Potenziale und Herausforderungen der Additiven Fertigung

Table of Contents

1. Frontmatter

2. Gesellschaft und Wirtschaft – Gestaltungsräume und Entwicklungsmöglichkeiten

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 1. Globale Hotspots

      Entwicklungen Additiver Technologien aus Sicht des internationalen Awards „3D Pioneers Challenge“ Simone Völcker, Christoph Völcker

      Zusammenfassung

      Durch welche Rahmenbedingungen, für welche Bereiche und mit welchen Errungenschaften entwickeln sich Additive Technologien und wie sind diese im globalen Kontext einzuordnen? Wie sind Deutschland und Europa im internationalen Vergleich dabei aufgestellt? Diesen Fragen widmet sich dieses Kapitel. Anhand anschaulicher Beiträge des internationalen Wettbewerbs „3D Pioneers Challenge“ werden zum einen zukunftsweisende Innovationen aus der Forschung aufgezeigt und zum anderen Entwicklungen von Applikationen, die sich für eine Implementierung in der etablierten herstellenden Industrie empfehlen. Mit diesem möglichen Paradigmenwechsel bieten sich Chancen für die Wirtschaft und die Industrie. Dies verlangt nach Kooperation, einer gemeinsamen Denkweise und Haltung („Mindset“) sowie Rückenwind durch Gesellschaft und Politik. Aufgaben, die sich global zwischen Asien, den USA und Europa unterschiedlich manifestieren.

   3. Kapitel 2. Meinungsmacher in Politik, Verbänden und Medien

      Additive Fertigung auf die wirtschaftspolitische Agenda Raban von Arnim, Justus Bobke

      Zusammenfassung

      Welche Akteure in Politik, Wirtschaft und Medien beschäftigen sich mit der Additiven Fertigung, wie wurde die öffentliche Diskussion in den vergangenen Jahren geführt und droht die Gefahr, in Europa und Deutschland abgehängt zu werden? Ein Ausblick auf die drängenden Fragestellungen und Herausforderungen sowie die Aktivitäten globaler Akteure wie den USA und Indien machen den Handlungsbedarf in Europa und Deutschland offensichtlich.

   4. Kapitel 3. Bildungsthema 3D-Druck? – Umsetzungsbeispiele in Schule, Studium und Weiterbildung

      Aktueller Stand und Implikationen für die Zukunft Thomas Russack, Christoph Hohoff

      Zusammenfassung

      Eine relevante Nutzung additiver Fertigungsverfahren erfordert Menschen, die sich für diese Technologie interessieren, bestenfalls begeistern, und diese auch professionell beherrschen. Dies wiederum setzt voraus, dass die dafür verantwortlichen Institutionen bereits in der Schulbildung sowie in den darauffolgenden Bildungsphasen eine angemessene Qualifizierung einleiten und fördern. Sofern es sich tatsächlich um eine wichtige – vielleicht sogar revolutionäre – Zukunftstechnologie handelt, kann man erwarten, dass industrieseitig auch die zugehörigen Bildungsangebote eingefordert und von staatlichen und privaten Einrichtungen umgesetzt werden. Dieser Beitrag beleuchtet exemplarische Bildungsangebote im Bereich der Additiven Fertigung im Kontext von Schulbildung, Hochschulstudium, Hochschulzertifikaten sowie hochschulexternen Zertifikaten. Es wird deutlich, dass der Handlungsbedarf in allen Bildungsstufen erkannt und bereits angegangen wurde. Allerdings befindet man sich oftmals noch in relativ frühen Phasen der Definition und des Ausbaus der Angebote.

   5. Kapitel 4. Digitale und digitalhybride Arbeitsweisen in der Arbeit mit Kulturgütern

      Joachim Weinhold, Miguel Helfrich

      Zusammenfassung

      Digitale 3D-Technologien haben sich auch in der Erforschung, Erhaltung und Restaurierung kultureller Güter zu einem wichtigen Werkzeug entwickelt und sind auch hier nicht mehr wegzudenken. Neben den etablierten, teilweise jahrhundertealten handwerklichen Verfahren werden zunehmend und selbstverständlich auch die digitalen Technologien genutzt, um Skulpturen, archäologische Fundstücke oder gar ganze Gebäude dreidimensional zu erfassen und diese Daten für die Forschung oder für die Herstellung von Ausstellungsstücken zu verwenden. In diesem Kapitel wird das Themenfeld der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in der Erforschung und Pflege von Kulturgütern aus Sicht der ZE3D und der Staatlichen Museen zu Berlin – insbesondere der Gipsformerei – anhand verschiedener Praxisbeispiele beleuchtet. Die Ausführungen stellen damit einen Werkstattbericht dar.

