3D printing and its applications

Eine zunehmende Anzahl von Artikeln in Publikumszeitschriften und Journalen rückt die direkte Herstellung von Bauteilen und Figuren immer mehr in das Bewusstsein einer breiten Öffentlichkeit. Leider ergibt sich nur selten ein einigermaßen vollständiges Bild davon, wie und in welchen Lebensbereichen diese Techniken unseren Alltag verändern werden. Das liegt auch daran, dass die meisten Artikel sehr technisch geprägt sind und sich nur punktuell auf Beispiele stützen. Dieser Beitrag geht von den Bedürfnissen der Menschen aus, wie sie z.B. in der Maslow’schen Bedürfnispyramide strukturiert dargestellt sind und unterstreicht dadurch, dass 3D Printing (oder Additive Manufacturing resp. Rapid Prototyping) bereits alle Lebensbereiche erfasst hat und im Begriff ist, viele davon zu revolutionieren.

3D-Printing mit der PolyJet-Technologie von Objet

Objet Geometries Ltd entwickelt und produziert Rapid Prototyping Systeme und Materialien auf Basis der Polyjet-Technologie und bietet diese im internationalen Markt an. Objet ist der „Pionier“ in der Entwicklung der Polyjet-Technologie zur schnellen Erstellung von hochwertigen Modellen aus den 3D-Daten der Design- und CAx-Systeme. Die Oberflächenqualität, die schnelle Reinigung des Supportmaterials mit Hilfe eines Wasserstrahls, die Bauteilqualität hinsichtlich der Genauigkeit sowie die einfache Bedienung der Systeme zu einem hervorragenden Preis/Leistungsverhältnis zeichnen Objet als Marktführer dieser Technologie aus. Die Systeme von Objet sind insbesondere für den Anwender in Design und Engineering konzipiert und können in einer Büroumgebung betrieben werden. Die verwendeten Materialien sind für den Anwender ohne jegliche Gefahr einsetzbar und sind von einem deutschen Institut mit entsprechenden Zertifikaten dokumentiert. Die Produktlinie von Objet ermöglicht im Design und Engineering die Zeiten in der Produktentwicklung erheblich zu reduzieren. Kunden von Objet sind in Nordamerika, Europa, Asien und Australien zu finden, viele von ihnen sind bedeutende Unternehmen aus den Märkten Automobilindustrie, Elektronik/Elektrotechnik, Spielwaren, Medizin, Konsumerprodukte, Schuhindustrie, Schmuckindustrie und vielen anderen Branchen. Objet wurde 1998 gegründet und befindet sich im privaten Besitz. Das Unternehmen wird von Investoren wie der Scitex Corporation sowie von weiteren privaten Investoren, Unternehmer-Kapitalfonden and Kooperationen in USA, Japan, Europa und Israel unterstützt. Aus Wettbewerbsgründen werden Unternehmenszahlen derzeit nicht öffentlich zur Verfügung gestellt. Das Unternehmen beschäftigt zur Zeit weltweit ca. 75 Mitarbeiter und verfügt über eigene Vertriebs- und Servicecenter in den USA und Europa, sowie Vertriebspartnern in der ganzen Welt. Seit Mitte 2001 wurden über 170 Systeme weltweit vermarktet und installiert. Der Vortrag anlässlich der RapidTech wird diese noch recht „junge“ Technologie, deren Vorteile für den Anwender sowie die möglichen Applikationen an Hand von konkreten Beispielen im Detail erläutern.

Ansätze zum Management der Additive Manufacturing Supply Chain

Da sich Additive Manufacturing (AM) von traditionellen Produktionsverfahren unterscheidet, entstehen neue Möglichkeiten im Produktdesign und im Supply Chain Setup. Die Auswirkungen der Aufhebung traditionellen Restriktionen im Produktdesign werden unter dem Begriff „Design for Additive Manufacturing“ intensiv diskutiert. In gleicher Weise werden durch AM Restriktionen im traditionellen Supply Chain Setup aufgehoben. Insbesondere sind die folgenden Verbesserungen möglich: Reduktion von Losgrössen und Lieferzeiten, bedarfsgerechte Produktion auf Abruf, dezentrale Produktion, Customization auf Ebene Bauteil und kontinuierliche Weiterentwicklung von Bauteilen. Viele Firmen investieren nicht selbst in die AM Technologien, sondern kaufen Bauteile bei Lieferanten. Um das Potential der AM Supply Chain mit Lieferanten umzusetzen, entstehen die folgenden Anforderungen an AM Einkaufsprozesse. Erstens muss der Aufwand pro Bestellung reduziert werden. Zweitens brauchen AM Nutzer einen direkten Zugang zu den Lieferanten ohne Umweg über die Einkaufsabteilung. Drittens müssen geeignete AM Lieferanten einfach identifiziert werden können. Viertens muss der Wechsel von Lieferanten mit möglichst geringem Aufwand möglich sein. Ein mögliche Lösung sind AM spezifische E-Procurement System um diese Anforderungen zu erfüllen

