3D-Druckanwendungen: 10 Anwendungsbeispiele

3D-Druckanwendungen

3D Druck 3D-Druck beschränkt sich längst nicht mehr nur auf Rapid Prototyping. Er findet breite Anwendung in der Fertigungsindustrie und deckt zahlreiche Bereiche ab, darunter zehn gängige, die in diesem Artikel vorgestellt werden. Beispiele hierfür sind 3D-gedruckte Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, Werkzeuge für den Spritzguss, Automobilteile und medizinische Implantate. 

Im Prinzip ist 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, die schichtweise Herstellung physischer Bauteile aus digitalen 3D-Modellen. Ingenieure wählen aus Verfahren wie Materialextrusion, Pulverbettfusion, Photopolymerisation im Vakuumbad, Materialauftrag und Binderauftrag.  

Unternehmen können von der Identifizierung dieser 3D-Anwendungen profitieren, da jede Branche auf eine bestimmte Technologie setzt. Bei der Materialvielfalt ist FFF die bevorzugte Technologie; SLA eignet sich für Anwendungen mit detaillierten Designs; Material Jetting ermöglicht glatte Oberflächen usw.  

Die Auswahl der passenden 3D-Drucktechnologie für eine industrielle Anwendung ist eine wichtige Geschäftsentscheidung, die den reibungslosen Betriebsablauf und den Gewinn beeinflussen kann. Dieser Leitfaden zu 3D-Anwendungen bietet Ihnen genau diese Unterstützung. Lesen Sie weiter und erfahren Sie mehr über zehn industrielle Anwendungen und die dazugehörigen Technologien.  

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck ist der schichtweise Aufbau eines physischen Bauteils aus einem digitalen 3D-Modell. Aufgrund dieses additiven Charakters wird er auch als „additive Fertigung“ bezeichnet. 

Grundlagen des 3D-Drucks

Es gibt zwar verschiedene Arten von 3D-Drucktechnologien, die bekannteste ist jedoch das Schmelzschichtverfahren (Fused Deposition Modeling, FDM) oder Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication, FFF). Der 3D-Drucker bewegt sich entlang der X-, Y- und Z-Achse. Die X-Achse dient der Bewegung nach rechts und links, die Y-Achse der Bewegung nach innen und außen, während die Z-Achse die Auf- und Abwärtsbewegung erzeugt. Das Zuführen, Erhitzen und Extrudieren des Filaments beim Aufbringen auf die Bauplatte wird durch verschiedene Druckerkomponenten ermöglicht. Die wichtigsten sind der Heizblock, die Düse, der Extrudermotor und die Steuereinheit. Weitere Fachbegriffe und Terminologie des 3D-Drucks sind in ISO/ASTM 52900:2021(en) erfasst, welche die allgemeinen Prinzipien der additiven Fertigung abdeckt.1]

Toleranz und Genauigkeit beim 3D-Druck 

3D-Toleranz und Genauigkeit

Präzision ist bei 3D-gedruckten Teilen unerlässlich, insbesondere in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen und Automobilindustrie. Jedes gedruckte Teil muss den Spezifikationen entsprechen und die Fertigungsstandards erfüllen. Mit modernster Technologie und innovativen Strategien können die Präzisionsanforderungen für verschiedene Branchen erfüllt werden. 

Hier ist eine Tabelle mit den Toleranzwerten für gängige 3D-Drucktechnologien..  

Bitte beachten Sie: Dies sind keine festen Toleranzen. Die tatsächlich erreichbare 3D-Toleranz hängt vom Material, den Maschinenfähigkeiten und der Nachbearbeitung ab. 

Boda bietet kundenspezifische 3D-gedruckte Teile und Produkte mit hoher Präzision und Detailgenauigkeit, egal ob für Prototypen oder die Serienproduktion, und erreicht dabei präzise Toleranzen von ± 0.025 mm. 

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Gründe für die Beliebtheit des 3D-Drucks – Vorteile

3D-Anwendungen erfreuen sich in der jüngsten Vergangenheit branchenübergreifend zunehmender Beliebtheit, da sie Vorteile wie Materialvielfalt, die Möglichkeit zur Herstellung komplexer Produkte, isotrope mechanische Eigenschaften und glatte Oberflächen bieten. Diese Vorteile können je nach Art des verwendeten 3D-Druckverfahrens optimiert werden, wie im Folgenden erläutert wird. 

Materialvielfalt Die größte Materialvielfalt im 3D-Druck zeigt sich beim FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication). Diese Technologie ist besonders empfehlenswert, wenn Sie mehr als einen 3D-gedruckten Produkttyp benötigen. FFF ist zudem kostengünstig und leicht skalierbar, sodass sich Projekte jeder Größenordnung realisieren lassen. 

