3D-Technologie: Prototypenbau leicht gemacht

Görlitz, 24. Februar 2020. Immer wieder beschäftigt sich der Görlitzer Anzeiger mit dem Strukturwandel in der Wirtschaft. Dieser wird allerdings weniger vom vieldiskutierten Abschied von der Braunkohle, sondern vielmehr von der fortschreitenden Digitalisierung vorangetrieben. Eine der Technologien, die sich seit einigen Jahren viel stärker als je zuvor Anwendungsfelder erschließen, ist der 3D-Druck, mit dem sich Einzelstücke und Kleinserien schnell und "on demand" herstellen lassen.

Vorteile und Nachteile müssen im Einzelfall betrachtet werden

Bei der 3D-Technologie werden Gegenstände schichtweise gedruckt. Neben Anwendungen im Maschinenbau und in der Prothesenfertigung machen Unternehmen in Innovationsprozessen vor allem beim Bau von Prototypen – Stichwort: Rapid Prototyping – davon Gebrauch. Es beschleunigt nicht nur die Produktionsprozesse, sondern ist zudem für die Produktherstellung zu Testzwecken kosteneffizient.

Produkte kommen aus einem Drucker

Die ersten Drucker für Personal Computer waren reine 2D-Drucker, also darauf ausgelegt, Papier zu bedrucken und den mit Hilfe eines Textverarbeitungsprogramms am Computer geschriebenen Text, später auch Bilder, aufs Papier zu bringen.

Damals erschien es noch wie eine Wunschvorstellung, Gegenstände drucken zu können, die eine dreidimensionale Form haben und sich in verschiedensten Bereichen nutzen lassen. Aber die technische Entwicklung hat dazu geführt, dass auch der Druck von Gegenständen möglich geworden ist. Angebote wie bei diesem Dienstleister sorgen anhand unterschiedlicher Techniken dafür, dass aus Kunststoffen und Metallen sogar komplexe Gegenstände geschaffen werden können; komplex, weil durch die additive Fertigung nun auch Formen und Figuren mitten in das gewünschte Endprodukt integriert werden können – und all das in nur einem Arbeitsgang.

Wie funktioniert die 3D-Technologie?

3D-Drucker für den privaten Einsatz daheim unterscheiden sich hinsichtlich der Materialverarbeitung und der Qualität von hochpreisigen industriellen Druckern. Während zu Hause immerhin das Nachdrucken von Schrauben oder Dekoration möglich ist, reichen die Anwendungen industrieller Maschinen in ganz andere Bereiche hinein, etwa

• Maschinenbau
• Prototypenbau / Rapid Prototyping
• Fertigung von Autoteilen
• Prothesen in der Medizin

Jüngst sorgte der Druck von Backwaren durch eine ukrainische Konditormeisterin für Aufsehen.

Wer Materialien wie Kunststoff und Metall im Drucker benutzt, hat diese zunächst in Form eines Pulvers vorliegen. Dieses Pulver wird Schicht für Schicht – deswegen additive Fertigung – in die gewünschte Form aufgedruckt und mit einem Laser punktgenau geschmolzen. Durch den Schmelzprozess verbinden sich die Pulverkörner und lassen ein festes und entsprechend massives Produkt entstehen. Aufgrund der additiven Fertigungsweise können komplexe Strukturen ins Produkt integriert werden, wozu beispielsweise bewegliche Hohlräume zählen. Solche Formen waren vor der Nutzung des 3D-Drucks in Produkten entweder überhaupt nicht realisierbar oder nur dann, wenn das Produkt mit viel mehr Aufwand aus mehreren Einzelteilen gefertigt wurde, die schließlich noch montiert werden mussten.

Wozu dient das 3D-Druck Prototyping?

Beim Prototyping werden mit relativ geringem Aufwand und geringerer Kostenintensität Testversionen von Produkten geschaffen. Unternehmen machen davon Gebrauch, um möglichst früh festzustellen, ob das Produkt den Vorstellungen der Nutzer entspricht. Man stelle sich vor, Unternehmen würden auf Prototypen verzichten, um die Arbeit in das finale Produkt zu investieren: Die Qualität des Produkts wäre zwar höher, aber der Kostenaufwand ebenso. In Kombination mit der Ungewissheit, ob das Produkt den Interessen der Nutzer überhaupt entspräche, wäre das Risiko gegeben, eine Fehlinvestition zu tätigen. Zwar kann das Prototyping ebenfalls zu einer Fehlinvestition werden, aber durch den geringen Aufwand hält sich das Kosten/Nutzen-Verhältnis in einem deutlich günstigerem Rahmen.

In vielen Fällen werden von Unternehmen mehrere Prototypen auf den Markt gebracht, die bei einem positiven Feedback durch die Nutzer in den weiteren Produktionsgängen optimiert werden. Von Prototyp zu Prototyp werden die Funktionen feiner, sodass sich das Produkt der angestrebten finalen Form annähert. Dieses schrittweise Vorgehen hat zugleich den Vorteil, dass einzelne Defizite beim Produkt frühzeitig erkannt und ausgebessert werden können.

Vorteile des Prototypings mit der 3D-Technologie

Das Prototyping mittels einer der verfügbaren 3D-Technologien führt in erster Linie zu einer Zeitersparnis. Somit können mehr Prototypen an mehr Nutzer oder Tester gebracht und schneller Ergebnisse im Innovationsprozess erzielt werden. Des Weiteren erschließt sich Unternehmen eine konstruktive Freiheit, die bisher nicht möglich war: Unterschiedlichste Strukturen sind mit 3D-Druck nicht nur realisierbar, sondern kostengünstig umsetzbar. Weil nicht viele einzelne Bauteile in einem Produkt notwendig sind, sondern das Produkt in einem Stück geschaffen wird, reduzieren sich die Kosten: Sie fallen für die Einzelbauteile ebenso weg wie der Montageaufwand.

Ein weiteres Merkmal des 3D-Drucks verbindet Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz: Erzeugnisse müssen nicht mehr in einer gewissen Mindeststückzahl und damit unter Ressourcenverbrauch häufig auf Lager hergestellt werden, um eine wirtschaftliche Produktion zu ermöglichen, sondern können bedarfsgerecht auf Abruf produziert werden.

Kehrseiten der 3D-Technologie sind die Konstruktionspläne, die in einem für den 3D-Drucker lesbaren Dateiformat vorliegen müssen. Allerdings ist die Ausgabe des Steuercodes für den Drucker an den seit vielen Jahren üblichen CAD-Konstruktionsarbeitsplätzen (CAD steht für Computer Aided Design, das computergestützte Konstruieren) von der Software übernommen. Nur der Konstrukteur muss so konstruieren, dass Teile und Erzeugnisse durch Schichtaufbau hergestellt werden können. Dass sich Konstruktionen nach Fertigungstechnologien richten müssen, ist für Konstrukteure jedoch nichts Neues und etwa aus der Konstruktion von Guss- oder Schweißteilen bekannt.

Zudem bedeutet ein in einem Stück geschaffenes Produkt, dass Nutzer es bei einer Beschädigung nicht durch den Austausch einzelner Bauteilen reparieren können: Sie müssen das Produkt erneut kaufen, falls es nicht möglich ist, es zu bearbeiten und ein speziell angefertigtes Bauteil an der schadhaften Stelle einzufügen.

Tipp:
Während der Touren des Fabmobil-Busses des Dresdner Vereins Constitute e.V. können vor allem Schüler 3D-Druck selbst ausprobieren.