3D-Druck von Kunststoff-Medizinprodukten

Das Additive Manufacturing gewinnt im Bereich der Medizintechnik zur Herstellung von Prototypen bis hin zu Endprodukten zunehmend an Bedeutung. Ein großes Hemmnis stellen allerdings die relativ hohen Fertigungskosten dar. Hier bietet der verstärkte Einsatz der 3D-Drucktechnologie (3D Printing) ein erhebliches Potential zur Reduktion der Kosten. Aus dieser Motivation heraus wurde ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung biokompatibler, sterilisierbarer Kunststoffmodelle entwickelt. Beim 3D-Druck-Verfahren handelt es sich um einen pulverbasierten Prozess zur schichtweisen Herstellung von Modellen direkt aus Computerdaten. Dabei werden dünne Schichten eines Pulvers auf eine Grundplatte aufgebracht, die dann durch gezielte Binderzugabe entsprechend des aktuellen Bauteilquerschnitts verfestigt werden. Ausgangsmaterial für diesen Prozess ist ein Granulatgemisch auf Basis von PMMA (Polymethylmethacrylat). Als Binderflüssigkeit wird ein Lösungsmittel eingesetzt. Die 3D gedruckten Modelle werden nach einer entsprechenden Trocknungszeit im Pulverbett entpackt und warmgelagert, um das Abdampfen des Lösungsmittels zu beschleunigen. Der Nachweis der Biokompatibilität der hergestellten Modelle erfolgte durch einen Test nach DIN EN ISO 10993-5. In Kooperation mit Anwendern wurden verschiedene Anwendungsbeispiele wie Bohrschablonen, Otoplastiken, Gebissmodelle und Modelle für die präoperative Planung realisiert und charakterisiert.

3D Drucken und die Anwendungen

Eine zunehmende Anzahl von Artikeln in Publikumszeitschriften und Journalen rückt die direkte Herstellung von Bauteilen und Figuren immer mehr in das Bewusstsein einer breiten Öffentlichkeit. Leider ergibt sich nur selten ein einigermaßen vollständiges Bild davon, wie und in welchen Lebensbereichen diese Techniken unseren Alltag verändern werden. Das liegt auch daran, dass die meisten Artikel sehr technisch geprägt sind und sich nur punktuell auf Beispiele stützen. Dieser Beitrag geht von den Bedürfnissen der Menschen aus, wie sie z.B. in der Maslow’schen Bedürfnispyramide strukturiert dargestellt sind und unterstreicht dadurch, dass 3D Printing (oder Additive Manufacturing resp. Rapid Prototyping) bereits alle Lebensbereiche erfasst hat und im Begriff ist, viele davon zu revolutionieren.

Trends and Expertise Exchange within Rapid Manufacturing in Europe

Rapid Manufacturing (RM) umfasst den Begriff der direkten und wirtschaftlichen Bauteilherstellung des Serienprodukts aus 3D-Daten. Die Hauptvorteile sind u.a. das Wegfallen von Werkzeugen und eine Designfreiheit in der Produktentwicklung, die noch vor wenigen Jahren undenkbar war. Wenngleich heute eine Vielzahl von Werkstoffen im Kunststoff- und Metallbereich einsetzbar sind, konzentriert sich die Verbreitung des RM allerdings auf besondere Technologie- und Wirtschaftszweige, aufgrund mangelnder Erfahrungswerte, teilweise abweichender Werkstoffeigenschaften, fehlender Standards und ungeeigneter Testmethoden. In der Praxis sind Ingenieure und Techniker stark darauf bedacht, auf etablierte Abläufe und Standards zurückzugreifen. Es ist daher schwer einen geeigneten RM-Prozess aufzubauen, wo wichtige Eingangsgrößen meist unbekannt sind. In diesem Bericht wird beschrieben, welche Informationskanäle es innerhalb Europas zum Thema RM gibt und welche Hochschulen und Forschungszentren Aktivitäten aufweisen. Darüber hinaus werden Anwendungsfelder des RM aufgeführt, die über die bekannten Anwendungsfelder hinaus gehen. Dazu gehören Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik, Raumfahrtinstrumentation und der Mode. Obwohl nicht alle Anwendungen des RM in diesem Bericht aufgeführt werden, sind einige Schlüsselinformationen im Bereich innovativer Anwendungen von RM enthalten.

