Wenn der 3D-Druck sein Versprechen hält, wird er die Art und Weise, wie Dinge hergestellt werden, grundlegend verändern. Es könnte zudem zu einem unverzichtbaren Begleiter für alle werden. Stellen Sie sich vor, Sie könnten für jedes kaputte Teil in Ihrem Haushalt einfach ein neues mit Ihrem Heimdrucker herstellen. Dank der Fortschritte eines von der EU finanzierten Forschungsteams ist es nun möglich, fortschrittliche Teile für Motorräder, Autos, Flugzeuge und sogar Satelliten aus verschiedenen Materialien und in verschiedenen Formen zu drucken und dabei viel weniger Abfall zu produzieren. Es ist sogar möglich, elektrische Leiter oder Lichtwellenleiter einzubetten, die als Sensoren fungieren können.

Mehrschichtige Fertigung

Dies liegt daran, dass der 3D-Druck es ermöglicht, Teile schichtweise zu erstellen, wodurch es einfacher wird, zum Beispiel Metalle, Kunststoffe, Keramiken und sogar Glasfaser in einem Teil und in einem einzigen Prozess nahtlos zu kombinieren. Dies ermöglicht es Unternehmen, intelligentere Teile herzustellen, indem genau die benötigte Materialmenge verwendet wird, wodurch Abfall auf ein Minimum reduziert wird. Rudolf Gradinger, ein Forschungsingenieur am Österreichischen Institut für Technologie, ist einer der Forscher, die diese Entwicklungen vorantreiben. Er leitete eine dreijährige, länderübergreifende Forschungsinitiative namens MULTI-FUN, die von der EU gefördert wurde, um die Grenzen der 3D-Mehrmaterialfertigung zu erweitern.

Das MULTI-FUN-Team, das über dreieinhalb Jahre bis Dezember 2023 zusammenarbeitete, bestand aus Forschern und Industriepartnern aus ganz Europa (Österreich, Belgien, Deutschland, Polen, Portugal, Spanien, Schweiz, Vereinigtes Königreich). Ihr Schwerpunkt lag auf der Entwicklung innovativer, fortschrittlicher Materialien bis zur Marktreife. Die Teilnahme von neun kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) spielte eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung der Markteinführung. Gradinger hebt das Beispiel eines Flugzeugteils hervor, das Lichtwellenleiter enthält. Die Forscher bauten das Teil schichtweise aus Aluminium auf und betteten die Lichtwellenleiter ein. Dadurch erhielt es „übernatürliche Fähigkeiten“. „Die Nerven in Ihrem Arm sorgen dafür, dass Sie spüren, wenn Ihr Arm verdreht wird“, so Gradinger. „Diese Lichtwellenleiter sind wie Nerven und können spüren, wenn ein Teil zu stark gebogen wird oder beschädigt ist.“

Eine verbesserte Funktionalität war auch das Ziel von Richard Kordass, einem Konstruktionsingenieur beim deutschen Automobilunternehmen EDAG, einem der Partner im Forschungsteam. Sie entwickelten Motorradlenker, die mit Kupferkabeln bedruckt und mit einer eingebauten Keramikisolierung versehen sind. „Das ist nur durch additive Fertigung möglich“, betont Kordass. Es wurden so viele Fortschritte erzielt, dass Rita Gomes Bola vom Europäischen Schweißverband in Belgien, die ebenfalls an MULTI-FUN mitgearbeitet hat, der Meinung ist, dass die neuesten Fortschritte die Arbeitsweise von Konstrukteuren grundlegend verändert haben. „Wir können jetzt die Art und Weise, wie Teile konstruiert werden, neu überdenken, und zwar auf eine Weise, von der Hersteller nicht einmal zu träumen gewagt hätten“, erklärt sie.

Das Ziel ist der Mond

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks erstrecken sich auch auf die Herstellung von Hochleistungsteilen für die Raumfahrtindustrie. Die Forscher entwickelten ein spezielles Gehäuse für einen Motor, der in Weltraumsatelliten verwendet wird. In den Stahlkörper wurden Kupferbahnen eingearbeitet, die das Wärmemanagement von Elektroantrieben deutlich verbessern. „Wir haben die Wärmeübertragungsrate verdoppelt, so dass der Elektromotor jetzt schneller arbeiten kann und sich nicht so stark erhitzt“, erklärt Gradinger und fügt hinzu, dass die Temperatur mitverantwortlich für die Ermüdung von Metallteilen ist.

