Was kann 3-D-Druck?

Objektcollage von Additive Addicted

Die Addi­tive Ferti­gung (oder auch 3D-Druck genannt) ist heute kein Nieschen­thema für Manu­fak­turen mehr. Obwohl bereits seit 25 Jahren tech­nisch reali­sierbar, erfolgte der Durch­bruch erst in den letzten Jahren. Fast jeder hat davon bereits gehört, aber tatsäch­liche Anwen­dungen sind heute noch immer nicht überall sichtbar. 3D-Druck ist die zugleich über­schätz­teste und unter­schätz­teste Tech­no­logie unserer Zeit. Der Konsu­ment stellt sich den Star-Trek “Repli­kator” vor, der Dinge aus Energie erzeugt.

Additive Addicted macht es vor

Wie die Zukunft aussehen kann, macht das Desi­gner-Duo Addi­tive Addicted bereits heute vor. In der Arbeit des Design-Kollek­tivs Addi­tive Addicted begegnen sich Tech­no­lo­gien der digi­talen Ferti­gung und ein jahr­tau­sen­de­alter Werk­stoff: Porzellan. Um dessen beson­dere Eigen­schaften und Quali­täten hervor­treten zu lassen, entwi­ckelt das Kollektiv para­me­tri­sche und gene­ra­tive Stra­te­gien, mittels derer die Bewe­gungen eines kera­mi­schen 3D-Druckers program­miert und gesteuert werden. So entstehen Objekte mit fili­granen, hoch­kom­plexen Struk­turen, die an Texti­lien erin­nern. Aus der Symbiose von Tech­no­logie und Mate­rial erwächst ein unge­se­henes Formen­re­per­toire, das mit konven­tio­nellen kera­mi­schen Tech­niken nicht zu reali­sieren wäre.

Das Kollektiv wurde 2017 von der Produkt­de­si­gnerin und Kunst­his­to­ri­kerin Babette Wiezorek und dem Inter­ac­tion-Desi­gner Dawei Yang in Berlin gegründet. Addi­tive Addicted forscht und arbeitet im Span­nungs­feld von Mate­ri­al­ex­per­tise und -entwick­lung, von gene­ra­tiver Codie­rung und tech­no­lo­gi­scher Prozess­ge­stal­tung für addi­tive, compu­ter­ge­stützte Ferti­gungs­pro­zesse mit fluiden Mate­ria­lien mit beson­derem Schwer­punkt auf den kera­mi­schen Werk­stoffen. Einer­seits produ­ziert und vertreibt Addi­tive Addicted konfi­gu­rier­bare, kera­mi­sche Objekte, ande­rer­seits vermit­teln Work­shops die beson­deren Quali­täten des Verfah­rens und machen Anschluss­tech­no­lo­gien des Codie­rens und der gene­ra­tiven Gestal­tung erfahrbar.  Addi­tive Addicted begreift sich als Labor, das forscht, produ­ziert und vermit­telt und so die Poten­tiale des 3D-Druckes und der entste­henden digi­talen Indus­trie 4.0 auslotet, hinter­fragt und voran­treibt.

Complexity for free

Was bedeuten diese Expe­ri­mente für andere Anwen­dungs­sze­na­rien? Gemessen am Gewicht und Volumen konven­tio­nell gefer­tigter Bauteile sind addi­tive Herstel­lungs­ver­fahren in den meisten Fällen wesent­lich teurer. Eine der wich­tigsten Vorteile von 3D-Druck gegen­über herkömm­li­cher Ferti­gungs­ver­fahren ist die finan­zi­elle und tech­ni­sche Unab­hän­gig­keit von der Komple­xität der Bauteile. Wirt­schaft­liche Eckpunkte sind Mate­rial, Volumen, Bauraum und Druck­zeit – die Komple­xität spielt keine Rolle. Zur Herstel­lung eines Bauteils wird hierbei nur ein Urform­ver­fahren statt mehrerer verschie­dener Umform­ver­fahren (walzen, fräsen, biegen, bohren etc.) einge­setzt. Ähnlich revo­lu­tionär war die Erfin­dung des Kunst­stoff­spritz­guss. Dieser unter­liegt jedoch immer noch starken Beschrän­kungen von Entfor­mungs­rich­tungen, Mate­ri­al­stärken etc. und erfor­dert die Herstel­lung von sehr teuren Werk­zeugen.

