3-D-Druck – Additive Fertigung

Erste Versuche mit 3-D-Druckverfahren gab es bereits in den 1950er- und 1960er-Jahren. 1984 wurde der weltweit erste 3-D-Drucker vorgestellt und seitdem kamen immer mehr 3-D-Druckmaschinen und 3-D-Dienstleister auf den Markt. Es werden nicht nur immer neue Druckverfahren entwickelt, auch die Zahl der verwendeten Materialien ist rapide angestiegen.

Auf der einen Seite wird der 3-D-Druck von Unternehmen genutzt, um vom Prototyp bis zur Kleinserien- oder Sonderfertigung funktionale Bauteile flexibel herzustellen. Auf der anderen Seite sind es Bastler, die im Hobbykeller, offenen Werkstätten oder sogenannten „Repair Cafés“ Gegenstände aller Art anfertigen. Das Spektrum der hergestellten Produkte reicht von selbst entworfenen Schachfiguren bis zu Ersatzteilen für Haushalts- und Elektrogeräte.

Additive Fertigung immer mehr im Kommen

„Deutschland druckt digital“ und „Additive Fertigung revolutioniert die Produktion“ hieß es bereits 2017 auf dem Titelblatt einer Broschüre des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF 2017). Das klang großspurig, doch die Marktzahlen sprechen für sich. Laut den Prognosen von Statista ist das Marktvolumen der Additiven Fertigung weltweit von einer Milliarde Euro 2010 auf 4,5 Milliarden Euro 2018 angewachsen und wird bis 2023 auf 7,7 Milliarden Euro steigen (Statista 2022). Bis 2025 soll der Markt für die Additive Fertigung für Polymere und Metalle auf über 17 Milliarden Euro anwachsen.

Dass 3-D-Druck den Kinderschuhen entwächst, zeigt sich auch daran, dass sich eigene Messen, Webinare und Fachzeitschriften für additive Fertigungsverfahren etablieren. Es wird immer deutlicher, dass Additive Fertigung nicht länger als Nische, Hype oder Zukunftsvision einzuordnen ist, sondern Realität wurde und sich einen festen Platz neben anderen Fertigungsverfahren erobert hat. Nicht selten wird Additive Fertigung auch als Teil der digitalen industriellen Revolution oder als Treiber von Industrie 4.0 betrachtet.

Was ist additive Fertigung?

Als Additive oder generative Fertigung werden solche Verfahren bezeichnet, die Bauteile durch Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen herstellen. Dies erfolgt in der Regel automatisiert und schichtweise, daher ist auch von automatisiertem Schichtbauverfahren die Rede. Der Vollständigkeit halber sollten – neben additiven und subtraktiven – die Gussverfahren und Spritzgusstechniken als formende Verfahren erwähnt werden.