   6. Kapitel 5. Rechtsschutz im Bereich der Additiven Fertigung

      Schutz des geistigen Eigentums in der „dritten Dimension“ Markus Wiedemann

      Zusammenfassung

      Die rasante Entwicklung der Additiven Fertigung, gemeinhin bekannt als „3D-Druck“, hat in den vergangenen Jahren die Art und Weise revolutioniert, wie Produkte entwickelt, hergestellt und vertrieben werden. Dieses Kapitel setzt sich mit der Frage auseinander, welche gewerblichen Schutzrechte und rechtlichen Regelungen zum Schutz des geistigen Eigentums im Bereich des 3D-Drucks für Unternehmen relevant sind, wie mit einer Gewährleistungsmarke Standards im 3D-Druck geschaffen werden können und welche rechtlichen Herausforderungen der Einsatz Künstlicher Intelligenz im 3D-Druck mit sich bringt.

   7. Kapitel 6. Industrieller 3D-Druck als Enabler für die Digitalisierung

      Ralf Anderhofstadt

      Zusammenfassung

      Die industrielle Anwendung des 3D-Drucks hat das Potenzial, die Herangehensweise von Unternehmen an Produktentwicklung und Fertigung grundlegend zu revolutionieren. Leider werden die großen Potenziale in diesen Bereichen häufig nur rudimentär ausgeschöpft, unter anderem zum Beispiel in der Konstruktion und Produktentwicklung. Hier bietet der 3D-Druck jedoch mit bionischem Design und Leichtbau vielversprechende Ansätze. Als innovative Technologie besitzt die Additive Fertigung jedoch noch viele weitere Facetten, um die gesamte Wertschöpfungskette eines Unternehmens zu transformieren und gleichzeitig innovative Geschäftsmodelle zu ermöglichen. Dabei ist zu Beginn bereits zu beachten, dass emotionale Barrieren wie Überforderung, Unkenntnis, organisatorische Hindernisse und Motivationsprobleme den Erfolg von innovativen 3D-Druckprojekten behindern können und dies aktiv angegangen werden sollte. Die Verfügbarkeit präziser Daten spielt neben der menschlichen Komponenteeine der entscheidenden Rollen bei der Integration eines erfolgreichen 3D-Druckgeschäfts im jeweiligen Unternehmen im industriellen Kontext. In diesem Zusammenhang gewinnen digitale Zwillinge zunehmend an Bedeutung, da sie detaillierte Informationen über das Produkt und den Fertigungsprozess liefern. In Kombination mit einem digitalen Lager bieten diese digitalen Zwillinge wirtschaftliche und ökologische Vorteile und ermöglichen die bedarfsgesteuerte Produktion, also die Herstellung von Teilen nur dann und dort, wo sie benötigt werden. Dies eröffnet neue Vertriebswege und digitale Geschäftsmöglichkeiten, insbesondere in Kombination mit digitalem Lizenzmanagement. Die Digitalisierung durch den 3D-Druck und die Integration verschiedener Technologien wie Robotik, digitale Zwillinge und Virtual Reality in die moderne Fertigungswelt ermöglichen eine effiziente und nachhaltige Produktion. Dabei bildet die interdisziplinäre Zusammenarbeit die Grundlage für den Erfolg der digitalen Transformation in der Fertigungsindustrie. Insgesamt bietet der industrielle 3D-Druck somit durch sein hohes Digitalisierungspotential zahlreiche wirtschaftliche und ökologische Chancen, die eine umfassende Betrachtung und Zusammenarbeit erfordern, um sein volles Potenzial zu entfalten.

   8. Kapitel 7. Additive Fertigung und Marketing

      Technische Quantensprünge der breiten Öffentlichkeit nahebringen Justus Bobke

      Zusammenfassung

      Unternehmen, die Additive Fertigung nutzen, präsentieren dieses Narrativ selbstverständlich für ihr Marketing als plakativen Wettbewerbsvorteil. Hingegen schöpfen viele Branchen, Standorte und die Politik dieses Marketingpotenzial kaum aus, um ihre Fortschrittlichkeit zu demonstrieren. Das täte dem Standort Deutschland und Europa gut.