In Addi­tiven Verfahren können sehr viel komple­xere Struk­turen und sogar innen­lie­gende beweg­liche Funk­ti­ons­teile herge­stellt werden. Schrauben, Muttern, Bolzen, Clips entfallen, und so auch deren Montage. Mittels eines intel­li­genten Designs können so durch Funk­ti­ons­in­te­gra­tion mehrerer Kompo­nenten in ein Bauteil, Mate­rial, Zeit und Geld gespart werden. Als Beispiel hierfür kann diese Kraft­stoff­ein­spritz­düse für Flug­zeug­trieb­werke dienen, wo 20 Bauteile zu einem Einzigen zusam­men­ge­fasst wurden.

Leichtbau

In der Luft­fahrt folgen aus geringen Einspa­rungen große Resul­tate. So ermit­telte die Luft­hansa, dass ein Kilo­gramm Gewichts­ein­spa­rung in einer ihrer MD-11 zur Einspa­rung von 10 Tonnen Kerosin pro Jahr führen. Was in der zivilen Luft­fahrt zu Ecoef­fi­zienz und Wirt­schaft­lich­keit führt, kann im Bau von Flug­drohnen zu Perfor­mance­ge­winn und längerer Flug­zeit führen und bereits im Gramm­be­reich große Auswir­kungen haben. In der Forschung werden durch 3D Druck heute schon Mate­ria­lien herge­stellt, die ein besseres Kraft-zu-Gewicht-Verhältnis aufweisen als die härtesten bekannten tech­ni­schen Mate­ria­lien. Die Kombi­na­tion aus druck­sta­bilen Struk­turen und verspannten Zugseilen, sowie para­me­tri­sches Design können hierbei ein viel­ver­spre­chendes Forschungs­feld darstellen.

Addi­tive Addicted, ‚N+1 Series‘

Miniaturisierung

In vielen Anwen­dung­felder spielt Minia­tu­ri­sie­rung eine immer größere Rolle. In der Elek­tronik wird Hard­ware zuneh­mend kleiner, in der Medizin können mini­mal­in­versiv immer mehr Opera­tionen reali­siert werden, selbst in der Raum­fahrt sind Nano-Cube-Sattelites mit 10 Zenti­meter Kanten­länge in Lage Aufgaben zu reali­sieren wie frühere tonnen­schwere Satteliten und verspre­chen bald zum Beispiel welt­um­span­nende Erdbeao­bach­tung und Kommu­ni­ka­tion im Schwarm. Die bereits erwähnten Vorteile im Leichtbau und die Erzeu­gung von komplexen Mikro­struk­turen werden durch neue Addi­tive-Ferti­gungs­tech­no­lo­gien wie der Multi­pho­ton­litho­gra­phie auf unge­ahnte Maßstäbe verklei­nert. Zwei Laser kreuzen sich in einem nano­me­ter­ge­nauen Raum­punkt und härten ein Polymer durch Wellen­über­la­ge­rung. Hierbei können Bauteile im Mikro­me­ter­be­reich reali­siert werden, die auf der Spitze eines mensch­li­chen Haares Platz finden. Auch wenn diese Tech­no­lo­gien noch nicht auf dem Markt erhält­lich sind, kann durch die vorherr­schend schnelle Entwick­lung bald damit gerechnet werden. Auf Indus­trie- und Produkt­de­si­gner, wie auch auf Hersteller kommen hier voll­kommen neue Möglich­keiten zu, die in größeren Maßstäben heute bereits expe­ri­men­tell unter­sucht werden können.

