Montagelehre aus dem 3D-Printer im Einsatz am Opel Adam Rocks.
GM Company
Noch ist nicht einmal klar, welche Produkte sich künftig in großem Stil mit 3D-Druckverfahren herstellen lassen. Da arbeiten Forscher schon am 4D-Druck. Genauer: an selbstformenden 3D-Objekten. Damit soll sich die Selbstmontage von Materialien für die Bauteileherstellung beschleunigen lassen.
Nicht alles kann am Computer simuliert werden: Tonmodelle neuer Fahrzeugmodelle sind in den Designabteilungen immer noch unverzichtbar. Denn so können die Designer entscheiden, ob ihre Entwürfe auch in drei Dimensionen die gewünschte Wirkung entfalten. Parallel dazu entstehen auch meist virtuelle Modelle am Computer. Mehr und mehr setzt sich in der Fahrzeugindustrie aber auch der 3D-Druck durch. So können die Designabteilungen vor der Serienproduktion schnell und einfach Miniaturmodelle und Bauteile in Originalgröße für Analysen und Tests fertigen. Doch damit nicht genug: Die 3D-gedruckten Teile sollen künftig nicht nur als Prototypen verwendet, sondern auch im fertigen Auto verbaut werden. Die Vision ist, künftig vielleicht sogar eine komplette Karosserie per 3D-Drucker industriell herstellen zu lassen. Wie so etwas aussehen könnte, hat in der Vergangenheit zum Beispiel das Hybridauto Urbee demonstriert: Die Karosserie von Urbee kann vollständig in 3D gedruckt werden.
Siliziumkarbid und Montagewerkzeuge aus dem 3D-Drucker
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Allerdings ist die industrielle Anwendung noch weit entfernt. Es wird noch dauern, bis komplette Karosserien mit generativen Fertigungsverfahren produziert werden können. Jedoch: "3D-Druckverfahren werden sich im industriellen Umfeld zunehmend als flexible und schnelle Fertigungsmethode etablieren", zeigt sich Professor Hermann Seitz, Inhaber des Lehrstuhls für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik der Rostocker Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik, überzeugt. Ein Kollege von Seitz an der Uni Rostock, Christian Polzin, hat kürzlich ein neues 3D-Druckverfahren zur Herstellung keramischer Formkörper aus Aluminiumoxid und Siliziumkarbid vorgestellt. Polzin ist davon überzeugt, dass das von ihm entwickelte 3D-Druckverfahren die Industrie voranbringen wird. Denn: 3D-Drucker ermöglichen Formen, die bisher schlichtweg nicht herstellbar waren.
Doch es geht nicht nur um Bauteile für Autos. Auch Montagewerkzeuge lassen sich mithilfe von 3D-Druckern herstellen. So setzt zum Beispiel Opel Montagewerkzeuge aus dem 3D-Drucker im Produktionsprozess ein. In Rüsselsheim werden Montagehilfen aus Kunststoff gedruckt, die europaweit in der Fertigung genutzt werden. Und BMW untersucht gerade den Einsatz von Orthesen für die Fahrzeugmontage, die mittels 3D-Druck hegestellt wurden. Der Vorteil: Jede der flexiblen Montagehilfen ist ein Unikat und wird individuell auf die jeweilige Handform und -größe des einzelnen Mitarbeiters angepasst. Experten prophezeien den Elementen aus dem Drucker eine zunehmend wichtigere Rolle. "In Zukunft werden immer mehr 3D-Montagewerkzeuge in den Produktionsprozess integriert werden", sagt zum Beispiel Sascha Holl, Virtual Simulation Engineer bei Opel.