   9. Kapitel 8. Auswirkungen additiver Fertigungsmethoden auf globale Supply Chains und die maritime Logistik

      Jan Ninnemann

      Zusammenfassung

      Additive Fertigungsmethoden bieten Vorteile wie die Herstellung von Produkten in einem Stück, leichtere Teile durch hohle Strukturen, erhöhte Festigkeit und Anpassungsfähigkeit an Kundenwünsche. Obwohl die Einzelkosten oft höher sind, könnte der 3D-Druck langfristig konventionelle Massenfertigungsverfahren ersetzen. Dies liegt daran, dass der 3D-Druck keine Skaleneffekte wie Massenproduktion bietet, aber eine höhere Flexibilität. Im Bereich der maritimen Logistik eröffnet der 3D-Druck neue Perspektiven und Herausforderungen. Der vorliegende Beitrag untersucht die Auswirkungen auf globale Lieferketten und hebt die Bedeutung der Dezentralisierung der Produktion hervor. Die Technologie ermöglicht eine ortsnahe Produktion von Bauteilen, was die Abhängigkeit von globalen Lieferketten verringern und schnellere Reaktionen auf Nachfrageänderungen ermöglichen kann. Die Covid-19-Pandemie hat die globalen Lieferketten stark beeinflusst und der 3D-Druck könnte als Antwort auf solche Krisen dienen. Die Technologie wird als Möglichkeit betrachtet, flexiblere und widerstandsfähigere Lieferketten zu entwickeln. Trotz der potenziellen Vorteile stellt der 3D-Druck auch eine Herausforderung für etablierte Produktionsstandorte dar, da die Dezentralisierung zu einer Neubewertung von Logistikströmen führen könnte. Insgesamt wird der 3D-Druck als Schlüsselfaktor für die Zukunft der Produktion betrachtet, der nicht nur die Effizienz steigern, sondern auch nachhaltigere Praktiken ermöglichen kann. Unternehmen und Regierungen sollten gemeinsam daran arbeiten, die nachhaltigen Aspekte des 3D-Drucks zu stärken und technologische, organisatorische und regulatorische Herausforderungen anzugehen.

3. Wissenschaft und Transfer – Status Quo und Ausblick

   1. Frontmatter

   2. Kapitel 9. Druckwerkstoffe für die Additive Fertigung

      Sascha Peters

      Zusammenfassung

      Additive Technologien fördern die Transformation hin zu einer wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Wirtschaft mit digital vernetzten Wertschöpfungsketten. Als Ressourceneffizienztechnologie bieten 3D-Drucktechnologien vor allem Potenziale für einen materialübergreifenden Leichtbau in der Luftfahrt und im Automobilbau, zur Reduzierung der Emissionen im Bauwesen und für individualisierte Lösungen im Medizinbereich und in der Elektronik. Für die deutsche Industrie wird neben der Verfügbarkeit additiver Anlagentechnik vor allem auch der Zugriff auf applikationsspezifische Druckwerkstoffe mit einem hybriden Eigenschaftsprofil entscheidend werden. Gleichzeitig wird insbesondere die Kreislauffähigkeit der Materialien und genutzten Ressourcen zunehmend diskutiert.

   3. Kapitel 10. Rückverfolgbarkeit bei der pulverbasierten Additiven Fertigung

      Joachim Berlak

      Zusammenfassung

      Bei der Herstellung von Bauteilen mittels Additive Manufacturing (AM) wird der eingesetzte Pulverwerkstoff nicht vollständig verfestigt und unverbrauchtes Material kann je nach Zustand wiederverwendet werden. Da die Pulverzusammensetzung aber im Wesentlichen für die Produkteigenschaften verantwortlich ist, wird die Nachverfolgung über die Prozesskette von vor- und nachgelagerten Schritten immer notwendiger. Ein hierauf zugeschnittenes Manufacturing Execution System (Additive-MES) ermöglicht die auftrags- und behälterbasierte Nachverfolgung zusammen mit der Anlagenüberwachung durch Maschinenzustands- und Prozessdaten.

