Additive Fertigung (3D-Druck) 3D-Druck-Verfahren revolutionieren ganze Branchen – auch die Prozessindustrie?

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Beinahe täglich überschlagen sich Meldungen zu neuen Einsatzmöglichkeiten von additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck). Die Prozessindustrie hat gleich zwei Berührungspunkte: Sie bietet speziell für den 3D-Druck konzipierte Materialien an, und sie nutzt additiv gefertigte Komponenten und Ersatzteile für die Produktion. Wir wollten es genau wissen: Was ist dran am 3D-Druck-Hype.

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Covestro-Experte Roland Wagner beobachtet die Entstehung eines kleinen Bauteils im neuen 3D-Drucklabor des Unternehmens.
Covestro-Experte Roland Wagner beobachtet die Entstehung eines kleinen Bauteils im neuen 3D-Drucklabor des Unternehmens.
(Bild: Covestro)

Es geht nicht um Visionen, es geht auch nicht um Peanuts: Bei weltweit rund zehn Milliarden Euro im Jahr liegt schon heute das Geschäft mit dem 3D-Druck, so eine im Juli vorgestellte Studie von Ernst & Young (Deutschland: rund 1 Milliarde). Der VDMA rechnet mit einem Plus von jährlich 25 Prozent. Immer mehr Technologie-Anbieter und Dienstleister machen sich im Markt breit, Meldungen über immer neue Produktideen liest man auch in der Tageszeitung.

Mit dem 3D-Druck rücke der Traum von der maßgeschneiderten Anlage ein gutes Stück näher, stellt die Dechema fest. Die Technologien, die dafür zur Verfügung stehen, sind vielfältig: Gedruckt wird mit Kunststoffen, Silikon, Aluminium oder Stahl sowie auch mit Keramiken. Je nach Material kommen unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz, vom Lasersintern oder Laserschmelzen über Pulverkleben, bei dem der feingemahlene Werkstoff mit Harzen oder Polymeren vermischt wird, bis zum 3D-Druck mit lichtempfindlichen Kunststoffen (Photopolymere).

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Besonders beeindruckt die Möglichkeit, Medikamente mit einem 3D-Drucker zu produzieren. Dr. Julian Quodbach, Mitarbeiter am Institut für Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, präsentierte in einem Vortrag auf der Powtech 2016 die Vorteile von 3D-gedruckten Arzneimitteln: Zum einen könne man mit der Technologie eine höhere Arzneistoffbeladung erzielen, sprich mehr Wirkstoff in kleinere Tabletten bringen.

Noch interessanter ist für ihn die Möglichkeit zur Individualisierung: Indem man die Tabletten unterschiedlich groß druckt, seien auch individuelle Dosierungen möglich. Und es ist auch denkbar, mehrere Wirkstoffe in einer Tablette zu kombinieren, so dass Patienten statt fünf nur noch eine Tablette schlucken müssten. Ein realistisches Szenario sei, dass schon in einigen Jahren in Krankenhäusern und Apotheken 3D-Drucker stehen.

Kein Szenario, sondern Realität: Bei der von Aprecia Pharmaceuticals entwickelten Zip-Dose-Technologie trägt ein 3D-Drucker wirkstoffhaltige Pulverschichten nacheinander auf. Jede Lage wird mit einer wässrigen Lösung an die nächste befestigt. So entstehen poröse Tabletten mit bis zu 1000 Milligramm eines Wirkstoffs pro Stück. Beim Herstellungsprozess selbst lässt sich die Dosis patientenindividuell steuern. Entsprechende Pillen lösen sich schnell in Wasser – der Hersteller spricht von weniger als 10 Sekunden. Für das so hergestellte Antiepileptikum Spritam erhielt der Hersteller 2015 die FDA-Zulassung.

Warum die additive Fertigung gerade auch für den Apparate- und Anlagenbau so interessant ist? Das verraten wir auf der nächsten Seite.