Schnelligkeit

Die Herstel­lung der einzelnen Teile von Produkten ist in addi­tiven Verfahren oft noch zeit­auf­wen­diger als in konven­tio­nellen. Die Entwick­lung und Produk­tion des Produktes an sich kann jedoch in einer Zeit reali­siert werden, die mit herkömm­li­chen Mitteln und Methoden nicht erreichbar sind. Statt nach jahre­langer Markt­for­schung, Entwick­lung und Produk­tion in Hundert­tau­sen­der­auf­lagen, kann durch addi­tiven Verfahren sehr früh und konti­nu­ier­lich produ­ziert werden. Eine schnelle Reak­tion auf plötz­liche Ereig­nisse und Markt­ent­wick­lungen kann einem Unter­nehmen enorme Wett­be­werbs­vor­teile und Image­ge­winn verschaffen. Da Produkte jedoch nicht eins zu eins in addi­tive Ferti­gungs­ver­fahren über­setzt werden können, ist es wichtig die ferti­gungs­ge­rechte Gestal­tung für rapid Manu­fac­tu­ring in Lehre und Forschung in den Fokus zu setzen. Ferner unter­scheidet sich die Entwurfs­me­thodik deut­lich. Schnelle itera­tive Schritte am vorläu­figen Endpro­dukt, eine agile Entwick­lung von Hard­ware ist heute noch uner­forscht und auch ein viel­ver­spre­chender design­theo­re­tisch Forschungs­an­satz, dessen Beschäf­ti­gung positiv auf Hoch­schule und umlie­gende Wirt­schaft wirken würde.

Designfreiheit

Mittels addi­tiver Ferti­gung sind Objekte reali­sierbar, die mit heutigen Produk­ti­ons­me­thoden nicht oder nur sehr aufwendig herzu­stellen sind. Der Gestal­tungs­raum und die Möglich­keiten der Herstel­lung erwei­tern sich enorm. Die Möglich­keiten dieser Tech­no­logie ist sehr eng mit denen der CAD-Konstruk­tion verbunden, die ihre Anwender vor neue Heraus­for­de­rungen stellen. Forschung in und durch Design sollte sich deshalb mit beiden Seiten beschäf­tigen.

Addi­tive Addicted – Digital Porce­lain Manu­fac­tu­ring

Wirtschaftlichkeit

Addi­tive Ferti­gungs­ver­fahren können enorme wirt­schaft­liche Vorteile mit sich bringen, die sich zwar nicht unbe­dingt in Stück­kosten, sondern viel­mehr syste­misch voll­ziehen. Durch addi­tive Produk­tion kann mehr in der Manu­faktur und monta­ge­frei produ­ziert werden, wodurch Zulie­fer­margen für Subkom­po­nenten und Montage entfallen. Die Verklei­ne­rung des Maschi­nen­parks und Perso­nal­kos­ten­ein­spa­rung durch ein einheit­li­ches Produk­ti­ons­mittel redu­ziert Fixkosten, Inves­ti­ti­ons­kosten und die Abhän­gig­keit und das Ausfall­ri­siko von Fach­per­sonal. Ferner kann ein güns­ti­gerer oder besserer Kunden­sup­port gewäh­leistet werden, wenn die Ersatz­teile nicht aus gela­gerten Produk­ti­ons­über­schüssen, sondern in On-Demand Produk­tion erfolgt. Bei der Entwick­lung und Produk­ti­ons­pla­nung verein­facht sich die Produk­ti­ons­kal­ku­la­tion, da für selbst produ­zierte Subkom­po­nenten keine Ange­bote einge­holt und abge­wartet werden müssen, sondern ledig­lich Maschi­nen­zeit, Bauraum­vo­lumen, Mate­rial selbst berechnet werden können. Diese kann unab­hängig von zu prognos­ti­zie­renden Absatz­zahlen erfolgen.

Entglobalisierung

In größeren, eher volks­wirt­schaft­li­chen Maßstäben wird mit Einzug der addi­tiven Ferti­gung auch eine Gegen­wir­kung zur sich globa­li­sie­renden Wirt­schaft erfolgen. Die Gesamt­wirt­schaft kann damit einen größeren Teil der Wert­schöp­fung im eigenen Land reali­sieren und die inter­na­tio­nale Abhän­gig­keit sinkt.

Dies hat jedoch auch auf die einzelnen Unter­nehmen spür­bare Auswir­kung, wenn sie auf addi­tive Ferti­gung umstellen. Eine größere Autarkie, entfal­lende Kommu­ni­ka­ti­ons­pro­bleme mit auslän­di­schen Part­nern, obso­lete auslän­di­sche Produk­ti­ons­nie­der­las­sungen und Geschäft­flüge zu weit entfernten Herstel­lern sparen Geld und redu­zieren Risiko.