Komplizierte Produkte – Der 3D-Druck ermöglicht die mühelose Herstellung komplexer Teile. Die SLA-Technologie (Stereolithografie) bietet diese Möglichkeit. Dieser Vorteil erweist sich insbesondere bei der Schmuckherstellung als nützlich. 

SLA-3D-gedruckter Schmuck

Es ist jedoch nicht selbstverständlich, dass ein komplexes Bauteil einfach herzustellen ist. Die allgemeine Herstellbarkeit eines Bauteils hängt von der Konstruktionsausrichtung, den Stützstrukturen, den Materialien und den Nachbearbeitungsschritten ab. 

Isotropische mechanische Eigenschaften – Hohe isotrope mechanische Eigenschaften bezeichnen 3D-gedruckte Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften in alle Richtungen. Dieser Vorteil zeigt sich vor allem bei der SLS-Technologie. 

Glatte Oberflächen – 3D-gedruckte Teile weisen zudem glatte Oberflächen auf. Dies ist eine bemerkenswerte Eigenschaft von Teilen, die mit dem Materialstrahlverfahren hergestellt werden.

10 wichtige Anwendungsbereiche für den 3D-Druck 

Wie weiter unten erläutert, sind die wichtigsten Anwendungsgebiete des 3D-Drucks Rapid Prototyping, Werkzeugbau, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie sowie industrielle Endprodukte. Weitere Anwendungsgebiete sind Spritzgusswerkzeuge, medizinische/zahnmedizinische Implantate und Geräte, Zahnschienen und Kronen, Konsumgüter sowie Bildung und Forschung. 

1. Rapid Prototyping

Rapid Prototyping bezeichnet die schnelle Umsetzung von CAD-Konstruktionen in physische Modelle. Der 3D-Druck ermöglicht es Ingenieuren, Passform, Form und Funktion frühzeitig im Konstruktions- und Fertigungsprozess zu testen. Werden Fehler frühzeitig erkannt, können Änderungen vorgenommen werden, bevor in Werkzeuge investiert wird.

2. Werkzeuge, Vorrichtungen und Lehren

Die Bedeutung von Vorrichtungen und Lehren für Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Fertigung kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Dank 3D-Druck als Alternative zur maschinellen Bearbeitung können Hersteller diese Teile schneller und kostengünstiger produzieren. Dies ist insbesondere bei Kleinserien und Spezialwerkzeugen sinnvoll. 

3D-gedruckte Vorrichtungen und Lehren

3. Luft- und Raumfahrtkomponenten

Gängige 3D-gedruckte Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sind Gehäuse, Kanäle, Einspritzdüsen und Halterungen. Hersteller nutzen additive Fertigungsverfahren für solche Teile, um die hohen Investitionen in Werkzeuge zu vermeiden, die beim Spritzgussverfahren anfallen. 

3D-gedruckte Treibstoffeinspritzdüsen für Raketen

4. Teile für die Automobilindustrie und verwandte Branchen

Ob für Sonderanfertigungen oder Ersatzteile – die Herstellung von Automobilteilen kann massive Vorabinvestitionen in Werkzeuge erfordern. 3D-Druck im Automobilbereich Lösungen, schnelle Designiterationen und Kleinserien lassen sich mit diesen Verfahren praktischer realisieren als mit Spritzguss. Automobilzulieferer nutzen diese Möglichkeit, um wirtschaftlich effizienter zu arbeiten. 

Zum Beispiel die Herstellung komplexer Strukturen 3D-gedruckte Motorradteile Die Fertigung kann innerhalb weniger Stunden abgeschlossen werden. Die genaue Produktionszeit hängt von der Teilegröße, dem Material, der Drucktechnologie und den Anforderungen an die Nachbearbeitung ab.

5. Industrielle Endverwendungsteile 

Im Gegensatz zu Prototypen werden Endprodukte direkt und praktisch in Maschinen und Anlagen eingesetzt. Sind diese Teile komplex und werden nur in relativ geringen Stückzahlen benötigt, ist die additive Fertigung wirtschaftlicher als konventionelle Verfahren. 

6. Medizinische/zahnärztliche Implantate und Geräte

Prothesen, Implantate und andere patientenbezogene Hilfsmittel müssen präzise nach den jeweiligen Anforderungen konstruiert und gefertigt werden. Die Maßgenauigkeit des 3D-Drucks ermöglicht individuelle, sichere Lösungen, die den Anforderungen an die Patientensicherheit gerecht werden. Gängige, standardmäßig erhältliche Medizinprodukte bieten unter Umständen nicht dasselbe Leistungsniveau. 

