Vorteile des 3D-Drucks

Vorteile des 3D-Drucks

Bild: iStock / Latsalomao

Die additiven Fertigungsmethoden nehmen einen immer größer werdenden Platz in der industriellen Fertigung ein. Obwohl es die Technologien zum Teil schon seit 30 Jahren gibt, fanden die spektakulärsten Entwicklungen erst in den letzten Jahren statt. In diesem Artikel sollen die bedeutendsten Vorteile des 3D-Drucks gegenüber den „traditionellen“ Fertigungsmethoden, besprochen werden. Natürlich kann der 3D-Druck die etablierten Technologien nicht gänzlich ersetzen, aber wenn Sie sich der Vorteile des 3D-Drucks bewusst sind, können Sie bessere Entscheidungen bzgl. der Wahl der Fertigungsmethode treffen.


Vorab: Private vs. industrielle Anwendungen des 3D-Drucks

3D-Druck ist eine nach wie vor überwiegend industrielle Technologie (‚additive Fertigung‘). Allerdings nimmt auch die private Nutzung von 3D-Druckern sehr stark zu. So wird inzwischen eine vielfache Anzahl an privaten 3D-Druckern (häufig wenige Hundert bis Tausend Euro) verkauft, als an industriellen Anlagen, welche meist mehrere Hunderttausend Euro kosten.

Die Anwendungen im privaten Bereich liegen überwiegend im Modellbau bzw. in DIY Anwendungen. Die Vorteile liegen dabei auf der Hand, der Hobby-Bastler hat erstmals ein Werkzeug zur Hand, mit dem er frei, Komponenten und andere Objekte gestalten und produzieren kann.

Im industriellen Bereich sind die Vorteile komplexer, da die additive Fertigung eine Fertigungsmethode unter vielen ist. Die hier aufgeführten Eigenschaften der 3D-Druck Technologie sind daher überwiegend auf den industriellen 3D-Druck bezogen.

Statistic: Global unit shipments of 3D printers from 2015 to 2020* | Statista

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Abbildung: Die Verkaufszahlen von 3D-Druckern sind stark steigend. Ein Großteil der verkauften Maschinen sind inzwischen Geräte für Privatanwender.


Vorteile des 3D-Drucks – Übersicht

Der prominenteste Vorteil der additiven Fertigung ist die hohe Geschwindigkeit, mit der die Objekte hergestellt werden können. Dabei macht es kaum einen Unterschied, ob es sich um Werkstücke mit komplexen Geometrien oder um relativ einfache Objekte handelt. Design- und Fertigungsprozesse, die bisher Tage oder Wochen in Anspruch genommen haben, können mithilfe der 3D-Drucktechnologien innerhalb von Stunden ablaufen. Dies ist möglich, da einige Prozessschritte nicht mehr benötigt werden. Die Entwicklung und Herstellung von Werkzeugen/Formen entfällt komplett. Auch Korrekturen an den Prototypen oder kurzfristige Designänderungen sind ohne Probleme möglich.

Typische Vorlaufzeiten:

  • Spritzguss: Zunächst wird ein Werkzeug (Spritzgussform) designt und gefertigt (i. d. R. mit CNC Technologie). Die Zeitspanne von Bestellung bis zum ersten Produkt nimmt häufig Wochen bis Monate in Anspruch. Die Produktionszeit pro Bauteil ist deutlich geringer als im 3D-Druck, der Weg dahin jedoch aufwendig.
  • Zerspanende Fertigung: Für die Produktion ist die Erstellung eines Programms erforderlich, welche häufig mehrere Stunden in Kauf nimmt. Theoretisch ist die Vorlaufzeit eher gering und kann in wenigen Tagen abgeschlossen sein. Da die Maschinen aber meist unter sehr hoher Auslastung arbeiten (Produktion von 1 Teil / Zyklus), dauert der Prozess typischerweise wenige Wochen.
  • 3D-Druck: Die Fertigungszeiten liegen bei den meisten 3D-Druck Dienstleistern bei 1 – 2 Wochen. Die Laufzeiten unterscheiden sich dabei etwas nach Technologie, z. B.
    • Multi Jet Fusion: Der Druck nimmt typischerweise 16 Stunden in Anspruch. Anschließend erfolgt eine langsame Abkühlphase, die ca. zwei Tage dauert. Die Nacharbeit der Teile nimmt ca. einen Werktag in Anspruch. Folglich ist die kürzeste Produktionszeit drei Tage. Es werden allerdings je Druckgang typischerweise 150 – 300 Teile simultan produziert. Mehr Informationen zur Technologie.
    • FDM: Meist wird bei dieser Technologie nur ein Teil je Zyklus produziert. Ein Druckzyklus dauert meist wenige Stunden (Faustregel: Druckzeit ca. 1 Stunde pro cm Bauteilhöhe). Daher ist es bei der Technologie möglich, Bauteile ‚über Nacht‘ zu fertigen – jedoch nur in sehr geringen Stückzahlen. Mehr Informationen zum Verfahren.

Die Reduzierung der Produktionszeit verringert schon spürbar die Entwicklungs- und Produktionskosten. Aber die additive Fertigung hat noch mehr Potenziale zur Kostenreduktion. So müssen zur Herstellung von Werkstücken weder Werkzeuge (z. B. für Spritzguss) noch Programme (z. B. für CNC) erstellt werden, allein die CAD-Datei ist (meist) ausreichend. Werkzeuge können auch direkt 3D-gedruckt werden.

Additive Fertigung ist momentan, nur unter Umständen eine Option für die Massenproduktion. In der Regel umfasst eine ‚Serienproduktion‘ in der generativen Fertigung Losgrößen von 100 – 2.000 Stück, selten mehr. (Klein-) Serienfertigung im 3D-Druck bedeutet meist Lasersintern, HP Multi Jet Fusion oder seltener FDM. In unserem Artikel Lasersintern vs. Spritzguss haben wir Ihnen einige praktische Beispiele zusammengefasst, die es Ihnen ggf. einfacher machen, die richtige Entscheidung zu treffen.

Bezüglich der Verfahren gibt es allerdings sehr große Unterschiede. Wohingegen ein FDM-Druck in PLA häufig für wenige Euro zu haben ist, liegen die Kosten für einen 3D-Druck in Titan nicht selten 30 – 50-mal so hoch für dasselbe Modell. Im Kunststoffbereich ist FDM häufig das günstigste Verfahren, gefolgt von HP Jet Fusion, Lasersintern und der Stereolithografie (mehr zum Vergleich in unserem Artikel Lasersintern vs. Stereolithografie). Polyjet ist aufgrund der hohen Materialkosten und langen Druckzeiten (Schichthöhen um die 15 µm) meist das kostenintensivste Kunststoff 3D-Druckverfahren.


3D-Modell Blende

Ca. 130 x 5,6 x 53 mm; Volumen ~16 cm³

Kostenvergleich MJF vs Guss 16cm

Bis ca. 1.200 Stk. ist 3D-Druck günstiger.


3D-Modell Mitnehmer

Ca. 20 x 44 x 18 mm; Volumen ~3 cm³

Kostenvergleich MJF vs Guss 3cm

Bis ca. 3.000 Stk. ist 3D-Druck günstiger.

Während, selbst kleine Veränderung an einem Werkstück oder einer Form bei Gussverfahren schon spürbare Kosten und einen größeren Zeitaufwand verursachen, können diese bei 3D-Druckverfahren problemlos und unter geringen Kosten realisiert werden. Durch die Herstellung schneller und kostengünstiger Prototypen kann das Produkt perfektioniert werden und reduziert das Risiko einer Fehlproduktion enorm.

