1987 wurde der erste kommerziell erhältliche 3D-Drucker der Welt vorgestellt. Die Möglichkeiten, die sich daraus ergaben, begeisterten Experten sofort. Sie waren sich sicher, dass die additive Fertigung alles von der Herstellung über die Bauweise bis hin zur wissenschaftlichen Forschung revolutionieren könnte.

Sie haben sich nicht geirrt. Nur dauerte es ein paar Jahre, oder besser gesagt, ein paar Jahrzehnte, bis die Technologie tatsächlich zum Einsatz kam.

Erst in den 2020er-Jahren begann die additive Fertigung für eine breite kommerzielle Nutzung relevant zu werden, wobei die technologischen Fortschritte eine Reihe von Vorteilen mit sich brachten:^[1]

• Geringere Prozesskomplexität durch einteilige Baugruppen^[2]
• Größere Gestaltungsfreiheit, Flexibilität und Effizienz
• Verkürzte Vorlaufzeit für Anwendungen wie Produktentwicklung und Kleinserienproduktion
• Höhere Stabilität der Lieferkette durch bedarfsgerechte Produktion vor Ort
• Geringere Logistikkosten
• Größere Nachhaltigkeit und operative Belastbarkeit

Trotz dieser Vorteile macht der 3D-Druck nur 0,1 Prozent des gesamten Fertigungsmarktes aus.^[3] In diesem Beitrag befassen wir uns mit der Entwicklung, den Herausforderungen und den zukünftigen Trends der additiven Fertigungstechnologien in verschiedenen Branchen.

Überwindung der Wachstumsschwierigkeiten der additiven Fertigung

Die additive Fertigung bringt zwar ein großes Potenzial für verschiedene Branchen mit sich, aber auch eine Reihe von Integrationsherausforderungen. Die 3D-Druck-Technologie ist in der Regel recht kostspielig, vor allem, wenn es sich um kommerzielle Systeme handelt. Da der 3D-Druck ursprünglich für die Herstellung von Prototypen entwickelt wurde, ist die Mehrzahl der allgemein verfügbaren Technologien nicht für großvolumige Applikationen geeignet. Die fehlende Unterstützung für die Massenproduktion erstreckt sich auch auf die Software, was die Integration des 3D-Drucks in digitalisierte Fabriken erschwert.

Die Steuerung der Qualität ist aufgrund der Natur des 3D-Drucks ebenfalls eine Herausforderung, da selbst die kleinste Abweichung einen ganzen Druck ruinieren kann. Viele Bauteile für den 3D-Druck erfordern auch Kenntnisse in der 3D-Modellierungstechnologie, und viele vorgefertigte CAD-Modelle sind entweder fehlerhaft oder haben eine inakzeptable Qualität.

Erschwerend kommt hinzu, dass die additive Fertigung bis vor Kurzem in Bezug auf die verwendbaren Materialien sehr restriktiv war, da die Drucke weitgehend auf Kunststoff und PLA beschränkt waren.^[4] Obwohl die Branche in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht hat, ist das Pulver- und Materialmanagement nach wie vor ein Problem.^[5]

In Branchen wie dem Baugewerbe steht die Einführung des 3D-Drucks aufgrund der langwierigen Prüfverfahren, die für Baumaterialien erforderlich sind, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, vor Herausforderungen. Die Materialzulassung kann kostspielig und zeitaufwendig sein, was die Akzeptanz in der Branche trotz der verfügbaren Fähigkeiten und des Know-hows der Entwickler verlangsamt hat.

Wo steht der Markt für additive Fertigung heute?

Während die additive Fertigung lange Zeit weitgehend auf Prototyping und Tooling beschränkt war, könnte sich das im Jahr 2024 ändern. Dank der jüngsten technologischen Fortschritte zeichnet sich die additive Fertigung heute durch folgende Merkmale aus:^[6]

• Weniger kostenintensiv dank der Einführung erschwinglicher Mittelklassemaschinen
• Schneller und genauer durch Softwareverbesserungen und effizientere Extruder und Laser
• Technisch leichter zugänglich durch eine Kombination aus Schulung und Ökosystementwicklung
• Stärker auf die Verwendung nachhaltiger Materialien ausgerichtet
• Verlagerung in Richtung Marktkonsolidierung, Zusammenarbeit und Serienproduktion
• Zunehmende Unterstützung von Massenproduktion und Großserienanwendungen

Neben diesen Fortschritten wird die additive Fertigung durch mehrere Trends beeinflusst und umgestaltet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Aufkommende Trends, die die Zukunft der additiven Fertigung bestimmen. (Quelle: 3D Universe)^[7]

Druck-Innovationen

Diese aufkommenden Trends haben zusammen mit technologischen Innovationen und Fortschritten bei den additiven Fertigungsanlagen mehrere erstaunliche neue Applikationen für die Technologie ermöglicht, die mehrere Branchen und vertikale Bereiche abdecken.^[8]

Bioprinting und mehr

Anfang 2024 führten Chirurgen in Korea die erste Transplantation eines 3D-gedruckten Organs durch, indem sie ihrem Patienten eine neue Luftröhre gaben, die vollständig aus Stammzellen bestand.^[9] Organe sind jedoch nur der Anfang. Letztendlich könnte das Bioprinting zur Herstellung von Zähnen, Muskelzellen, Knochen und möglicherweise ganzen Gliedmaßen verwendet werden.^[10]