Impulsgeber für die Prozesstechnik

Warum die additive Fertigung gerade auch für den Apparate- und Anlagenbau so interessant ist? Sie kann bislang ungewohnte, komplexe Strukturen herstellen und eignet sich insbesondere für Anwendungsbereiche, in denen es auf Spezialanfertigungen und geringe Losgrößen ankommt. Die teure und zeitaufwendige Herstellung von Werkzeugen und Formen ist bei der additiven Fertigung ebenso Geschichte wie hoher Materialverlust bei der Bauteilherstellung. Statt Ersatzteile zu produzieren und im Container oder per Luftfracht um die halbe Welt zu schicken, könnten zukünftig einfach die Daten an den Drucker gesendet werden, der dann vor Ort das benötigte Teil in kürzester Zeit passgenau ausdruckt. Und wenn es eine Apparatur mit den gewünschten Spezifikationen nicht auf dem Markt gibt, wird sie eben berechnet und dann gedruckt.

Eckard Foltin, Vorsitzender der ProcessNet-Fachgruppe Zukunftsforschung und Innovationsmanagement, sieht in der additiven Fertigung einen Impulsgeber, der die Prozesstechnik grundlegend verändern werde: „Durch die Möglichkeiten zur Individualisierung von Bauteilen hat die additive Fertigung auch das Potenzial zum Paradigmenwechsel in der Pro­zesstechnik.“

Beeindruckende Beispiele dazu gibt es bereits: Thaletec hat den Prototypen eines emaillierten Hochdruckreaktors mithilfe eines additiven metallbasierten Fertigungsverfahrens hergestellt – und konnte dabei einen Temperierkanal für das Beheizen oder Kühlen des Reaktorinnenraums integrieren. Die Kombination aus Emaillierung und integriertem Temperierkanal bietet gegenüber den bisher üblichen Lösungen einen deutlich verbesserten Wärmeübergang zwischen Produkt und Temperiermedium und damit die Möglichkeit, die Wärmetönung des Prozesses besser zu beeinflussen.

Ein besonderer „Reaktorbau“ ist auch Wissenschaftlern der Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in den USA gelungen: Nach dem Isolieren von Enzymen aus methanotrophen Bakterien, die Methan zur Energie- gewinnung verwenden, mischten die Forscher diese mit Polymer und druckten damit Reaktoren. Die isolierten Enzyme behielten dabei ihre Aktivität – und wandeln Methan in Methanol um. Das enzym-versetzte Polymer könnte zukünftig für eine ganze Reihe von Anwendungen, speziell bei Gas-Flüssigkeits-Reaktionen, zum Einsatz kommen.

Die additive Fertigung ist zudem für die Herstellung von mikrofluidischen Bauteilen interessant: Wissenschaftler vom DWI (DWI- Leibniz-Institut für Interaktive Materialien) und der RWTH Aachen haben mit einem 3D-Drucker ein Bauteil mit einem kleinen dreidimensionalen Kanalnetzwerk gedruckt. In dem Netzwerk entstehen an der Kanalkreuzung monodisperse Tröpfchen. Mithilfe dieses Konzeptes können Mikrogele und andere Materialien hergestellt werden.

Unbeantwortete Fragen

Doch warnen manche auch bereits vor einem Hype. Vor allem die Frage nach Standards und der Qualitätssicherung müsse beantwortet werden – insbesondere, wenn es um sicherheitsrelevante Bauteile wie Berstscheiben geht. Denn 3D-Druck-geeignete Werkstoffe müssen den speziellen Anforderungen der Schmelz- und Schwindungsprozesse im 3D-Druck genügen und dürfen dabei nicht ihre charakteristischen Materialeigenschaften verlieren.

Das treibt auch KSB um: Seit Ende 2014 verfügt das Unternehmen in seinem Pegnitzer Werk über zwei Laserschmelz-Anlagen, um das Potenzial des 3D-Drucks für die Entwicklung und Fertigung im Pumpenbau zu untersuchen. Dabei stellen die Werkstoffspezialisten mithilfe der CAD-Daten versuchsweise geeignete metallische Bauteile her. Eine der Aufgaben ist es herauszufinden, ob das aus Metallpulver hergestellte Werkstück auch die erforderliche Festigkeit und Materialeigenschaft aufweist.

