Der 3D-Druck oder die additive Fertigung bringt in einer Reihe wichtiger Branchen gewaltige Veränderungen mit sich. Unternehmen haben damit begonnen, alles zu drucken, von voll funktionsfähigen Autos bis hin zu Michelin-Sterne-Dinners. Medizinische Forschungsinstitute haben sogar damit experimentiert, funktionierende Körperteile zu drucken.
Vor kurzem hat die additive Fertigung ihre praktische Vielseitigkeit unter Beweis gestellt. Es wird zu einem leistungsstarken Instrument zur Bewältigung einiger der beispiellosen Herausforderungen, die sich durch COVID-19 ergeben. Unterstützung bei der Versorgung von Gesundheitspersonal mit persönlicher Schutzausrüstung und Patienten mit Beatmungsgeräten.
Fortschrittliche Fertigungswerkzeuge wie der 3D-Druck – auch als additive Fertigung bekannt – sind für die Arten von leistungsempfindlichen Anwendungen unerlässlich, bei denen diese Optimierung zwingend erforderlich ist.
Der 3D-Druck ist bei geringeren Produktionsmengen kostengünstiger. Weil Sie keine Skaleneffekte erzielen müssen, um die Einrichtungskosten auszugleichen. Daher erleichtert es die Massenanpassung, die generatives Design ermöglicht. Da die Kosten des 3D-Drucks weiter sinken und die Vielfalt der Materialien zunimmt, wird der 3D-Druck für kleine und mittelgroße Teile für immer mehr Anwendungen praktisch.
Die Elektrofahrzeug- und Automobilindustrie nimmt mit den neuesten Technologien und Innovationen eine herausragende Stellung in der Fertigung ein. Die Elektrik und Elektronik von Kraftfahrzeugen wird immer komplexer. Die Aufgabe, die heutigen Autos zu konstruieren, wird viel schwieriger. Infotainment, Komfort- und Komfortfunktionen und sogar sicherheits- und geschäftskritische Systeme wie Lenkung und Drosselklappensteuerung werden durch elektrisch betriebene Computer, Aktuatoren und Sensoren realisiert.
Additive Fertigung mit Hilfe von Generative Design nimmt Systemdefinitionen und Anforderungen als Input und generiert Architekturvorschläge für die Logik, Software, Hardware und Netzwerke der E/E-Systeme durch regelbasierte Automatisierung. Diese Regeln erfassen das Wissen und die Erfahrung der erfahrenen Ingenieure, um jüngere Ingenieure durch die Konstruktion zu führen. Die Erfassung dieses geistigen Eigentums hilft Unternehmen, sowohl Fahrzeugarchitekturen als auch neue Generationen von Ingenieuren zu entwickeln, während sie vorhandenes Unternehmenswissen erlernen und implementieren.
Es bietet auch die Möglichkeit, Teile zu konsolidieren, sodass eine einzelne komplexe Geometrie, die durch einen generativen Algorithmus erstellt und 3D-gedruckt wurde, oft Baugruppen aus Dutzenden von separaten Teilen ersetzen kann.
Luft- und Raumfahrt
Die Luft- und Raumfahrtindustrie war immer auf dem neuesten Stand und hat die additive Fertigung schon früh eingesetzt. Luft- und Raumfahrtunternehmen müssen einige der strengsten Standards der Fertigungsindustrie erfüllen, und Teile und Komponenten müssen aus den leistungsstärksten Materialien bestehen. Mit AM können Ingenieure komplexe, hochfeste Teile konstruieren und gleichzeitig das Gewicht von Luft- und Raumfahrtkomponenten reduzieren, indem sie effizientere Geometrien drucken und erhebliche Mengen unnötigen Materials eliminieren. Dies ermöglicht einen geringeren Kraftstoffverbrauch, reduzierte CO2-Emissionen und reduzierte Kosten (plus bessere Flugpreise).
Consumer Products
Die additive Fertigung bietet eine Vielzahl von Vorteilen für die Herstellung von On-Demand-Ergänzungen für verbraucherbasierte Produkte. Marketingteams, die ein Produkt vom Konzept bis zur Fertigstellung begleiten, verbringen oft die meiste Zeit mit Design. Um sicherzustellen, dass das Produkt genau richtig ist, wird viel Zeit darauf verwendet, Prototypen zu erstellen, um Konzepte gegenüber den Beteiligten zu beweisen und letztendlich ein verbraucherfreundliches Produkt zu liefern.