Neben chirurgischen und rehabilitativen Anwendungen lassen sich mit der additiven Fertigung auch andere medizinische Produkte wie chirurgische Messgeräte, zahnmedizinische Geräte und Gussformen direkt vor Ort herstellen. Diese Art der Produktion könnte auch für die Notversorgung von Gebieten genutzt werden, die von anhaltenden Katastrophen betroffen sind. Außerdem können Apotheken ihre eigenen Medikamente direkt im Laden drucken, statt auf Lieferungen von Anbietern angewiesen zu sein.^[11]

Modellierung der Vergangenheit

Der 3D-Druck hat das Potenzial, bei der Rekonstruktion von Skeletten bis hin zu Städten zu helfen, insbesondere in Kombination mit generativer KI. Gerichtsmediziner und Wissenschaftler können die Technologie nicht nur nutzen, um Beweislücken zu schließen, sondern auch um genaue physische Rekonstruktionen von Tatorten zu erstellen. Archäologen und Anthropologen können sich die additive Fertigung zunutze machen, um mehr über alte Tiere, Völker, Städte und Zivilisationen zu erfahren.

Unterstützung für die Lieferkette der Zukunft

Angesichts der immer ausgefeilteren Drucker ist es durchaus denkbar, dass Konsumgüter in Zukunft direkt beim Verkauf benutzerdefiniert gedruckt werden, was zu einer Personalisierung in einem bisher nicht möglichen Umfang führt.

Auf zu den Sternen

Stellen Sie sich vor, Raumschiffe wären mit einem 3D-Drucker ausgestattet, mit dem sie bei Bedarf alle benötigten Gegenstände herstellen könnten. Mit diesem einen Gerät ließe sich die Menge der mitzuführenden Ersatzteile exponentiell reduzieren, was die Logistik bei der Erforschung des Weltraums erheblich vereinfachen würde. Die additive Fertigung könnte sogar für Bauwerke im Weltraum und für die Umgestaltung von Planeten eingesetzt werden.^[12]

Hybride Fertigung

Es ist unwahrscheinlich, dass die additive Fertigung jemals die traditionelle Produktion ersetzen wird. Das muss sie aber auch nicht. Allein die neuen Anwendungsfälle und die potenziellen Vorteile für Branchen wie Automotive, Luft- und Raumfahrt und Bauindustrie sind überzeugend.

Stattdessen werden wir wahrscheinlich eine Zukunft erleben, in der Unternehmen das Beste aus beiden Welten nutzen, indem sie traditionelle Fertigungstechniken für die Serienproduktion einsetzen und auf die additive Fertigung für maßgeschneiderte Produkte setzen, die die Grenzen des Machbaren immer weiter hinausschieben.

Quellen

[1] What is additive manufacturing? History and benefits. Zugriff Juli 2024. https://triditive.com/what-is-additive-manufacturing-history-and-benefits/.
[2] Padasak, Zachery. Top 10 Advantages and Disadvantages of Additive Manufacturing, 5. Oktober 2022. https://www.alphaprecisionpm.com/blog/top-10-advantages-and-disadvantages-of-using-additive-manufacturing.
[3] Vinoski, Jim. The Case For Bullishness On 3D Printing, 18. März 2024. https://www.forbes.com/sites/jimvinoski/2024/03/18/the-case-for-bullishness-on-3d-printing/.
[4] 3 Things That Are Holding Back 3d Printing Technology, 22. Mai 2022. https://lasertekservices.com/blogs/default-blog/3-things-that-are-holding-back-3d-printing-technology.
[5] Peels, Joris. RIP 3D Printing: 1987 – 2023, Complexity is Expensive, 13. Oktober 2023. https://3dprint.com/304204/rip-3d-printing-1987-2023-complexity-is-expensive-d/.
[6] Petch, Michael. 3D PRINTING TRENDS FOR 2024 – INDUSTRY EXPERT ANALYSIS ON WHAT TO WATCH THIS YEAR, 1. Februar 2024. https://3dprintingindustry.com/news/3d-printing-trends-for-2024-industry-expert-analysis-on-what-to-watch-this-year-228030/.
[7] 2024 3D PRINTING TRENDS TO WATCH FOR, 4. Januar 2024. https://shop3duniverse.com/blogs/digital-fabrication-in-the-news/2024-3d-printing-trends-to-watch-for.
[8] 25 (Unexpected) 3D Printing Use Cases. Zugriff 19. Juli 2024. https://formlabs.com/blog/25-unexpected-3d-printing-use-cases/.
[9] 3 Things That Are Holding Back 3d Printing Technology, 22. Mai 2022. https://lasertekservices.com/blogs/default-blog/3-things-that-are-holding-back-3d-printing-technology.
[10] Future technology: 22 ideas about to change our world, 7. Juli 2023. https://www.sciencefocus.com/future-technology/future-technology-22-ideas-about-to-change-our-world.
[11] Mesko, PhD, Dr. Bertalan. The Future of 3D Printing Drugs In Pharmacies Is Closer Than You Think, 9. August 2022. https://medicalfuturist.com/future-3d-printing-drugs-pharmacies-closer-think/.
[12] Floreano, Dario und Nicola Nosengo. The Plant-Inspired Robots That Could Colonize Mars, 9. Juli 2024. https://thereader.mitpress.mit.edu/the-plant-inspired-robots-that-could-colonize-mars/.