   4. Kapitel 11. Additive Fertigung in der Architektur

      Marc Schmit

      Zusammenfassung

      Die Digitalisierung und Additive Fertigung eröffnen neue Möglichkeiten in der Architektur, indem sie komplexe und ressourceneffiziente Strukturen ermöglichen. Diese Technologien sind besonders relevant angesichts der aktuellen Wohnungsbaukrise, da sie effiziente und kostengünstige Bauweisen fördern. Der 3D-Druck ermöglicht maßgeschneiderte Designs und schnelle Prototypenerstellung, was kreative Experimente und individualisierte Lösungen im Bauwesen unterstützt. Beispiele wie das TECLA-Projekt und die MX3D-Stahlbrücke demonstrieren das Potenzial dieser Technologien, obwohl die Skalierung und Integration in bestehende Bauprozesse noch Herausforderungen darstellen. Forschungseinrichtungen in Deutschland, Österreich und der Schweiz arbeiten an innovativen Projekten und Materialien, um die Leistung und Nachhaltigkeit zu verbessern. Der 3D-Druck bietet zudem Potenziale für das zirkuläre Bauen, das Verwenden von ökologischen Materialien und hybride Ansätze im Bauwesen. Die rechtliche Anerkennung und Standardisierung der 3D-Druckverfahren sind jedoch noch im Entwicklungsprozess. Trotz technischer und regulatorischer Herausforderungen wird erwartet, dass die additive Fertigung eine bedeutende Rolle im Bauwesen der Zukunft spielen wird, indem sie neue Gestaltungsansätze und effiziente Bauprozesse ermöglicht.

   5. Kapitel 12. 3D-Druck in der Bauwirtschaft

      Stefan Neudecker

      Zusammenfassung

      In der bisher noch bedingt automatisierten Baubranche stellt der 3D-Druck eine starke transformative Kraft mit hohem Innovationspotenzial dar. Extrusions-, Pulverbett- und hybride Fertigungsverfahren mit einer breiten Bandbreite von Baustoffen wie Beton, Stahl und Kunststoffe versprechen große Effizienz- und Kostenvorteile, planungssichere Prozesse und eine nachhaltige Entwicklung. Um einen breiten Einsatz dieser Technologie zu ermöglichen, müssen geeignete regulatorische Rahmenbedingungen geschaffen und die gesellschaftliche Akzeptanz verbessert werden.

   6. Kapitel 13. Status und Zukunft der Additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt

      Bastian Bossen, Mehar Medapati, Claus Emmelmann

      Zusammenfassung

      Der Beitrag diskutiert den aktuellen Status sowie Zukunftsaussichten der Additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) in der Luft- und Raumfahrt. Dafür wird zunächst der Status quo von AM sowie der vielfältigen Anwendungsfälle in der Luft- und Raumfahrtindustrie erläutert. Dabei wird sowohl auf strukturmechanische Bauteile wie Halterungselemente als auch multiphysikalisch beanspruchte Bauteile wie Raketentriebwerke oder Wärmetauscher eingegangen. Es werden technische Entwicklungen und Trends der additiven Fertigungstechnologien im Kontext der Luft- und Raumfahrtindustrie aufgezeigt. Im Folgenden werden die Zukunftsaussichten und Relevanz von AM diskutiert, insbesondere im Hinblick auf das Klimaziel, bis 2050 einen klimaneutralen Flugverkehr zu realisieren. Hierfür werden mögliche Forschungsbereiche und Anwendungsfälle aufgezeigt.

   7. Kapitel 14. Die Additive Fertigung als Bestandteil industrieller Fertigungsprozessketten

      Aktueller Stand und Herausforderungen Kristian Arntz, Martin Bock

      Zusammenfassung

      Die Verfahren des Metall-3D-Drucks haben sich in den letzten Jahren immer weiter im industriellen Umfeld verbreitet. Eine Vielzahl von so hergestellten Bauteilen benötigt nach dem eigentlichen 3D-Druck jedoch eine Finish-Bearbeitung. Die wirtschaftlich sinnvolle und technologisch machbare Gestaltung von Prozessketten zur Herstellung dieser Bauteile ist ein zentrales Anliegen des Beitrags. Aktuelle Herausforderungen werden beleuchtet und Lösungsansätze aufgezeigt.

