3-D-Druck: Ein Blick auf die sich verändernden Trends in der additiven Fertigung

Einerseits warf sie ein grelles Licht auf die Schnelligkeit und Flexibilität der Technologie, da sowohl Einzelpersonen als auch Unternehmen sie nutzten, um lebenswichtige Komponenten zu produzieren, die benötigt wurden, um Lücken in unterbrochenen Lieferketten zu schließen, so Wohlers Associates, ein seit 34 Jahren bestehendes Beratungsunternehmen mit Sitz in Fort Collins, Colorado.

Auf der anderen Seite wurde die explosive, jahrelange Expansion des 3D-Drucks gebremst: Das Wachstum der weltweiten Branche verlangsamte sich im vergangenen Jahr auf 7,5 Prozent, verglichen mit einem Jahresdurchschnitt von 27,4 Prozent im vorangegangenen Jahrzehnt, so die 26. jährliche Ausgabe des Wohlers Report. Die Branche erreichte im vergangenen Jahr einen Gesamtwert von fast 12,8 Milliarden US-Dollar, schätzt der 375-seitige Bericht.

Darüber hinaus, so Hauptberater und Präsident Terry Wohlers in einem Telefoninterview am 12. April, verzeichneten die meisten etablierten Hersteller von AM-Systemen im Jahr 2020 sogar einen Rückgang der Geräteverkäufe. Gleichzeitig wuchsen jedoch viele weniger etablierte Ausrüstungsunternehmen im Jahr 2020, und AM-Dienstleister konnten ihr Geschäft ausbauen. So viele Unternehmen sind jetzt im AM-Anlagengeschäft, sagte er, "und es werden immer mehr."

In einem der berühmtesten Fälle, in dem AM eine Krise angegangen ist, gingen die Vorräte eines lebenswichtigen Beatmungsventils im Chiari-Krankenhaus in Brescia zur Neige, kurz nachdem der Coronavirus-Ausbruch im März 2020 in Norditalien wütete. Das sogenannte Venturi-Ventil wird an die Gesichtsmaske eines Patienten angeschlossen, um Sauerstoff in einer festen Konzentration abzugeben, und die Ventile müssen für jeden Patienten ausgetauscht werden.

Ein lokales Ingenieurs-Start-up namens Isinnova hörte an einem Freitag von dem Notfall, entwickelte das 11.000-Dollar-Teil nach und verwendete ein Filament-Extrusionssystem, um nur zwei Tage später vor Ort im Krankenhaus kostenlos Ersatzventile in 3D zu drucken. Das Unternehmen schätzte die Kosten für den Druck der Ventile, auf deren übliche medizinische Zertifizierung aufgrund der Notfallsituation verzichtet wurde, auf 2-3 Euro pro Stück. Die schnelle Aktion soll das Leben von 10 Covid-19-Patienten gerettet haben.

Christian Fracassi, der 36-jährige Gründer und CEO von Isinnova, der einen Doktortitel in Materialwissenschaften mit dem Schwerpunkt Polymere besitzt, sagte damals dem Magazin Forbes: "Wir haben am Sonntag 100 Stück davon gedruckt und dem Krankenhaus geschenkt. Sie funktionieren sehr gut."

In den darauffolgenden Monaten traten auch zahlreiche andere Unternehmen in Aktion und druckten verschiedene persönliche Schutzausrüstungen und -geräte in 3D und trugen in vielen Fällen dazu bei, den Bedürftigen schnell zu helfen.

Wohlers sagte, er erwarte, dass die additive Fertigung als Ganzes durch die Pandemie in Mitleidenschaft gezogen werde. Basierend auf anekdotischen Informationen sagte er: "Wenn Sie mich irgendwann Mitte letzten Jahres gefragt hätten, hätte ich einen Rückgang in der AM-Industrie von vielleicht 20-25 Prozent prognostiziert."

Wohlers Associates führte daraufhin seine jährliche Umfrage unter den Akteuren in allen Segmenten der Branche weltweit durch, und "wir erhielten eine Lawine von Daten", sagte er. Als Wohlers und sein Team anfingen, diese zu analysieren, waren sie erstaunt, dass die Branche trotz aller Herausforderungen immer noch ein Wachstum verzeichnete.

"Wir glauben, dass die Produktion von Nasenspritzen und Teilen, die in Gesichtsschutzschilde und Beatmungsgeräte eingebaut werden, [zum Wachstum] beigetragen hat - aber in welchem Ausmaß, weiß ich nicht. Es ist unmöglich, das zu quantifizieren.