Addi­tive Addicted, ‚Deep Blue 1‘ – Digital Porce­lain Manu­fac­tu­ring

Umwelt

Verschie­dene Effekte der addi­tiven Ferti­gung wirken sich positiv auf die Umwelt aus und haben zum Teil auch posi­tive wirt­schaf­liche Effekte, wenn dadurch nicht nur CO2 sondern auch Energie gespart wird. So redu­zieren sich durch Lean- und On-Demand-Produk­tion Lager­hal­tung, es findet keine Über­pro­duk­tion statt und da nah am Verbrauchsort produ­ziert wird verkürzen sich die Trans­port­wege. Die bereits zuvor erwähnten posi­tiven Effekte der Leich­bau­an­wen­dungen wirken sich vor allem im Trans­port, am stärksten dabei beim Flug­ver­kehr positiv aus.

Da ferti­gungs­ge­recht die Bauteil­menge und die Mate­ri­al­vie­falt redu­ziert wird, lassen sich die Mate­ria­lien sehr viel leichter iden­ti­fi­zieren und recy­clen. Zudem exis­tieren bereits viele gut recy­c­le­bare, bioba­sierte und auch manche abbau­bare Mate­ria­lien im Markt. Im Gegen­satz zu außer­eu­ro­päi­schen Grund­stoffen sind solche, die in Europa erhält­lich sind, besser auf Schad­stoffe wie giftige Weich­ma­cher und Flamm­hemmer kontrol­liert. Geschlos­sene Mate­ri­al­kreis­läufe lassen sich auf addi­tiver Ferti­gung basie­renden Geschäft­mo­dellen eher reali­sieren.

Addi­tive Addicted – Digital Porce­lain Manu­fac­tu­ring

Individualisierung

Einer der wich­tigsten posi­tiven Effekte addi­tiver Tech­no­lo­gien ist die Unab­hän­gig­keit von Stück­zahlen. Für die Produk­tion von Teilen ist es irrele­vant ob jedes Teil iden­tisch oder auch unter­schied­lich ist. Dies ermög­licht nicht nur die bereits erwähnte stück­zah­len­un­ab­hän­gige Produk­tion, sondern auch eine indi­vi­du­elle Anpas­sung jedes einzelnen Produktes für den jewei­ligen Kunden. Ob anhand der indi­vi­du­ellen ergo­no­mi­schen Bedürf­nisse, der konkret detail­lierten Körper­form in der Ortho­pädie- und Medi­zin­technik oder einfach anhand des Geschmacks des Kunden lassen sich Produkte in bestimmten Rahmen ohne zusätz­liche Produk­ti­ons­kosten indi­vi­dua­li­sieren. Beson­ders rele­vant ist hierbei das Feld des para­me­tri­schen Designs, weil die Anpas­sung der 3D Modelle auto­mat­sieren kann.

Unabhängigkeit und Flexibilität

Die bereits beschrie­benen Vorteile durch Unab­hän­gig­keit von Zulie­fe­rern, Halb­zeuge, Ersatz­teile und die gewon­nene Flexi­bi­lität durch Zeit­er­sparnis, entfal­lende Lager­hal­tung, Trans­port, Umrüsten und Einstellen von Maschinen gewinnen noch­mals an Rele­vanz, wenn diese nicht nur unter wirt­schaft­li­chen Aspekten betrachtet werden, sondern etwas über­haupt erst ermög­li­chen.

In schwer erreich­baren Gegenden wie unter Einfluss von Natur­ka­ta­stro­phen, in Kriegs­ge­bieten, in Entwick­lungs­län­dern, dünn besie­delten oder unbe­sie­delten Gegenden, auf Inseln und in See- und Raum­fahrt kann nicht mit einer uns bekannten Infra­struktur und Liefer­kette gerechnet werden. Ersatz­teile können oft nicht in dem Maße nah verfügbar gehalten, wie sie benö­tigt werden. Defekte Einzel­teile lassen ganze Maschinen und Systeme ausfallen die drin­gend benö­tigt werden könnten. Die Breit­hal­tung von z.B. sinter­barem Kunstoff- und Metall­pulver, Fila­ment oder prak­tisch überall verfüg­barem Gips, welches zu allem gemacht werden kann, was gerade benö­tigt wird ist hingegen viel leichter zu reali­sieren. Für all diese Szena­rien hätten Produkte, die in addi­tiven Verfahren herge­stellt werden und welche vom Hersteller mit einer Ersatz­teil­da­ten­bank gelie­fert werden ein unschlag­bares Verkaufs­ar­gu­ment.

