Werkzeughalter für seine Produktionsstätte in Lyon zu entwickeln. Volvo Trucks schätzt die Kosten für den 3D-Druck von individuellen ABS-Thermoplast-Bauteilen für den direkten Einsatz in der Fabrik bei kleinen Stückzahlen auf nur 1€/cm³, während die Fertigung desselben Bauteils aus Metall 100 €/cm³ kostet. Entscheidend ist, dass Volvo Trucks die Zeit für die Entwicklung und Herstellung bestimmter, traditionell aus Metall hergestellter, Fließbandwerkzeuge um mehr als 94% reduziert hat - von 36 Tagen auf nur zwei Tage durch den Einsatz der FDM additiven Fertigungstechnologie von Stratasys.

Angesichts der Automobil- und Luftfahrtindustrie haben wir eine der wesentlichen Herausforderungen identifiziert, mit denen sich die Umstellung auf die additive Fertigung heute konfrontiert sieht. Der Anwendungsschwerpunkt verlagert sich mehr und mehr vom Rapid Prototyping über den Werkzeugbau bis hin zu fertigen Produktionsteilen. Da sich dieser Trend weiter fortsetzt, brauchen wir Rückverfolgbarkeit, um eine sichere und zuverlässige Lieferkette zu gewährleisten. Mit dem bereits erwähnten Material ULTEM 9085 haben wir dies bereits sichergestellt und arbeiten weiterhin eng mit unseren wichtigsten Kunden zusammen, um deren anspruchsvollen, aktuellen und zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden.

Wie geht es weiter?

Die Anforderungen dieser Branchen werden nicht nur von der Materialentwicklung bestimmt. Unsere Kunden schätzen auch die Innovationen in Hard- und Software sowie die Expertise, Schulungen und branchenspezifischen Lösungen. Jede Entwicklung ist ein Sprung nach vorn für die additive Fertigung. Je genauer ein Material die mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften des Endprodukts nachbildet, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es den Anforderungen des Endprodukts entspricht. Der Designvorgang wird effizienter. In der Produktion sind Materialeigenschaften entscheidend für Funktionalität, Konsistenz, Oberflächenglätte und Rückverfolgbarkeit. Für diesen Bereich hat die Materialentwicklung höchste Priorität und ist eine ständige Herausforderung. Wir erfassen fortwährend die Anforderungen unserer Kunden und fördern Innovationen in unseren Labors. Dadurch bleiben wir dicht an den Bedürfnissen des Marktes und damit den größten Anforderungen.

Angesichts der Tatsache, dass mehrere Branchen in diesem Jahr Millionen für 3D-Druck ausgeben werden, wird der Bedarf an individuellen und fortschrittlichen Materialien weiter zunehmen. Da die Branche weiterhin innovativ ist und diese Anforderungen erfüllt, wird die additive Fertigung in immer mehr Unternehmen Einzug halten.

Zehavit Reisin, Vice President der Abteilung Rapid Prototyping bei Stratasys / am

1https://www.statista.com/statistics/590113/worldwide-market-for-3d-printing/

2IDC Worldwide Semi-annual 3D Printing Spending Guide

3https://www.statista.com/statistics/590113/worldwide-market-for-3d-printing/

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