CAD Files and European Design Law

Three-dimensional printing (“3DP”) is an additive manufacturing technology that starts with a virtual 3D model of the object to be printed, the so-called Computer-Aided-Design (“CAD”) file. This file, when sent to the printer, gives instructions to the device on how to build the object layer-by-layer. This paper explores whether design protection is available under the current European regulatory framework for designs that are computer-created by means of CAD software, and, if so, under what circumstances. The key point is whether the appearance of a product, embedded in a CAD file, could be regarded as a protectable element under existing legislation. To this end, it begins with an inquiry into the concepts of “design” and “product”, set forth in Article 3 of the Community Design Regulation No. 6/2002 (“CDR”). Then, it considers the EUIPO’s practice of accepting 3D digital representations of designs. The enquiry goes on to illustrate the implications that the making of a CAD file available online might have. It suggests that the act of uploading a CAD file onto a 3D printing platform may be tantamount to a disclosure for the purposes of triggering unregistered design protection, and for appraising the state of the prior art. It also argues that, when measuring the individual character requirement, the notion of “informed user” and “the designer’s degree of freedom” may need to be reconsidered in the future. The following part touches on the exceptions to design protection, with a special focus on the repairs clause set forth in Article 110 CDR. The concluding part explores different measures that may be implemented to prohibit the unauthorised creation and sharing of CAD files embedding design-protected products.

Grundlagen des Rapid Prototyping

Generative Verfahren sind seit etwa 1987 in den USA und seit etwa 1990 in Europa und Deutschland in Form von Rapid Prototyping Verfahren bekannt und haben sich in dieser Zeit von eher als exotisch anzusehenden Modellbauverfahren zu effizienten Werkzeugen für die Beschleunigung der Produktentstehung gewandelt. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und insbesondere der Materialien wird mehr und mehr das Feld der direkten Anwendung der Rapid Technologie zur Fertigung erschlossen. Rapid Technologien werden daher zum Schlüssel für neue Konstruktionssystematiken und Fertigungsstrategien. Die Anwendertagung Rapid.Tech befasst sich mit den neuen Verfahren zur direkten Produktion und den daraus erwachsenden Chancen für Entwickler und Produzenten. Die Kenntnis der Rapid Prototyping Verfahren wird bei den meisten Fachvorträgen auf der Rapid.Tech vorausgesetzt. Für diejenigen, die sich bisher mit generativen Verfahren noch nicht beschäftigt haben, oder die ihre Grundkenntnisse schnell auffrischen wollen, haben wir die folgenden Zusammenfassung der Grundlagen der generativen Fertigungstechnik, der heutigen Rapid Prototyping Verfahren, zusammengestellt.

Selektives Lasersintern von teilkristallinen Thermoplasten

Da eine flexible Fertigung im Bereich von Losgrößen zwischen 1-1000 Stück in vielen Wirtschaftszweigen vermehrt an Bedeutung gewinnt, steigt das Interesse an Verfahren wie dem Selektiven Lasersintern. Dennoch sollen die Eigenschaften von in Serie eingesetzten Werkstoffen erreicht werden. Aufgrund der bestehenden werkstofflichen Restriktionen auf Polyamid 12 wird aktuell an der Verarbeitung anderer teilkristalliner Thermoplaste geforscht. In diesem Beitrag werden die sich in der Markteinführung befindlichen Werkstoffe vorgestellt und basierend auf der Verarbeitung weiterer Thermoplaste die bestehende Modellvorstellung zum Lasersintern erweitert.

Von der Idee bis zum fertigen Produkt - 3D-Drucken mit der PolyJetTM -Technologie von OBJECT

Um mit den immer kürzer werdenden Produkteinführungszeiten Schritt halten zu können, die der harte Wettbewerb heute vorgibt, setzt die produzierende Industrie mehr und mehr auf das 3D-Drucken von Prototypen. Mit dieser Produktionsmethode lassen sich technische Probleme schon in der frühen Entwicklungsphase lösen. Dies spart Kosten und beschleunigt die Entwicklungsschritte. Die innovative PolyJetTM-Technologie von Objet setzt neue Maßstäbe im 3D-Drucken. 
Die Besonderheit: Modelle aus hauchdünnen Materialschichten. So können mit der 
PolyJetTM-Technologie detailgetreue Modelle extrem schnell, einfach und sauber realisiert werden – und das mit hervorragender Oberflächenqualität