Durch die Einführung von AM können Marketingteams Iterationen ihres Produkts viel schneller entwickeln und dann schnell drehen, um das Design nach Bedarf anzupassen. Da die additive Fertigung mit dem Bauvolumen und der Geschwindigkeit weiter voranschreitet, können durch AM-Technologien mehr Verbraucherprodukte für schnelle und effiziente Massenproduktionsanforderungen hergestellt werden.
Infrastruktur
Es ist nicht mehr weit hergeholt, in einem Haus zu leben oder über eine Brücke zu laufen, die komplett aus einem 3D-Drucker besteht. Bald könnte dies Realität werden. Tatsächlich wurde 3 bereits in den Niederlanden die erste 2018D-gedruckte Fußgängerbrücke der Welt vorgestellt. Die Struktur wurde durch additive Roboterschichtung von geschmolzenem Stahl erstellt und misst fast 40 Meter im Durchmesser.
Die additive Fertigung im Baumarkt expandiert und läutet eine neue Ära für die Branche ein. Laut einer Studie von Transparency Market Research wird der 3D-Druck im Infrastruktur-Sekretariat bis 33 mit einer CAGR von 2027 Prozent wachsen. Da gedruckte Materialien beim Infrastruktur- oder Gebäudebau präzise Schicht für Schicht aufgetragen werden können, reduziert AM den Materialverschwendung und ermöglicht eine möglichst kostengünstige Konstruktion.
Zusätzlich 3D-Druck Technologie ermöglicht komplexe Designstrukturen. Da die Materialien präzise gedruckt werden, verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Infrastrukturunfällen aufgrund von Konstruktionsfehlern und schlechtem Design.
Während der 3D-Druck im alltäglichen Brückenbau noch nicht zum Einsatz kommt, gibt es im Zuge der Expansion der Branche viele Zukunftspotenziale. Und da ein kürzlich veröffentlichter Bericht feststellt, dass über ein Drittel aller US-Brücken größere Reparaturarbeiten benötigen oder ersetzt werden sollten, könnte die Branche in naher Zukunft schnell expandieren.
Medical & Pharma
Die additive Fertigung hat die Medizinindustrie revolutioniert und aus einst Science-Fiction eine neue Realität gemacht. Die Technologie verschafft Ärzten, Patienten und Forschungseinrichtungen Durchbrüche. Von langlebiger Prothetik über naturgetreue anatomische Modelle bis hin zu chirurgischen Komponenten – die unglaubliche Fülle an bereits erfolgreich gedruckten Objekten im medizinischen Bereich gibt einen Einblick in das Potenzial dieser Technologie für das Gesundheitswesen in naher Zukunft.
Die additive Fertigung ermöglicht beispielsweise 3D gedruckte Dentalgeräte und maßgefertigte Geräte wie Zahnersatz, Kronen und sogar Invisalign, die aus einer Vielzahl von Substraten und individuell angepassten Drucken hergestellt werden können. Derzeit wird der 3D-Druckmarkt für die digitale Zahnmedizin auf 2.5 Milliarden US-Dollar geschätzt – und es wird erwartet, dass er weiter wachsen wird. Darüber hinaus ermöglicht die additive Fertigung Geräte wie Hörgeräte, die in Massenproduktion hergestellt werden können, um eine bessere Passform zu gewährleisten, um dem Benutzer ein Höchstmaß an Komfort zu gewährleisten.
Eines der jüngsten laufenden Projekte ist der Einsatz von additiver Technologie durch Forscher, um humane embryonale Stammzellen zu drucken. Auf diese Weise können diese Stammzellen dann verwendet werden, um Gewebe zum Testen von Medikamenten oder zum Wachstum von Ersatzorganen herzustellen, um Haut zu drucken, die verbrannte oder beschädigte Haut ersetzen könnte, und um Krebszellen zu drucken, um neue Medikamente an ihnen zu untersuchen und zu testen. Der Chirurg Anthony Atala, Direktor des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, hat sogar am Drucken von Organen gearbeitet, da er glaubt, dass der Druck eines Organs bald die Transplantation eines Organs ersetzen könnte.
Daher führt die additive Fertigung die Industrien und Hersteller in eine Ära, in der die traditionellen Fertigungsverfahren aufgebrochen werden und schnellere, bessere und präzisere Lösungen für die Herstellung zukünftiger Industrien und Produkte übrig bleiben.
Mayank Vasisht | ELE-Zeiten | Technologiejournalist