Additive Fertigung: So viel mehr als nur der Drucker

Das Kernelement der additiven Fertigung war schon immer der 3D-Drucker. Die Branche wurde auf einem Fundament aus verschiedenen Druckertechnologien aufgebaut, die jeweils ihre eigenen Stärken und Schwächen, Fähigkeiten und Grenzen sowie die kompatibelsten Anwendungen haben. Im neuesten IDTechEx-Bericht „3D-Druck und additive Fertigung 2023-2033: Technology and Market Outlook“ (Technologie- und Marktausblick) wurden über dreißig verschiedene 3D-Drucktechnologien auf technische Parameter wie Baurate, Auflösung, Preis usw. hin analysiert, um ihre individuelle Leistung im Vergleich zu anderen Drucktechnologien zu ermitteln. Wichtig ist, dass die einzigartigen Eigenschaften jedes Technologietyps dazu beitragen, die 3D-Druckindustrie zu erweitern. Denn sie machen neue Anwendungen für die additive Fertigung zugänglich. Von Sona Dadhania

Wenn man sich jedoch so sehr auf 3D-Drucker konzentriert, kann man leicht die vielen anderen wichtigen Bereiche aus den Augen verlieren, die den 3D-Druck, insbesondere die industrielle additive Fertigung, erst möglich machen. Damit der 3D-Druck in hochwertigen Branchen und Anwendungen eingesetzt werden kann, braucht es ein ganzes Ökosystem. Das umfasst Materialien, Software, Nachbearbeitung, Qualitätssicherung, Dienstleistungen, spezielle Schulungen und vieles mehr. Es ist die Reifung aller Aspekte von AM, die die zunehmende Akzeptanz bei den Endanwendern fördert.

In diesem Beitrag stellt IDTechEx einige wichtige Elemente des AM-Ökosystems vor und diskutiert die Entwicklungen in diesen Bereichen.

Werkstoffe für die additive Fertigung

In der Vergangenheit hatten es 3D-gedruckte Teile schwer, mit konventionell gefertigten Teilen (das heißt maschinell bearbeiteten Teilen, Spritzgussteilen usw.) zu konkurrieren. Zum Teil lag das an ihrer schlechteren mechanischen und materiellen Leistung. Deshalb unternehmen 3D-Druckunternehmen (einschließlich Materiallieferanten wie BASF und Arkema) erhebliche Anstrengungen, um diese Unzulänglichkeiten aus Sicht der Materialien zu beheben. Einer der beliebtesten Ansätze zur Verbesserung der Leistung sind Verstärkungen wie Kohlenstoff- und Glasfasern; eine fortschrittlichere Kategorie von Verstärkungen sind Nanokohlenstoff-Füllstoffe wie Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhren, die allmählich in kommerzielle 3D-Druckmaterialien integriert werden.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, hochleistungsfähige, aber schwer zu verarbeitende Materialien wie Hochtemperatur-Thermoplaste und Schaumstoffe besser druckbar zu machen. Es ist wichtig zu wissen, dass verschiedene Drucktechnologien unterschiedliche Verbesserungen der Materialien erfordern, um die Gesamtleistung zu optimieren.

Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung bezieht sich auf den/die Schritt(e), der/die nach dem 3D-Druck erfolgt/erfolgen, um die Herstellung eines einzelnen Teils abzuschließen. Sie ist oft der letzte oder vorletzte Schritt im additiven Fertigungsprozess (wobei der letzte Schritt die Qualitätssicherung sein kann). Die Nachbearbeitung bei der additiven Fertigung umfasst verschiedene Techniken, von denen einige spezifisch für die additive Fertigung sind (z. B. Entfernen von Trägern, Entpulvern), während andere in anderen Fertigungsverfahren eingesetzt werden (z. B. Oberflächenbearbeitung, Metallglühbehandlung). Einige Nachbearbeitungstechniken sind nach dem Druck erforderlich. Andere hingegen sind optional, werden aber häufig durchgeführt, um bestimmte Aspekte des gedruckten Teils zu verbessern (z. B. mechanische Leistung, Aussehen usw.).

Da der 3D-Druck zunehmend für Teile in mittleren bis hohen Stückzahlen eingesetzt wird, wird die Nachbearbeitung immer wichtiger. Erst dann sind die gedruckten Teile für die Endanwendung geeignet. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, stellen mehrere spezialisierte AM-Nachbearbeitungsunternehmen wie DyeMansion, AMT und PostProcess Technologies Nachbearbeitungsgeräte her, die in der Lage sind, höhere Stückzahlen zu verarbeiten. Diese Maschinen können eine große Anzahl von Teilen verarbeiten und dies so weit wie möglich automatisieren, um die Gesamtproduktionszeit für 3D-gedruckte Teile zu verkürzen. Das rasante Wachstum dieser Unternehmen in den letzten fünf Jahren sowie ihre zunehmenden Partnerschaften mit etablierten Druckerherstellern machen die Nachbearbeitung zu einem interessanten Sektor, den man in den nächsten zehn Jahren im Zusammenhang mit AM beobachten sollte.

Software

Als digitale Fertigungstechnik umfasst der 3D-Druck Software für jeden Schritt des Produktionsprozesses. Um die Reichweite von AM bei den Endnutzern zu erhöhen, liegt der Schwerpunkt der Softwareentwicklung für den 3D-Druck darauf, den Endnutzern die additive Fertigung zu erleichtern. Unternehmen wie Xerox entwickeln beispielsweise Softwaretools, die Endanwender beraten, welche Teile sich am besten für eine Umstellung auf 3D-Druck eignen. Diese Software versucht, den Einführungsprozess zu rationalisieren, indem sie die Notwendigkeit einer technischen Beratung zur Ermittlung der besten Stellen für AM in einem Unternehmen beseitigt. In der Konstruktionsphase stellen Software-Start-ups wie nTopology und ParaMatters Tools her, die die Erstellung komplexer Geometrien für den 3D-Druck erleichtern, während andere wie Ansys Simulationssoftware entwickeln, um die Leistung der 3D-gedruckten Teile noch vor der Herstellung zu testen.