Direkte generative Fertigung von Schmiedegesenken eröffnet neue Möglichkeiten

Umformwerkzeuge sind eine neue und bislang nicht erforschte Anwendung generativ gefertigter Werkzeuge. Der Vortrag präsentiert ein Fallbeispiel, bei dem ein typisches Schmiedeteil mit recht komplexer Geometrie erfolgreich unter Verwendung eines generativ gefertigten Schmiedegesenks hergestellt werden konnte. Die Marktanforderungen zur frühestmöglichen Verfügbarkeit echter Schmiedeteile werden dargestellt. Die gesamte Prozesskette von der 3D-CAD-Werkzeugkonstruktion über die Schmiedeprozesssimulation, das Laserstrahlschmelzen der Gesenkeinsätze und die Gesenkmontage bis hin zu den eigentlichen Schmiedeversuchen unter produktionsähnlichen Bedingungen wird dargestellt und mit konventioneller Schmiedegesenkkonstruktion und ‑fertigung verglichen. Die Vorteile und Besonderheiten der generativen Prozesskette werden herausgestellt. Die gefertigten Schmiedeteile werden hinsichtlich Formfüllung, Maßhaltigkeit und Gefüge mit konventionell geschmiedeten Teilen verglichen. Die Lieferzeit der generativ gefertigten Schmiedegesenke wird der von konventionell hergestellten gegenübergestellt, ebenso die Kosten, um die Vorteile des Einsatzes generativer Fertigung herauszustellen. Es werden Randbedingungen beschrieben, unter denen die generative Fertigung von Schmiedegesenken technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

SLM von Polylactiden zur Herstellung von resorbierbaren Implantaten

Rapid Manufacturing von individuellen Implantaten mittels Selective Laser Melting (SLM) wurde für metallische Standardwerkstoffe in der Medizintechnik (Titanlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen, Stahl) realisiert. Dies sind permanente Implantate, die entweder dauerhaft im Körper verbleiben oder in einer zweiten Operation entfernt werden. Eine vom ILT mittels SLM hergestellte Hüftpfanne aus TiAl6V4 konnte bereits erfolgreich im Patienten implantiert werden. Die regenerative Therapie ist jedoch die klinisch bevorzugte Strategie. Das bedeutet, dass der Selbstheilungsprozess des menschlichen Körpers für die Heilung von großen Knochendefekten genutzt wird. Ein neuer Ansatz zur Implantatfertigung folgt dieser Strategie. Der SLM-Prozess wird für die Verarbeitung von bioresorbierbaren Werkstoffen entwickelt um individuelle Implantate zu fertigen, die im Körper abgebaut und durch körpereigenes Knochengewebe ersetzt werden. Diese Arbeit beschreibt die Qualifizierung des SLM Verfahrens für die Verarbeitung von einem Kompositmaterial aus Polylactid / β-Tricalciumphosphat (PDLLA/β-TCP).

Funktionalisierte Bauteile durch Selektives Maskensintern

Das Selektive Maskensintern ist ein neues, pulverbasiertes Additives Fertigungsverfahren. Das schichtweise aufgebrachte Kunststoffpulver wird hier flächig über einen Infrarotstrahler belichtet und aufgeschmolzen. Das Verfahren bietet ein großes Potential dreidimensionale, wärmeleitfähige Bauteile mit beliebiger Geometrie herzustellen. In diesem Beitrag wird darauf eingegangen, wie kommerziell erhältliches Polyamid 12-Pulver mit thermisch leitfähigen Füllstoffen, wie Aluminiumgrieß und Kupferkugeln, modifiziert und funktionalisierte Bauteile hergestellt werden können. Prozessrelevante Materialeigenschaften werden mittels Differential Scanning Kalorimetrie, Rotationsviskosimetrie und der Wärmeleitfähigkeit der modifizierten Pulver bestimmt. An den gefertigten Bauteilen wird die ausgebildete Morphologie, die mechanischen Eigenschaften als auch die Bauteilwärmeleitfähigkeit untersucht.

Besonderheiten bei der Auslegung und Gestaltung lasergesinterter Bauteile

Mit der Entwicklung der losgrößenunabhängigen, additiven Fertigungsverfahren eröffnen sich vollkommen neue Wege zur Realisierung von komplexen Integralbauteilen bei niedrigen Stückzahlen. Bei der Bauteilgestaltung müssen (verglichen mit traditionellen Herstellverfahren, beispielsweise Spritzgießen) weniger Fertigungsrestriktionen beachtet werden. Dennoch ist die Gestaltungsfreiheit nicht unbegrenzt. In diesem Beitrag werden basierend auf dem Gedanken des Fertigungsgerechten Konstruierens Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Gestaltung von additiv gefertigten Bauteilen herausgestellt. Darauf aufbauend werden Potenziale aufgezeigt, wie Produktentwickler in Zukunft bei der Auslegung und Gestaltung solcher Produkte unterstützt werden können.