Materialien

Unter den Begriff “Addi­tives Ferti­gungs­ver­fahren” oder “3D-Druck” werden viele verschie­dene Tech­no­lo­gien gefasst, die jeweils mit vielen unter­schied­li­chen Mate­ria­lien betrieben werden können. Jede besitzt ihre Vor- oder Nach­teile, spezi­elle Anwend­nungs­ge­biete und auch Poten­ziale in der Kombi­na­tion mit weiteren Verar­bei­tungs­schritten. Da in diesem Feld im Moment so viel Bewe­gung ist, ist die Forschung an Anwen­dungs- und Weiter­ver­ar­bei­tungs­mög­lich­keiten dieser neuen Mate­ria­lien beson­ders viel­ver­spre­chend. Im Folgenden werden einige Tech­no­lo­gien betrachtet und beschrieben auf welche Weise und mit wecher Aussicht beforscht werden können.

Fused Filament Fabrication

Fused Fila­ment Fabri­ca­tion (FFF) oder Fused Depo­si­tion Mode­ling (FDM; deutsch: Schmelz­schich­tung) bezeichnet ein addi­tives Ferti­gungs­ver­fahren, mit dem ein Werk­stück schicht­weise aus einem schmelz­fä­higen Kunst­stoff aufge­baut wird. Da die tech­ni­schen Anfor­de­rungen vergleichs­weise gering sind, sind die Maschinen und Mate­ria­lien heute sehr günstig. Da dieses Verfahren dadurch im Consu­mer­markt ange­kommen ist, ist in den letzten Jahren ein Markt gewachsen, der ständig neue Mate­ria­lien und bessere Drucker hervor­bringt. Die Möglich­keiten dieser Geräte bleiben begrenzt und manche Probleme, wie der ther­mi­sche Verzug der Werk­stücke konnte noch immer nicht zufrie­den­stel­lend gelöst werden. Die güns­tige und breite Verfüg­bar­keit macht die Tech­no­logie dennoch als Forschungs­thema sehr inter­es­sant. Heute befinden sich Mate­ria­lien, die zum Bespiel aus 80% Kupfer bestehen und damit schwach elek­trisch leitend und gut wärme­lei­tend sind. Kunst­stoffe, die bei Tempe­ra­tur­ver­än­de­rung ihr Farbe wech­seln, Biokunst­stoffe auf Lignin­basis oder die mit Holz- oder Bambus­faser gefüllt sind, Wachs­fi­la­ment, dass sich für den Bau für Guss­formen eignet und auch flexible Kunst­stoffe. Da es heute bereits Drucker mit mehreren Extrusi­ons­düsen gibt, lassen sich verschie­dene Mate­ria­lien in einem Bauteil kombi­nieren um zum Beispiel mit starren und flexi­blen Mate­ria­lien mecha­ni­sche Funk­tionen in ein Bauteil zu inte­grieren.

Addi­tive Addicted – Digital Porce­lain Manu­fac­tu­ring

Pulverdruckexperimente

Die FH-Potsdam verfügt über einen Pulver­dru­cker Z350. Das Pulver wird in einer Druck­kammer hauch­dünn und gleich­mäßig verteilt, danach wird es mit einem Druck­kopf ähnlich dem von Tinten­strahl­dru­ckern an den Stellen mit Binde­mittel benetzt, wo es später härten soll. Die Objekte sind nach dem Druck zwar fest, aber sehr instabil und porös. Erst nach Infil­trie­rung, z.B. mit Kunst­stoff, erhalten sie ihre finale Eigen­schaft.