Medizinischer 3D-Druck

Darüber hinaus erfordern die Teile je nach Anwendung entsprechende Validierungen, Tests und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften. ISO 13485 ist eines der Rahmenwerke, die Herstellern helfen, Rückverfolgbarkeit und Qualität in der Produktion zu gewährleisten.2]

7. Zahnschienen und Kronen 

Die Zahn- und Kieferorthopädiebranche ist ebenfalls ein bedeutender Markt für den 3D-Druck, insbesondere für Aligner und Kronen. Die Technologie erfüllt die hohen Präzisionsanforderungen dieser Teile. Moderne Dentallabore können 3D-Druckanwendungen sowohl für individuelle als auch für Standardlösungen nutzen. 

8. Konsumgüter 

Die Bandbreite an Konsumgütern, die sich im 3D-Druckverfahren herstellen lassen, ist enorm und umfasst Brillen und Schuhe. Da beim Spritzguss keine Werkzeugkosten anfallen, können selbst kleinere Unternehmen ihre Produkte individualisieren und sich von der Konkurrenz abheben, ohne sich finanziell zu überlasten. 

9. Bildung und Forschung

In der akademischen Welt und im Lehrbereich werden 3D-Druckverfahren zur Herstellung von Laborgeräten, Modellen und Prototypen eingesetzt. Diese Produkte ermöglichen es Forschern und Studierenden, mit in der realen Ingenieurpraxis verwendeten Objekten und Prozessen zu interagieren. 

10. Verteidigungs- und Militäranwendungen

Der 3D-Druck ist in Verteidigungs- und Militäreinrichtungen ein gängiges Verfahren zur Herstellung von Kleinserienteilen und Ersatzteilen für den Feldeinsatz. Diese Lösung ist insbesondere bei Einsätzen in abgelegenen Gebieten von entscheidender Bedeutung, da dort die Geschwindigkeit des Teileaustauschs wichtiger ist als herkömmliche Beschaffungsmethoden. 

3D-Druck in der Drohnentechnologie

Vergleichstabelle für Anwendungen und 3D-Drucktechnologien

Diese Tabelle ordnet 3D-Druckanwendungen der jeweils idealen Technologie zu und erläutert die Gründe für diese Zuordnungen. 

Wichtigste 3D-Drucktechnologien 

Die wichtigsten 3D-Drucktechnologien sind Materialextrusion (FDM/FFF), Pulverbettfusion (PBF), Vat-Photopolymerisation (SLA, DLP, LCD), Material Jetting (PolyJet, MultiJet), Binder Jetting, Sheet Lamination und Directed Energy Deposition (DED). 

Die nachstehende Tabelle hebt die Materialien und Anwendungen hervor, die mit den einzelnen Technologien verbunden sind. 

Haltbarkeit von 3D-gedruckten Teilen

Die Haltbarkeit von 3D-gedruckten Teilen hängt vom Material, der Kammertemperatur, den Softwareeinstellungen, dem Teiledesign und den Nachbearbeitungsbehandlungen ab. Nylon 12 Tough Powder (SLS) ist beispielsweise dank seiner hohen Festigkeit, Schlagfestigkeit und Duktilität sehr widerstandsfähig. Es findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie bei der Herstellung von Bauteilen wie Kraftstofftankverbindern und Kraftstoffleitungen.

Gleichzeitig sollten die Einstellungen der 3D-Software die gewünschte Haltbarkeit gewährleisten. Die Materialdichte und die Schichtrichtung sind besonders wichtig für die Integrität und Haltbarkeit der Bauteile. 

Kosten im Zusammenhang mit dem 3D-Druck

Zu den Kostenfaktoren beim 3D-Druck zählen die Komplexität des Bauteildesigns, die Materialkosten, das Auftragsvolumen, die 3D-Drucktechnologie und die Anforderungen an die Nachbearbeitung. 

So funktioniert jeder dieser Faktoren.

Komplexität des Teiledesigns Komplexe interne Geometrien benötigen mehr Zeit zum Drucken und erhöhen dadurch die Kosten. Stützstrukturen und Wandstärke bestimmen ebenfalls die benötigte Materialmenge, was sich wiederum auf die 3D-Druckkosten auswirkt. 

Materialkosten Die Materialmenge, die Materialart und die Abfallmenge beim Drucken beeinflussen die Kosten direkt. Metalle sind in der Regel deutlich teurer als Kunststoffe. 

Auftragsvolumen – Skaleneffekte bedeuten, dass größere Bestellungen in der Regel mit niedrigeren Stückkosten verbunden sind. 