Zu welchem Fazit unser Autors kommt, sowie ein Interview zum Thema 3D-Druck lesen Sie auf der nächsten Seite.

Fazit: Die Digitalisierung der Industrie treibt auch den 3D-Druck voran. Beispielsweise hat Autodesk in seinem Planungs-Tool Autocad 2017 ein eigenes Unterprogramm für den 3D-Druck integriert („Print Studio“). Doch wachsen die Bäume auch hier nicht in den Himmel: Stratasys, das führende Unternehmen im Bereich 3D-Druck, vermeldet für das 2. Quartal 2016 einen Umsatzrückgang. Ist der Hype schon am Ende? Sicher nicht, die additive Fertigung ist für Hersteller wie Betreiber bei komplexen Komponenten gewiss ein „Game Changer“. Aber beide müssen dazu die Spielregeln beherrschen.

Interview mit Fabian Strohschein, Geschäftsführer der 3D Activation

Fabian Strohschein, Geschäftsführer der 3D Activation
Fabian Strohschein, Geschäftsführer der 3D Activation
(Bild: 3D Activation)

Das Unternehmen 3D Activation ist seit 2011 in Deutschland und in der Schweiz als Dienstleister in Sachen 3D-Druck aktiv. Welchen Nutzen hat die Chemie? PROCESS hat bei Geschäftsführer Fabian Strohschein nachgefragt.

PROCESS: Herr Strohschein – Hype oder Lösung? Welchen Nutzen hat der Betriebsingenieur eines Chemieunternehmens von der additiven Fertigung?

Strohschein: Er kommt sehr einfach und sehr schnell zu Bauteilen – insbesondere bei Einzelteilen, Prototypen und kleinen Stückzahlen, die in herkömmlicher Weise wirtschaftlich nicht darstellbar sind. Kunden fordern bei uns beispielsweise Greifersysteme oder auch die unterschiedlichsten Düsenformate an. Dem 3D-Druck sind natürlich auch Grenzen gesetzt: Ersatzteile, die man für zehn Euro konventionell drehen kann, wird man nicht drucken. Die additive Fertigung versteht sich als ergänzende Lösung zu konventionellen Technologien.

PROCESS: Wie schaut es aus mit den veränderten Werkstoffeigenschaften beim 3D-Druck – das Gefüge eines Werkstoffs verändert sich doch dabei?

Strohschein: Vorgaben zur Oberflächenbeschaffenheit und zu physikalischen Daten wie Zugfestigkeit können wir umsetzen. Es hängt wesentlich von der eingesetzten Drucktechnologie ab. Doch es führt kein Weg daran vorbei, gemeinsam mit dem Kunden vor und nach dem Druck des Bauteils die Einsatzmöglichkeiten und Einsatzgrenzen zu überprüfen.

PROCESS: Wie sieht die Praxis aus – wie kommt der Dienstleister zum erforderlichen 3D-Modell?

Strohschein: Der Kunde liefert eine technische Zeichnung, unsere CAD-Ingenieure erstellen das 3D-Modell, und nach Kundenvorgaben wird das Produkt im gewünschten Werkstoff oder in Varianten gefertigt. Das hört sich einfacher an als es ist: Bei der additiven Fertigung reicht es nicht, eine Datei hochzuladen und dem Drucker zuzuführen. Für ein professionelles Ergebnis ist eine Menge Erfahrung und Einblick in die verschiedenen Technologien erforderlich. Beispielsweise ist es bei vielen Bauteilen durchaus von Bedeutung, in welcher Orientierung die Modelle gedruckt werden – ob auf der Seite liegend, stehend oder um 45° gedreht. Dies ist vor allem für die Nachbehandlung entscheidend, da das überschüssige Material oder Stützstrukturen aus Kanälen wieder entfernt werden müssen.

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