"Ich denke, dass der größte Teil des Wachstumsbeitrags von den Industriesektoren kam, die von der Pandemie profitierten. Alles, was im Freien stattfindet - Wandern, Radfahren, Skifahren, Bootfahren, Camping, Schuhe - diese Sektoren florierten in großem Stil."

Der medizinische Markt ist im Allgemeinen ziemlich widerstandsfähig, bemerkte er. Viele elektive Operationen, wie z.B. Hüft- und Kniegelenkersatz, wurden aufgrund der Pandemie verschoben, aber es gibt einen anhaltenden Bedarf an Modellen und Komponenten, um Unfälle und Notfälle zu bewältigen.

Andere AM-intensive Sektoren, wie z.B. die zivile Luftfahrt und (bis Ende letzten Jahres) die Automobilbranche, mussten dagegen Einbußen hinnehmen, sagte er.

Nach mehr als 30 Jahren, in denen Photopolymere das am häufigsten verwendete Material in der AM waren, hat Polyamid (Nylon) endlich aufgeholt, so Wohlers. Photopolymere seien vor allem für Modelle und Prototypenteile verwendet worden. Aber mit der zunehmenden Verbreitung des Pulverbettschmelzens als AM-Verfahren drucken Unternehmen zunehmend kommerzielle Teile, und für diese Anwendungen ist das langlebige, gut bekannte Nylon oft das Material der Wahl. 

Wenn es um 3D-gedruckte Metalle geht, ist Titan traditionell das am häufigsten verwendete Material, aber im letzten Jahr wurde es von Aluminium als beliebtestes Material überholt. Bis vor wenigen Jahren war es schwierig, ein qualitativ hochwertiges Aluminium für die additive Fertigung zu finden, so Wohlers, aber inzwischen wurden viele Aluminiumlegierungen entwickelt, die preiswerter sind als viele Metallalternativen.

Wohlers Associates fragte Unternehmen, wie stark die Nutzung des 3D-Drucks in ihrem Unternehmen für Produktionsanwendungen zugenommen hat. Sie erhielten Daten von Hunderten von Unternehmen, die berichteten, dass ihre Nutzung für die Produktion im Jahr 2020 im Durchschnitt um 23,9 Prozent im Vergleich zum Vorjahr gestiegen ist.

Dafür könne es viele Gründe geben, so Wohlers, darunter das gestiegene Vertrauen in den Prozess, die Verfügbarkeit von mehr Standards und die wachsende Anerkennung der Notwendigkeit, für die additive Fertigung zu konstruieren (DfAM). "Wenn man einfach so konstruiert, wie man es schon immer für die konventionelle Fertigung getan hat, egal ob es sich um das Formen, Gießen oder die spanende Bearbeitung handelt, funktioniert das fast immer gegen die additive Fertigung", sagte er. "Es passt einfach nicht zusammen."

Durch den Einsatz von DfAM kann man oft eine Teilekonsolidierung und Topologieoptimierung realisieren, was zu einem geringeren Gewicht und einem reduzierten Materialeinsatz führt. Die Möglichkeit, den Einsatz des oft teuren Stützmaterials, insbesondere bei Metallen, zu reduzieren, ist ebenfalls ein wichtiger AM-Vorteil, der Material- und Arbeitskosten sowie Zeit spart.

"Man kann Wege finden, das Trägermaterial auf ein Minimum zu reduzieren und es in dauerhafte Merkmale zu verwandeln", so Wohlers. "Es kann ein Showstopper sein, wenn man die Methoden des DfAM nicht in Betracht zieht."

In seiner Umfrage fragte Wohlers die Dienstleister, die zu den größten und anspruchsvollsten Anwendern gehören, welches AM-Verfahren für sie im Jahr 2020 am profitabelsten sein wird. Zum ersten Mal war die Pulverbettfusion (PBF) von HP Inc. die erste Wahl, auf Platz zwei lag die Metall-PBF der EOS GmbH, gefolgt von der Polymer-PBF von EOS und dann der Stereolithografie von 3D Systems.

Die Kategorie "Sonstige" in der Grafik, die mit 24,3 Prozent eine führende Position einnimmt, zeigt, dass sich diese Dienstleister in erstaunlichem Maße für den Kauf und die Nutzung von AM-Ausrüstung von vielen kleinen, aufstrebenden Anbietern entscheiden, während die etablierteren Hersteller von AM-Systemen im letzten Jahr einen Umsatzeinbruch verzeichneten. Laut Wohlers Report 2021 verzeichneten unabhängige Dienstleister weltweit ein Wachstum von 7,1 Prozent im Jahr 2020, was zu einem Umsatz von fast 5,3 Milliarden US-Dollar in dieser Gruppe führt.