3D-Drucktechnologie Einige 3D-Drucktechnologien sind kostengünstiger als andere. Die DMLS/SLM-Technologie (Metall) ist aufgrund ihrer Spezialisierung teurer, während FDM in der Regel die niedrigsten Kosten pro Stunde bietet. 

Industrieller FDM-3D-Druck

Anforderungen an die Nachbearbeitung – Zu diesen Anforderungen gehören das Entfernen der Stützstrukturen, die Reinigung, die Oberflächenbearbeitung, das Aushärten und das Lackieren/Beschichten. 

Wartung von 3D-Druckern

Die optimale Leistung von 3D-Druckern hängt nicht nur von einer guten Geräteauswahl ab, sondern auch von professionellen Wartungspraktiken, die Folgendes umfassen:

1. Die tägliche Wartung – Düsenreinigung, Bettnivellierung und Schienenschmierung 
2. Wöchentliche Wartung – Riemenspannung, Firmware- und Software-Updates, Reinigung des Filtersystems
3. Monatliche Wartung – Prüfung der elektrischen Anschlüsse, Kalibrierung der Sensoren, Reinigung/Austausch der Anschlüsse 
4. Vorausschauende Wartung – Analyse historischer Leistungsprotokolle und Echtzeit-Sensordaten

Zukunftsaussichten für 3D-Druckanwendungen 

Zukünftig werden 3D-Druckanwendungen Kostenminimierung, schnellere Produktion und höhere Nachhaltigkeit ermöglichen. Diese Entwicklungen werden technologische Fortschritte, die Integration der Lieferkette und die breite Einführung des 3D-Drucks in der Fertigungsindustrie vorantreiben. 

Fazit 

Anders als in den Anfängen des 3D-Drucks gehen die heutigen 3D-Anwendungen weit über die Prototypenentwicklung hinaus. Reale 3D-Anwendungen sind in Schlüsselbranchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Zahnmedizin, der Konsumgüterindustrie und dem Verteidigungssektor sichtbar. 

Egal ob Sie sich für SLA, Binder Jetting oder FFF entscheiden, die 3D-Drucktechnologie sollte auf die Präzisionsanforderungen, das verwendete Material und das Produktionsvolumen abgestimmt sein. Additive Fertigung ist Ihre schnellere und kostengünstigere Methode für komplexe Endprodukte, Werkzeuge in Kleinserien, Rapid Prototyping und andere 3D-Druckanwendungen, die in diesem Artikel vorgestellt werden. Welches Bauteil möchten Sie fertigen lassen? Laden Sie Ihre Konstruktionszeichnung hoch und lassen Sie sie von unseren Ingenieuren prüfen. Wir empfehlen Ihnen die passende 3D-Drucktechnologie unter Berücksichtigung von Herstellbarkeit und Kosten. Sie erhalten außerdem ein kostenloses Angebot.

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Häufig gestellte Fragen

Wird der 3D-Druck andere konventionelle Fertigungsverfahren ersetzen?

Nicht ganz. Der 3D-Druck ist größtenteils eine ergänzende Technologie, insbesondere bei komplexen Geometrien, kleinen Produktionsserien und kundenspezifischen Teilen. Er wird sich voraussichtlich eher in hybriden Fertigungsumgebungen durchsetzen, in denen additive Fertigung und traditionelle Verfahren nebeneinander existieren. 

Welche Materialien eignen sich für 3D-gedruckte Prototypen?

Die Bandbreite der für den 3D-Metalldruck zulässigen Materialien ist begrenzt und beschränkt sich typischerweise auf Aluminium AlSi10Mg, Edelstahl 316L, Inconel 718 und Titan Ti-6Al-4V. Sie werden üblicherweise mit dem DMLS-Verfahren verarbeitet. 

Ist 3D-Druck kostengünstiger als CNC-Bearbeitung?

Es kommt auf Volumen und Geometrie an. 3D-Druck ist für Kleinserien komplexer Teile kostengünstiger, da Werkzeugkosten entfallen. Mit steigendem Volumen wird die CNC-Bearbeitung zunehmend wirtschaftlicher. 

CNC ist auch unabhängig von den Bearbeitungskosten eine bessere Investition für hochfeste und präzise Teile. 

Welche 3D-Drucktechnologie eignet sich am besten für Funktionsteile? 

DMLS und SLS sind aufgrund ihrer überlegenen Dimensionsstabilität und mechanischen Festigkeit die beliebtesten 3D-Technologien für Funktionsteile. SLS wird beispielsweise häufig zur Herstellung von Zahnmodellen eingesetzt. 

Referenzen 

[1].https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-astm:52900:ed-2:v1:en 

[2].https://www.iso.org/iso-13485-medical-devices.html