5 Zukunftsprojekte in der additiven Fertigung

| Autor / Redakteur: Stefan Guggenberger / Stefan Guggenberger

Der Großformat 3D-Drucker Stargate fertigt Raketenteile bei Relativity.
Der Großformat 3D-Drucker Stargate fertigt Raketenteile bei Relativity. (Bild: www.relativityspace.com)

Additive Konstruktions- und Herstellungsverfahren sind Katalysatoren für technische Innovationen oder gar Revolutionen. Die Verbreitung additiver Fertigung wird auf einige Branchen erhebliche und disruptive Auswirkungen haben. Wir haben fünf Cases zusammengestellt, die zeigen, wo die Reise hingehen kann.

Vor einiger Zeit haben wir an dieser Stelle fünf spannende Projekte auf dem Gebiet 3D-gedruckter Elektronik vorgestellt. Doch die additiven Fertigungsverfahren dringen in Zukunft in immer weitere Produktionsstätten ein. Vom individuellen Traumauto bis zu den gedruckten Lebensmitteln stellen wir an dieser Stelle fünf weitere vielversprechende Zukunftsprojekte des 3D-Drucks näher vor.

1. Relativity – Raketen, Triebwerke und der größte Metall-3D-Drucker der Welt

Das in Kalifornien sitzende Unternehmen Relativity hat einen selbstlernenden 3D-Drucker entwickelt der innerhalb von 60 Tagen ganze Raketen, inklusive der Triebwerke, drucken kann. Ziel ist es, die erste vollständig 3D gedruckte Rakete in den Orbit zu bringen und das bis 2020.

Aus Sicht von Relativity sind sie die Ersten und Einzigen, die bei jedem Fertigungsschritt additive Fertigung einsetzen. Verglichen mit einer herkömmlichen Rakete, die etwa 18 Monate Bauzeit benötigt, ist die Terran-Rakete in nur 60 Tagen zum Start bereit. Die schnelle Fertigung wird auch dadurch begünstigt, dass die Terran hunderte Bauteile weniger benötigt, als vergleichbare Raketen, die traditionell produziert werden.

Hergestellt werden die Raketen auf Stargate, dem, laut eigener Aussage, größten 3D-Drucker für Metall. Stargate ist nicht nur groß, sondern auch intelligent. Der Drucker wertet während und nach der Fertigung selbständig die gesammelten Daten aus und optimiert seine Prozesse entsprechend.

Sollte Relativity 2020 erfolgreich ihre erste Rakete starten und ihre Prognosen, bezüglich schnellerer und günstigerer Raketenproduktion halten, könnten 3D-gedruckte Raketen zum neuen Branchenstandard werden.

2. Siemens und Hackrod – individuelle Traumautos

Siemens und das amerikanische Start-Up Hackrod arbeiten an maßgeschneiderten Traumwägen, die der Kunde per App konfiguriert und dann direkt am 3D-Drucker entstehen. „La Bandita“ ist das erste Ergebnis dieser Kooperation. Das 2018 vorgestellte Konzept wurde mit Software aus dem Hause Siemens entworfen und größtenteils auf einem garagengroßen 3D-Drucker produziert.

Mit dem Projekt möchten die beiden Unternehmen eine Vision zukünftiger Konstruktions- und Fertigungsverfahren vermitteln. „Hackrod bietet ein völlig neues Modell industrieller Fertigung an“, sagt Tom Tengan, Direktor bei Siemens Digital Enterprise in Kalifornien. „Dieses kann vor allem mittelständischen Unternehmen künftig die Möglichkeit eröffnen, auch ohne große Fertigungsstraßen innovative, für ihre Kunden maßgeschneiderte Produkte auf den Markt zu bringen.“

Das generativ erzeugte Fahrgestell und die Kohlefaserhülle von "La Bandita"
Das generativ erzeugte Fahrgestell und die Kohlefaserhülle von "La Bandita" (Bild: Hackrod)

Hackrod setzt bei diesem Projekt auf eine neue Digital-Plattform von Siemens. Zu dieser Plattform gehört die Software, mit der das Fahrgestell von „La Bandita“ erstellt wurde. Die Software wird nur mit Rahmenbedingungen, wie den Abmessungen der Hülle, bestückt und generiert daraus ein möglichst optimales Design. Je mehr Zeit dem Algorithmus zur Berechnung der Stützstruktur zur Verfügung steht, desto organischer werden die Verstrebungen.

3. Bioprinting – gedruckte Organe und Gewebe

Forscher der Tel Aviv Universtität haben in nur 3 Stunden ein menschliches Herz aus Zellen eines Patienten gedruckt. Das Herz ist allerdings nur 2,5 cm lang, also in etwa so groß, wie das Herz eines Kaninchens.