Der Z350 Drucker wird im Moment mit einer Pulver-Binde­mittel Kombi­na­tion betrieben, das vom Hersteller zu relativ hohen Preisen vertrieben wird (Pulver 75€/kg, Binder 210€/Liter). Aus Veröf­fent­li­chungen vom “Solheim Addi­tive Manu­fac­tu­ring Labo­ra­tory in the Mecha­nical Engi­nee­ring Depart­ment on the Univer­sity of Washington Campus” sind heute alter­na­tive Kombi­na­tionen von Pulver und Binde­mittel bekannt. Dadurch ließen sich die Kosten auf einen kleinen Bruch­teil redu­zieren, weil sie auf Mate­ria­lien wie Gips, Malto­d­ex­trin und Alkohol basieren, die sehr günstig zu beschaffen sind. Modellbau und Proto­ty­ping ließe sich nicht nur am Ende der Design­pro­jekte einsetzen sondern iterativ in deren Verlauf. Darüber hinaus wurden “Mate­ri­al­re­zepte” veröf­fent­licht, die eine große Band­breite von Eigen­schaften hervor­bringen. Prin­zi­piell ist zum Beispiel jedes feste Mate­rial in Pulver­form druckbar, wenn es mit Malto­d­ex­trin, einer Zuckerart, vermischt wird. Als Binde­mittel lässt sich eine Mischung aus Wasser und Alkohol verwenden, welche die Zucker­mo­le­kühle vernetzt und damit andere Partikel einbindet. So lässt sich zum Beispiel bei der Verwen­dung von Reis­mehl-Malto­d­ex­trin-Pulver und nach Infil­trie­rung mit Wachs eine Ausschmelz­form herstellen, die in einem weiteren Verar­bei­tungs­schritt in einer Sand­form mit flüs­sigem Glas oder Metall ausge­gossen werden kann. Ziel der Anwen­dungs­for­schung im Pulver­druck könnte es zunächst sein, die Expe­ri­mente aus Washington zu wider­holen und geeig­nete Rezepte hand­habbar zu machen. Dadurch würden nicht nur die Möglich­keiten der Mate­ri­al­va­ria­tionen steigen, sondern Forschung wie Lehre im allge­meinen wirt­schaft­li­cher werden.

Keramik

Wir kommen zurück zu Addi­tive Addicted und zum Porzellan: Auch Keramik lässt sich als Pulver­ma­te­rial im zuvor beschrie­benen Verfahren einsetzen. Statt der Infil­trie­rung mit Kunst­stoff kann Keramik in einem zweiten Schritt in einem Kera­mik­brenn­ofen gesin­tert werden. Die Verwen­dung von Gips als Pulver­ma­te­rial verspricht darüber hinaus die Herstel­lung von Nega­tiv­formen zur Verwen­dung als Kera­mik­guss­form. Damit ließen sich Kera­miken auf Basis von 3D Modellen herstellen und verviel­fäl­tigen. Ein weiteres Einsatz­ge­biet von Keramik ist die Verwen­dung von flüs­siger Kera­mik­guss­masse und offen­po­rigem Schaum. Dieser wird damit getränkt, anschlie­ßend getrocknet und im Brenn­ofen gebrannt. Dabei entbin­dert die Schaum­kom­po­nente und übrig bleibt eine porige stabile und zugleich leichte Kermik-Schaum-Struktur. Das Verfahren wird heute zu Herstel­lung von Kera­mik­fil­tern für Filtrie­rung von Flüs­sig­keiten wie Gasen benutzt. Würde der Schwamm in ein 3D gedrucktes Exoske­lett gefasst werden, ließ sich dieser in jede erdenk­liche Volu­men­form bringen. Als beson­dere Eigen­schaft bieten Schaum­ke­ra­miken, wie die tech­nisch verwandten Metall­schaum­werk­stoffe, wegen ihrer sehr geringe Dichte, eine erheb­liche Gewichts­ein­spa­rung bei annä­hernder Beibe­hal­tung der mecha­ni­schen Eigen­schaften des Ausgangs­ma­te­rials. Sie sind daher auch für Konstruk­tionen der Leicht­bau­weise geeignet.

Aktueller Termin
Additive Addicted im Direktorenhaus
24.5.2019
Direktorenhaus, Berlin
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Ansprechpartner bei Meisterrat:
Claudia Wagner
wagner@direktorenhaus.com
Webseite
http://additiveaddicted.de