4D-Druck soll die Unternehmenslandschaft revolutionieren
Während die 3D-Drucktechnik bislang noch mehr oder weniger in den Kinderschuhen steckt und sich erst noch in der Breite durchsetzen muss, steht schon das nächste Druckverfahren in den Startlöchern, und zwar das vierdimensionale. Beim 4D-Druck wird mit Materialien gearbeitet, die ihre Eigenschaften und ihr Verhalten verändern können, angeregt durch externe Impulse wie beispielsweise Temperaturveränderungen. So haben Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des 3D-Druckunternehmens Stratasys im vergangenen Jahr gezeigt, wie sie mithilfe von 3D-Druck dreidimensionale Objekte erschaffen, die nach vorbestimmten Vorgaben ihre Gestalt ändern können, berichtete die New York Times.
Und vom 4D-Druck verspricht man sich noch mehr. Er soll künftig einen enormen Effekt auf die Entwicklungen in verschiedenen Industriebereichen haben, prognostiziert zum Beispiel das Beratungsunternehmen Frost & Sullivan. In naher Zukunft werde der 4D-Druck die Unternehmenslandschaft revolutionieren, und zwar mit gedruckten Objekten, die von menschlichen Organen bis hin zu Bauteilen in der Luftfahrt oder Automobilindustrie reichen.
Frost & Sullivan geht davon aus, dass die Branchen Luftfahrt, Verteidigung, Automobil sowie der Gesundheitsbereich die ersten Industriebereiche sein werden, in denen 4D-Druckverfahren nach ihrer Kommerzialisierung zur Anwendung kommen werden. Während die technologische Entwicklung weiter fortschreitet, werden weitere Industrien als Einsatzbereiche hinzukommen, so die Analysten.
Mit weniger Arbeitsaufwand rasanter produzieren
"Der 4D-Druck ist eine Erweiterung des 3D-Drucks und ist herkömmlichen Produktionsverfahren weit überlegen in Bezug auf Leistung, Effizienz und Qualität. Er ermöglicht die Herstellung neuer Produkte mit verbesserten Fähigkeiten", bemerkt Technical Insights Research Analyst Jithendranath Rabindranath von Frost & Sullivan. "Anders als konventionelle Herstellungstechniken ermöglicht diese Technologie die Selbstmontage von Materialien, die für die Herstellung von Bauteilen und Produkten benötigt werden, und beschleunigt dadurch den Prozess bei gleichzeitiger Verringerung des Arbeitsaufwandes."
Doch den Marktteilnehmern steht noch viel Arbeit bevor, denn die 4D-Drucktechnik befindet sich in einem frühen Entwicklungsstadium. Die Rapid-Prototyping-Technologie sei noch nicht für Anwendungen im großen Maßstab und den Fertigungsprozess realer (physischer) Objekte getestet worden. Deshalb sei die Validität der 4D-Drucktechnik für solche Einsatzszenarien noch nicht deutlich genug zum Ausdruck gekommen.
Hohe Kosten sind noch eine Hürde
Wie bei jeder anderen neuen Technologie auch, stellen die hohen Kosten bei der Einführung eine Hürde für die Akzeptanz der 4D-Drucktechnik dar, erläutern die Analysten. In den Fällen, in denen Unternehmen bereit sind, in die Einführung dieser neuen Technologie zu investieren, seien die Produktpreise tendenziell hoch, um anfallende Kosten zu decken und die Rentabilität bei bescheidenem Produktionsvolumen aufrechtzuerhalten.
"Sobald die Technologie einige Jahre lang als Massenprodukt vermarktet worden ist, werden die Kosten für den Einsatz von 4D-Druckverfahren fallen, was dazu führen wird, dass Unternehmen aus den verschiedensten Industrien diese neue Technologie in ihre Produktionsprozesse integrieren werden," konstatiert Rabindranath. "Der Einsatz der Technologie wird aufgrund eines positiven Finanzierungsumfeldes weiterhin steigen, welches Verbände, Forschungslabors, Universitäten, Startups und große Marktplayer, insbesondere in den USA, dazu anregt, in die Forschung und Entwicklung zu investieren."