Inspektion und Qualitätssicherung

Nach dem Druck vergleicht Inspektions- und Qualitätssicherungssoftware 3D-Scans des gefertigten Teils mit dem ursprünglichen 3D-Modell. Somit erkennt sie Abweichungen und Defekte — entscheidend für Teile, die in stark regulierten Branchen wie Luft- und Raumfahrt oder Gesundheitswesen verwendet werden. Über den gesamten Produktionsprozess hinweg braucht es eine Workflow-Management-Software, wie sie 3Yourmind, AMFG und AM-Flow anbieten, um den Status eines jeden Druckprojekts von der Bestellung bis zur endgültigen Auslieferung zu überwachen. Dies ist besonders wichtig, wenn große Druckmengen zu verarbeiten sind, was viele 3D-Druckunternehmen anstreben.

In jedem Schritt des 3D-Druck-Produktionsprozesses wird also eine optimierte und leicht zu erlernende Software benötigt. Dieser Bedarf wird in der gesamten Branche erkannt, insbesondere von den Investoren. Denn 2021 haben sie rund 125 Mio. USD in Softwareunternehmen im Bereich 3D-Druck investiert. Darüber hinaus waren zwei der zehn größten Finanzierungsrunden in der AM-Branche im Jahr 2021 Softwareunternehmen – nTopology (65 Mio. USD in Serie D) und Oqton (40 Mio. USD in Serie A, vor der Übernahme durch 3D Systems). IDTechEx geht davon aus, dass sich dieser Investitionstrend auch 2022 fortsetzen wird. Denn 21 Prozent der privaten Finanzmittel, die im ersten Halbjahr 2022 in AM-Unternehmen flossen, haben 3D-Softwareunternehmen erhalten (mehr als 2021).

Dienstleistungen

Jahrzehnte, in denen die Industrie dieselbe Geschäftsstrategie verfolgte, haben die inhärenten Schwierigkeiten beim Verkauf von Druckern an Endverbraucher deutlich gemacht. Die wichtigste Einstiegshürde ist, dass die Kunden das Budget für teure Drucker und Verbrauchsmaterialien aufbringen müssen, die Hunderttausende von Dollar bzw. Hunderte von Dollar pro Kilogramm kosten. In den Fällen, in denen der Kauf eines 3D-Druckers unwirtschaftlich oder für die Kunden schwer zu verkaufen ist, spielen Dienstleister eine wichtige Rolle. Denn sie ermöglichen den Zugang zum 3D-Druck, ohne dass die Endnutzer über das technische Know-how oder die teuren Geräte und Materialien verfügen müssen, die für den Betrieb von AM-Druckern erforderlich sind.

Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang die zunehmende Zahl von Dienstleistern, die ihre eigene Drucktechnologie anbieten. Anstatt die Drucker mit ihrer eigenen Technologie wie traditionelle 3D-Druckerhersteller zu verkaufen, haben sie eine andere Geschäftsstrategie gewählt. Dabei behalten sie ihre eigene Drucktechnologie im Haus, um Teile für Kunden zu produzieren. Auf diese Weise sind Unternehmen, die proprietäre Technologie verwenden, wie 3DEO, Holo und Bond3D, wie vertikal integrierte OEMs. Durch dieses Geschäftsmodell umgehen sie viele der klassischen Hindernisse, die der Einführung einer neuen Drucktechnologie im Wege stehen. Das Wachstum, das von den genannten Dienstleistern ausgeht, trägt zum Ausbau eines sehr wichtigen Teils des 3D-Druck-Ökosystems bei. Somit verringern sich die Eintrittsbarrieren für Endnutzer, die AM erkunden.

Marktprognosen für die additive Fertigung

Der neue Bericht von IDTechEx „3D-Druck und additive Fertigung 2023-2033: Technologie- und Marktausblick“ segmentiert den Markt sorgfältig nach achtzig verschiedenen Prognoselinien in siebzehn verschiedenen Technologiekategorien, vier Hauptmaterialkategorien und acht Materialunterkategorien. Diese Hardware- und Materialprognosen analysieren zukünftige Installationen, Hardware-Stückzahlen, Hardware-Einnahmen, Material-Massennachfrage und Material-Einnahmen. Darüber hinaus bietet IDTechEx umfassende Technologie-Benchmarking-Studien, Untersuchungen und Fallstudien zu kritischen Anwendungsbereichen, detaillierte Erörterungen von Zusatzbereichen der AM-Industrie sowie eingehende Markt- und Wirtschaftsanalysen. Schließlich analysiert IDTechEx sorgfältig die Auswirkungen der COVID-19-Pandemie und der nachfolgenden Unterbrechungen der Lieferkette auf den 3D-Druckmarkt. Im IDTechEx-Bericht finden sich weitere Informationen zu diesem Markt, darunter 125 interviewbasierte Profile von Marktführern und Start-ups, Technologievergleichsstudien, Geschäftsmodellanalysen und detaillierte 10-Jahres-Marktprognosen.

Weitere Informationen zu diesem Bericht: https://www.idtechex.com/en/research-report/3d-printing-and-additive-manufacturing-2023-2033-technology-and-market-outlook/882

Das vollständige Portfolio der 3D-Druck-Forschung von IDTechEx finden Sie unter https://www.idtechex.com/en/reports/3d-printing/47.

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