   8. Kapitel 15. Verbesserte Nachhaltigkeit durch Berücksichtigung der Additiven Fertigung im Produktentwicklungsprozess

      Beispiel: Roboter-Untersetzungsgetriebe Jiapeng Wang, Stefan Dietz, Ju Han

      Zusammenfassung

      Die Additive Fertigung verringert bereits in vielen Unternehmen den Materialbedarf und -bestand, z. B. für Ersatzteile oder für kundenangepasste Teile. Die Nachhaltigkeit steigt so im Vergleich zu Unternehmen mit konventioneller Herstellung. Diese Art der Fertigung kann allerdings bei Berücksichtigung im vorgelagerten Produktentwicklungsprozess der Konstruktion manche bei konventioneller Fertigungstechnik und Montage als unwirtschaftlich verworfene Lösungsidee doch noch wirtschaftlich werden lassen. Denn durch Integration mancher Montageprozesse in den Prozess der Additiven Fertigung werden die Gesamtkosten verringert. In diesem Beitrag wird das Potenzial der Additiven Fertigung anhand eines praktischen Beispiels aufgezeigt. Zunächst wird ein Einblick in die methodische Produktentwicklung unter besonderer Berücksichtigung der Additiven Fertigung gegeben. Schon hier offenbaren sich Einsparmöglichkeiten für die spätere Montage durch Integration der Montage in den Prozess der Additiven Fertigung. Es folgt die Beschreibung des Anwendungsbeispiels, des sogenannten RV-Untersetzungsgetriebes, das in Roboterarmen Einsatz findet. Durch das Ersetzen von Massivmaterialbereichen in konventioneller Bauweise durch Materialbereiche mit Leichtbaustrukturen ergibt sich die gewünschte nachhaltige Materialeinsparung. Um nachzuweisen, dass die Teilegestaltung auch die voraussichtlichen Belastungen während der Nutzungsphase berücksichtigt, folgt ein statischer Festigkeitsnachweis mithilfe der Finiten-Elemente-Methode. Hierzu werden Probekörper aus der gleichen Leichtbaustruktur additiv hergestellt und einem Druckversuch unterworfen. Die hieraus gewonnenen mechanischen Kennwerte wie E-Modul und Querkontraktionszahl fließen in den folgenden statischen Festigkeitsnachweis ein.

   9. Kapitel 16. Additive Fertigung und ihr Potenzial in der Augenheilkunde

      Andrea Lietz-Partzsch, Belinda Bombera, Louise Partzsch

      Zusammenfassung

      Die Bedeutung der Additiven Fertigung nimmt in der Medizin bereits seit vielen Jahren immer mehr zu. Besonders im chirurgisch-orthopädischen Bereich oder auch in der Zahnheilkunde sind viele Anwendungen bereits in den medizinischen Alltag integriert, da die Möglichkeit, passgenaue Prothesen anzufertigen, für große Fortschritte gesorgt hat.

   10. Kapitel 17. Digitaler Workflow in der Kieferorthopädie

       Ralf Johannes Radlanski

       Zusammenfassung

       Der digitale Workflow in der Kieferorthopädie steigert die Effizienz, erhöht die Geschwindigkeit, verbessert die Qualität und erlaubt es den Ärzten, sich mit mehr Zeit der individuellen Betreuung der Patienten zu widmen. Dies ist möglich, weil geeignete Algorithmen große Datenmengen in kürzester Zeit verarbeiten und das Behandlungsteam von Routineaufgaben freistellen. Dabei werden auch menschliche Fehler reduziert. Die Diagnostik ist vorwiegend bildgebend, wobei auch im Einzelfall Modelle gedruckt werden können. Auf plastische Abdruckmassen und auf die Herstellung, Verwaltung und Lagerung von Gipsmodellen wird aber verzichtet. Die Diagnostik wird verbessert, indem alle einzelnen digitalen Datensätze mit geeigneter Software miteinander kombiniert ausgewertet werden können, zudem können einzelne Behandlungsschritte und das Ziel der Therapie simuliert werden. Zudem werden die Behandlungsgeräte, die in den Mund eingesetzt werden sollen, weitgehend und zunehmend im CAD-CAM-Verfahren hergestellt. Methoden der „Künstlichen Intelligenz“ werden in Diagnostik, Technologie und Evaluation weitgehend eingesetzt, über allem steht aber – unersetzbar – die fachärztliche Erfahrung.