Beschädigte Teile können ausfallen oder müssen repariert werden, was praktisch nicht möglich ist, wenn sich ein Satellit in der Erdumlaufbahn befindet. Daher ist die Raumfahrtindustrie ein idealer Kandidat, um von den Fortschritten des 3D-Drucks zu profitieren. Auf die EU entfallen derzeit 22 % der weltweiten Produktion von Industriegütern, was zu einem jährlichen Handelsüberschuss von 421 Milliarden Euro führt. Deshalb investiert die EU in Forschung, um diesen Sektor weiter zu stärken. Die additive Fertigung wird als zentraler Faktor für die Zukunft der europäischen Fertigungsindustrie angesehen und durch verschiedene Initiativen unterstützt, darunter die Partnerschaften mit der Industrie im Rahmen von Made in Europe und Factories of the Future. Ziel ist es, die industrielle Wettbewerbsfähigkeit europäischer Unternehmen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilproduktion und Gesundheitswesen zu stärken.

Als der 3D-Druck zum ersten Mal in der Fertigung eingesetzt wurde, diente er hauptsächlich der Herstellung von Prototypen. Inzwischen hat er sich jedoch zu einem wichtigen Bestandteil des Fertigungsprozesses entwickelt und macht diesen schneller und effizienter. „Wir sind vom Rapid Prototyping zur Rapid Manufacturing übergegangen“, so Kordass. 3D-gedruckte Teile werden bereits in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie eingesetzt, wo sie zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs beitragen. Siemens in Deutschland druckt bereits Gasturbinenschaufeln in 3D, während Airbus gedruckte Teile in Verkehrsflugzeugen verwendet, um Gewicht und Treibstoff zu sparen.

Verbreitung von Wissen

Obwohl sich die additive Fertigung in der modernen Industrieproduktion rasch durchsetzt, ist sie nicht überall in Europa gleich weit fortgeschritten. Professor Liviu Marsavina, Vizerektor für Forschung an der Politehnica Universität Timișoara in Rumänien, gehört zu einem Team europäischer Forscher, die sich für eine stärkere Verbreitung des 3D-Druck-Know-hows in der EU einsetzen. Marsavina, Professor für Werkstofffestigkeit und Bruchmechanik, koordinierte eine von der EU finanzierte Initiative namens SIRAMM, die von 2019 bis 2023 lief.

Diese verband Forscher in Rumänien mit Forschern des Instituts für Materialphysik an der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (IPM) in Brünn, Tschechien, der Universität Belgrad in Serbien, der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie sowie der Universität Parma in Italien. Ziel war es, ein Kompetenzzentrum für die additive Fertigung in Osteuropa zu schaffen. Der akademische Austausch trug dazu bei, ein Netzwerk zu schaffen, das über das Ende des Projekts hinaus Bestand hat. „Wir haben jetzt ein Netzwerk, in dem wir wissen, wo wir verschiedene Arten von Problemen lösen können“, erklärt Marsavina. Inzwischen wissen auch Unternehmen in Rumänien, Serbien und Tschechien mehr über die Experten und die Ausrüstung für die additive Fertigung in ihrer Region.

Für Marsavina wirft der rasante Fortschritt im 3D-Druck potenziell neue Fragen in Bezug auf Sicherheit und Schutz auf. „Die Menschen gehen dazu über, den 3D-Druck nicht nur für die Herstellung kleiner Teile, sondern auch für größere Strukturen mit komplexeren Formen zu nutzen. Es besteht die Notwendigkeit, mehr über die Eigenschaften und Zuverlässigkeit dieser neuen Strukturen zu erfahren“, fügt er hinzu. Das Forschungsteam hat in Zusammenarbeit mit seinen akademischen Partnern und Vertretern der Industrie, die sich für den 3D-Druck interessieren, daran gearbeitet, diese Fragen durch praxisnahe Forschung zu klären.

Marsavina prognostiziert, dass sich diese Technologie in vielen anderen Branchen und sogar in den Haushalten durchsetzen wird. „Eines Tages könnten wir 3D-Drucker in unseren Häusern haben, so dass wir kaputte Teile einfach selbst ausdrucken können.“ Recherchen zu diesem Artikel wurden vom Horizon-Programm der EU gefördert. Die Ansichten der Befragten spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider.

Artikel von Anthony King