Vorteile der additiven gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren

• Maximale Designfreiheit: 3-D-Druck erlaubt komplexe Geometrien, auch mit Hohlräumen oder ineinander verschachtelten Formen. Es können Bauteile konstruiert werden, die aus Gründen der Topologie durch klassische Verfahren gar nicht in einem Schritt (und mit entsprechenden Mehrkosten) herstellbar wären. Die Gestalt eines Druckobjekts und damit seine Funktionalität wird unabhängiger von der Fertigungstechnik.
• Individualisierung: 3-D-Druck vereinfacht das Individualisieren von Produkten und die Fertigung bis hinunter zur Losgröße 1. Produkte können schneller den Bedürfnissen des Kunden angepasst werden. Selbst sogenannte Massenindividualisierungen, etwa in Form von personalisierten Kleinserien, sind realisierbar.
• Schnelligkeit: Nicht zufällig wurden die ersten 3-D-Drucker häufig für den Prototypenbau genutzt, bei dem Zeit ein entscheidender Faktor ist. Attraktive, anschauliche und haptische, d.h. im eigentlichen Wortsinn begreifbare Modelle werden durch ein „Overnight-Printing“ herstellbar. Konstruktion und Funktionalität können rasch überprüft werden, sodass sich durch „Rapid Prototyping“ die Produktentwicklung beschleunigt.
• In-situ-Fertigung: 3-D-Produkte lassen sich hier und jetzt produzieren, d.h. dort, wo sie benötigt werden und ohne langwieriges Einstellen von Maschinen oder Werkzeugen. Liegen die 3-D-Daten vor, genügt ein vergleichsweise kleiner Raum mit einer einzigen Druckmaschine, um binnen Stunden das gewünschte Bauteil anzufertigen. Produkthersteller wie auch Service-Dienstleister können damit schneller und unabhängiger auf Kundenwünsche reagieren. Durch das Kombinieren von 3-D-Scans und 3-D-Druck wird das zeitnahe Anpassen von Designs möglich und das sog. „Reverse Engineering“ deutlich erleichtert.
• Leichtigkeit: Das Konstruieren von organischen Formen nach bionischen Prinzipien und Formen mit Hohlräumen ermöglicht eine große Vielfalt von Leichtbaustrukturen. Zudem lassen sich im 3-D-Druck Dichte und Porosität eines Werkstoffs gezielt auswählen bzw. einstellen, um die benötigte Festigkeit bei minimalem Gewicht zu garantieren.
• Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz: In der Additiven Fertigung ist der Materialeinsatz minimal, denn es entsteht kein oder nur wenig Abfall. Je nach Verfahren wird das Ausgangsmaterial vollständig oder zu fast 100 Prozent ausgenutzt. Typische Abfallfraktionen wie Verschnitt oder Randstücke fallen erst gar nicht an und so gut wie alle Materialreste können erneut genutzt werden. Hinzu kommt, dass Logistikketten entlastet werden, wenn ein Ersatzteil direkt vor Ort hergestellt wird.

3-D-Druck – Rechtliche Rahmenbedingungen

Bei Fragen zur Maschinen- oder allgemeinen Produktsicherheit wird aus guten Gründen meist zwischen dem Hersteller einer Maschine und dem Betreiber der Maschine unterschieden. Auch beim 3-D-Druck müssen die Anforderungen an den Druckerhersteller, der seine Druckmaschine in der EU in Verkehr bringt, unterschieden werden von den Anforderungen an den Unternehmer und Arbeitgeber, der einen Drucker anschafft und seinen Beschäftigten zur Verfügung stellt. Dennoch liegt beim 3-D-Druck insofern die spezielle Situation vor, dass ein Unternehmen, das additiv fertigt, in aller Regel gleichzeitig Betreiber wie auch Hersteller ist.

Aus Herstellersicht unterliegen 3-D-Drucker dem Geltungsbereich der Maschinenrichtlinie (MRL). Somit muss jeder 3-D-Drucker, der für einen industriellen Einsatz vorgesehen ist, den Vorgaben der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG entsprechen mit all den damit verbundenen Pflichten und Verantwortlichkeiten, insbesondere dem Verfahren der Konformitätsbewertung inklusive Risikobeurteilung mit abschließendem Anbringen der CE-Kennzeichnung.

Risiken für Sicherheit und Gesundheit

3-D-Druck umschreibt eine wachsende Vielfalt additiver Fertigungsverfahren mit immer neuen Materialien und Anwendungen. Dies bringt auch Risiken für Sicherheit und Gesundheit mit sich. Auch wenn sich dies in den technischen und berufsgenossenschaftlichen Regelwerken noch nicht in eigenständigen Rechtstexten niederschlägt, lassen sich die bekannten Risiken durch das aus dem Arbeitsschutz, Gefahrstoffrecht, Brand- und Explosionsschutz bewährte Instrumentarium beherrschen. Auch die technische Normung schreitet voran und hat erste Standards für die Anwendersicherheit in der Additiven Fertigung vorgelegt.

Welche sicherheitstechnischen Aspekte, Richtlinien und Normen müssen bei additiven Fertigungsverfahren beachtet werden? Erfahren Sie mehr dazu in unserem Praxismodul „Maschinenrichtlinie“.