Die Produkte in der Massenfertigung zeichnen sich durch ihre Uniformität aus, da sie z. B. alle mit derselben Form gegossen werden. Im Besonderen im medizinischen Bereich und speziell bei Dentalanwendungen werden aber individuelle Lösungen benötigt, hier ist der 3D-Druck eine Nutzen bringende Alternative. Auch in der Welt des Schmucks und der Mode kann der 3D-Druck einen Betrag leisten, sich abzuheben (siehe Adidas). Sonderanfertigungen und Kleinserien sind ebenfalls mit nur kleinen Änderungen am 3D-Modell realisierbar.

Je nach Verfahren können im 3D-Druck sehr komplexe Geometrien hergestellt werden. Dies gilt insbesondere für das Lasersintern und das HP Jet Fusion Verfahren, für welche nahezu alle Einschränkungen, denen Designer bisher (bei traditionellen Fertigungsmethoden) unterworfen waren, fast vollständig vom Tisch sind. Hinterschneidungen, Hohlräume, Löcher, die die Richtung ändern, komplexe Geometrien oder große Überhänge, alles ist nun nahezu problemlos möglich. Der 3D-Druck hat hier einen großen Teil der Designrestriktionen weggefegt. Natürlich bleiben einige Einschränkungen bestehen, z. B. minimale Wandstärken, Bauraumgrößen, Mindestabstand zwischen den Objekten (mehr dazu in unseren Designhinweisen). Außerdem bietet das Vorbereiten des 3D-Modells, die Möglichkeit das Modell gleichsam kostenoptimal zu gestalten.

Beispiel Desginfreiheit

Designfreiheit im 3D-Druck – Beispiel Leichtbaustrukturen.

Ein Vorteil des 3D-Drucks kommt oftmals noch zu kurz, hat aber eine enorme Bedeutung. Bei der Herstellung von Werkstücken, mittels eines 3D-Druckverfahrens fällt signifikant weniger „Abfall“ an, als bei herkömmlichen Produktionsverfahren. In den meisten Fällen ist, die Menge an verwendetem Material auch wesentlich geringer, da abgesehen von, den Verfahren, die Supportmaterial verwenden, alles Material in das Objekt „fließt“. Das nicht verwendete Materialpulver beim Colorjetverfahren und das Metallpulver des Sinterns oder Schmelzens kann fast vollständig wiederverwertet werden und für neue 3D-Drucke genutzt werden.
Die dezentrale Produktion, die der 3D-Druck ermöglicht, reduziert auch die Transportwege, die notwendig sind, um aus einer Idee ein Produkt zu fertigen.


Weitere wichtige Vorteile des 3D-Drucks

  • Objekte sind frei skalierbar: Besonders interessant für Architektur– und Anschauungsmodelle.
  • Leichtbaustrukturen: Durch den 3D-Druck bieten sich für Konstrukteure vielversprechende Möglichkeiten für den Leichtbau.
  • Fertigung -On Demand- möglich: Keine Lagerhaltung nötig und kurzfristige Änderungen sind möglich.
  • Ausprobieren: Testdrucke und Experimente können kostengünstig realisiert werden.

Zusammenfassung

Durch die Verwendung von 3D-Drucktechnologien bieten sich Ihnen viele Vorteile. Die Fertigung ist schnell, ressourcenschonend und für Modelle/Prototypen und Kleinserien kostengünstig. Es ergeben sich im Bereich des Designs und der Leichtbaukonstruktionen viele neue Möglichkeiten und eine Individualisierung der Fertigung ist mit geringem Aufwand realisierbar.
Falls Sie mehr über den 3D-Druck und die Vorteile des 3D-Drucks erfahren möchten, schauen doch mal auf unsere Übersichtsseite „3D-Druck Grundlagen und Anleitungen“ oder fragen Sie uns direkt.


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Über 3Faktur: 3Faktur ist ein 3D-Druck-Dienstleister. Wir sind Spezialisten im 3D-Druck von Kunststoffobjekten für das Rapid Prototyping (geringe Stückzahlen) und die Additive Fertigung von Kleinserien (Rapid Manufacturing). Kontaktieren Sie uns.