Der 27-Milliarden-Dollar-Auftragsfertiger und Supply-Chain-Spezialist Jabil Inc. ist ebenfalls ein aktiver Befürworter der additiven Fertigung, und das in St. Petersburg, Florida, ansässige Unternehmen veröffentlichte im März seine eigene Umfrage unter AM-Entscheidungsträgern in einem 38-seitigen Bericht mit dem Titel "3D Printing Technology Trends". Das Unternehmen, das 2017 und 2019 ähnliche Studien durchgeführt hat, gibt an, dass 302 qualifizierte Personen die Online-Umfrage ausgefüllt haben - allesamt verantwortlich für Entscheidungen im Zusammenhang mit 3D-Druck in Fertigungsunternehmen mit einem Jahresumsatz von mehr als 500 Millionen US-Dollar.

- Die Nutzung des 3D-Drucks für Funktions- oder Endverbrauchsteile nimmt weiter zu; fast 55 Prozent geben an, dass sie mindestens ein Viertel ihrer 3D-Druckkapazitäten für die Produktion von Funktions- oder Endverbrauchsteilen nutzen
- Der Einsatz von Prototypen ist gleich geblieben, aber alle anderen Anwendungen des 3D-Drucks haben in den letzten zwei Jahren deutlich zugenommen
- Unternehmen, die Produktionsteile herstellen, verfügen mit größerer Wahrscheinlichkeit über mehr als 100 3D-Drucker
- Die Erwartungen für ein extremes Wachstum des 3D-Drucks setzen sich auch 2021 fort. 87 Prozent sagen voraus, dass sich ihre Nutzung in den nächsten fünf Jahren mindestens verdoppeln wird
- Der 3D-Druck hat den größten Einfluss in den frühen Phasen des Produktlebenszyklus (d.h. Design und Prototyping)
- Die Erwartungen an das Wachstum des 3D-Drucks in der Produktion bleiben hoch
- Probleme mit dem 3D-Druck in der Produktion bleiben bestehen; im Vergleich zu 2019 stiegen die Plattformprobleme um 8 Prozent und die Ökosystemprobleme um 13 Prozent. Skalierbarkeitsprobleme stiegen im Vergleich zu 2019 um 5 Prozent.
- Die Befragten erwarten eine breite Palette von Vorteilen, insbesondere die Fähigkeit, Teile schnell zu liefern, niedrigere Produktionskosten, schnelle Reaktionen auf Probleme an der Produktionslinie und die Herstellung personalisierter und kundenspezifischer Waren
- Ein höheres Maß an potenziellen Vorteilen wurde von den Führungskräften berichtet
- Mehr als die Hälfte der Führungskräfte betrachtet den 3D-Druck als strategisch

Laut der Jabil-Studie hat die Verwendung aller Arten von Materialien in den letzten zwei Jahren sprunghaft zugenommen. Kunststoffe und Polymere stehen weiterhin an der Spitze der Rangliste, aber die Verwendung von Verbundwerkstoffen und Metallen im AM wächst schnell. "Mehr als ein Drittel der Befragten antwortete, dass sie Kunststoffe und Metalle gleichermaßen verwenden, und selbst unter denjenigen, die entweder Kunststoffe oder Metalle auswählten, hatten Kunststoffe nur einen Vorsprung von 12 Prozent", so die aktuelle Studie.

Doch trotz des Anstiegs der Nutzung aller Arten von Materialien sagen die Hersteller, dass sie immer noch Herausforderungen in Bezug auf additive Fertigungsmaterialien zu bewältigen haben. Als größtes Problem wird 2021 genannt, dass die Entwicklung der Materialien zu lange dauert, gefolgt von der Frage, wie teuer die gewünschten Materialien sind, um sie in großem Maßstab einzusetzen.

Und so geht die Einführung der additiven Fertigung weiter, trotz einer Vielzahl von Herausforderungen. Obwohl der 3D-Druck oft noch als aufstrebende Technologie angesehen wird, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass er bereits in den 1980er Jahren entwickelt wurde. Doch die technologischen Fortschritte schreiten weiter voran und machen die Herstellung komplizierter, komplexer und hochfunktionaler Teile aus einer Vielzahl von Materialien heute so einfach wie nie zuvor in unserer Geschichte.

Weitere Informationen zum Wohlers Report 2021 finden Sie unter: https://wohlersassociates.com/2021report.htm

Die vollständige Jabil-Studie finden Sie unter: https://www.jabil.com/blog/3d-printing-trends-show-positive-outlook.html