Das erste vollständig 3D-gedruckte Herz ist circa 2,5 cm groß.
Das erste vollständig 3D-gedruckte Herz ist circa 2,5 cm groß. (Bild: Ilia Yefimovich, DPA)

Obwohl das Herz für einen Menschen zu klein ist, veranschaulicht es das Potenzial additiver Fertigungsverfahren im Bereich der Organherstellung. Es ist das erste 3D-gedruckte Herz mit allen wesentlichen Bestandteilen, also Kammern, Vorhöfen und Blutgefäßen. Da das gedruckte Herz vollständig aus eigenen Zellen besteht, braucht es keinen Spender und Form sowie Funktion können individuell angepasst werden.

Langfristig möchten Forscher mit 3D-gedruckten Organen den Bedarf an Organspenden decken. Bis es tatsächlich soweit ist, dürften noch einige Jahre vergehen. Das enorme Potenzial von Bioprinting in seinen verschiedenen Ausprägungen ist aber schon jetzt klar zu erkennen. Einem Team des Frauenhofer Instituts und der Universität Stuttgart ist es etwa gelungen Knochentinte herzustellen, die in der Lage ist, neues Knochengewebe an den Stellen im Skelett zu bilden, an denen Knochen beschädigt sind.

4. Luftfahrt – additive Fertigung macht Flugzeuge wirtschaftlicher

Untersuchte Bauteile: Grafik der konventionell im Stahlgussverfahren produzierten Halterung (links) und Halterung aus Titan, die mittels DMLS hergestellt wurde.
Untersuchte Bauteile: Grafik der konventionell im Stahlgussverfahren produzierten Halterung (links) und Halterung aus Titan, die mittels DMLS hergestellt wurde. (Bild: EADS)

Der Airbus-Konzern EADS und EOS wollten untersuchen, wie die additive Fertigung eines Bauteils den gesamten Energieverbrauch für dieses im A320 verbaute Teil verändern würde. Verglichen wurden herkömmlich gefertigte Landeklappenschaniere und solche, die mit dem DMLS-Verfahren (Direkten Metall-Laser-Sintern) additiv gefertigt wurden.

Zunächst wurden die in Stahl gegossenen Scharniere mit den additiv gefertigten Teilen mit neuer Titankonstruktion verglichen. Die neuen Scharniere sind leichter und senken somit den Energieverbrauch sowie die Umweltbelastung. Durch das verbesserte Design kann das Flugzeuggewicht um circa 10 kg verringert werden. Für die gesamte Herstellungs- und Betriebsphase konnte der Energieverbrauch des Bauteils um 40 % gesenkt werden. Zusätzlich konnte der Verbrauch an Rohmaterialien im Vergleich zum Feingussverfahren um 25 % reduziert werden.

Dieses Projekt zeigt, dass in der Luftfahrtindustrie jedes Kilo zählt und bereits kleine Veränderungen große Wirkung erzielen. Ein A320 kann bis zu 73.500 kg wiegen, es gibt also noch einiges an Sparpotenzial. Zukünftige Flugzeuggenerationen könnten von den Vorteilen additiver Fertigung noch stärker profitieren, wenn frühzeitig auf 3D-Druck gesetzt wird. Erst, wenn schon bei der Ideenfindung der 3D-Druck als mögliches Herstellungsverfahren berücksichtigt wird, findet ein Umdenken bei Konstrukteuren und Entwicklern statt . Nur dann kann das ganze Potenzial dieser Technik ausgeschöpft werden.

5. Nahrungsmittel – Pizza und Co. aus dem 3D-Drucker

Sanna, der vom Creativemachineslab entwickelte Prototyp.
Sanna, der vom Creativemachineslab entwickelte Prototyp. (Bild: creativemachineslab)

Forscher des Creative-Machines-Labs der Columbia Universität arbeiten daran, einen Drucker speziell für die Herstellung von Lebensmitteln zu entwickeln. Als Anwendungsgebiete können sie sich essbare Pasten, Gele, Puder und flüssige Zutaten (z.B. Eier, Butter und Protein) vorstellen. Aktuell werden die ausgedruckten Lebensmittel, zum Beispiel eine Pizza, noch von einem separaten Laser erhitzt. In Zukunft könnten sowohl Drucken als auch Erhitzen mit einem spezialisierten Gerät ablaufen.

Wenn Sie in der Zukunft einen persönlichen Geburtstagskuchen backen möchten, könnte das in etwa so ablaufen: Sie starten Ihren 3D-Drucker in der Küche, beladen die Zutatenbehältnisse mit Schokolade, Marzipan, Mehl usw., wählen Größe, Form und Farbe aus und schon geht es los. Dabei könnten Sie jedes Stück individuell an die jeweiligen Allergien, Vorlieben oder Unverträglichkeiten Ihrer Mitesser anpassen.

Mit dieser Technik lassen sich also Lebensmittel herstellen, die perfekt an die Bedürfnisse ihrer Konsumenten angepasst werden können. Für Profisportler oder chronisch Kranke, die eine besondere Diät brauchen, könnten 3D-Lebensmitteldrucker schon in naher Zukunft eine Alternative sein.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Mission-Additive.de.

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