„Warum machen wir das eigentlich nicht?!“

„Warum machen wir das eigentlich nicht?!“
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Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt ist Dekan des Fachbereichs Maschinenbau und Mechatronik der Fachhochschule Aachen. Von 1991 bis 1997 war er Geschäftsführer des Laser-Bearbeitungs- und Beratungszentrums Nordrhein-Westfalen und des Centrums für Prototypenbau, das sich bereits seit 1992 mit 3-D-Druck als Dienstleistung beschäftigt. 2000 wurde er zum Professor für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping berufen. Er lehrt auch am City College der City University in New York und hat eine Professur an der Technischen Universität in Pretoria, TUT. Er ist Verfasser des Standardwerks „Additive Manufacturing“ und Herausgeber des RTeJournals, einer Open-Access-Onlinezeitschrift für Rapidtechnologie.

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Copyright Photo: FH Aachen

Inhalt

Juli 2016

 

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt beschäftigt sich seit den 1990er-Jahren mit additiven Fertigungsverfahren. Im Interview spricht er über Potenziale, Risiken und Entwicklung der Verfahren. Er erwartet drastische Umwälzungen in der industriellen Fertigung und fordert mehr Konsequenz im Denken und in der Ausbildung.

Additive Fertigung und 3-D-Druck werden oft synonym verwendet. Wo liegen die Unterschiede?

Die Geschichte der additiven Fertigung geht bis in die Mitte der 1980er-Jahre zurück. Damals haben wir das Verfahren Rapid Prototyping genannt. Rapid nicht, weil das Verfahren besonders schnell gewesen wäre – das ist es bis heute nicht –, sondern weil man ohne weitere Werkzeuge und damit deutlich schneller einen Prototyp herstellen konnte. Diese Bezeichnung war zwar präzise, aber umständlich und erklärungsbedürftig. Deshalb hat sich wie bei jeder neuen Technologie eine Vielzahl von Bezeichnungen herausgebildet. Auf Rapid Prototyping folgte Rapid Manufacturing, darauf Additive Manufacturing. Als um 2000 die kleineren Maschinen für 500 bis 2.500 Euro auch im privaten Bereich zur Anwendung kamen, wurde der bis dahin eher verpönte Begriff 3-D-Drucken immer populärer.

Die Begriffe sind also verfahrensunabhängig?

Als der Begriff 3-D-Drucken in die Welt kam, bezog er sich eher auf die kleinen privat nutzbaren Geräte. Mittlerweile werden damit aber auch die teuren, industriellen Geräte bezeichnet. Viele lassen inzwischen sogar das 3-D weg und sprechen nur noch vom „Drucker“ oder auch spezifiziert vom „Metalldrucker“. Insofern existieren da begrifflich keine Verfahrensgrenzen mehr.

Es lassen sich viele verschiedene Materialien verwenden. Wo liegen dabei die Herausforderungen?

Wir können heute alle vorhandenen Materialklassen zu Bauteilen „verdrucken“: Kunststoffe, Metalle und Keramiken. Der Werkstoff ist nach wie vor der Schlüssel zum Erfolg – und wird es auch bleiben. Ein Grund dafür ist, dass im Gegensatz zur herkömmlichen Produktion aus Halbfertigteilen die Materialeigenschaften, also Form und Qualität, beim 3-D-Drucken erst während der Herstellung entstehen. So wird Pulver zum Beispiel mit einem Laser angeschmolzen und erzeugt nach dem Abkühlen eine feste Schicht. Da spielen Art und Größe der Pulverteilchen eine Rolle. Und auch das beim Lasereintrag entstehende Schmelzbad und seine Dynamik nehmen Einfluss auf das Ergebnis. Die Wechselwirkung zwischen dem generierenden Element, hier dem Laserstrahl, und dem Pulver erzeugt lokal unterschiedliche Materialeigenschaften. Deshalb ist es eine Herausforderung, das Bauteil zu bekommen, das man auch haben will.

Was ist bei den Materialien in Zukunft noch denkbar?

Insgesamt ist die Materialpalette bei allen Werkstoffklassen deutlich kleiner als die klassische Palette. In der M-Base-Kunststoffdatenbank finden wir insgesamt fast 50.000 Kunststoffe, von denen wir momentan gerade mal 50 für Additive Manufacturing zur Verfügung haben. Die Palette muss unbedingt erweitert werden. Die angefragten Mengen rechtfertigen dies aber momentan noch nicht. Sie sind noch zu klein.

Weltweit sind momentan rund 50.000 kleine Kunststoffmaschinen im Betrieb. Wir gehen davon aus, dass sich diese Zahl 2016 verdoppelt. Mit der Verbreiterung der Technologie im industriellen und privaten Sektor wächst auch das Volumen der benötigten Materialien. Metallmaschinen werden beispielsweise deutlich größer. Die Bauraumgröße betrug einst 125 auf 125 auf 125 Millimeter. Heute sind wir bei 700 auf 400 mal 400 Millimeter. Diese Volumina muss man mit Pulver füllen. Das werden immer mehr Hersteller als Markt begreifen und sich mit der Entwicklung von Materialien befassen. Die Vielfalt und der Wettbewerb werden größer, die Preise werden fallen und die Mengen steigen.

Wie sieht die Entwicklung im Bereich der Materialeigenschaften aus?

Beim Kunststoff sind digitale Materialien eine spannende Entwicklung. Stellen Sie sich einen herkömmlichen Farbdrucker vor: Wenn Sie auf dem ein Bild ausdrucken, werden die verschiedenen Farben aus vier Patronen digital gemischt. Genau das kann man auch beim 3-D-Druck machen, nur dass man so auch andere Eigenschaften, zum Beispiel die Flexibilität, beeinflussen kann. Dadurch lässt sich ein Bauteil drucken, das in sich unterschiedliche Eigenschaften trägt. Es kann beispielsweise auf der einen Seite härter und auf der anderen weicher sein. So ließe sich perspektivisch in einem Druckvorgang ein kompletter Scheibenwischer in einem Stück fertigen. Ich könnte mir auch vorstellen, den dazugehörigen Füllbehälter in einem Stück zu drucken: einen Deckel mit integrierter Dichtung, einen transparenten Behälter mit der Füllstandsanzeige inklusive Beschriftung und mit integrierten mechatronischen Teilen. Das ist für mich das Charakteristikum, das 3-D-Druck von allen anderen Fertigungsverfahren unterscheidet: Es hat das Potenzial, nur digital gesteuert Bauteile geometrisch und in ihren physikalischen Eigenschaften lokal anzupassen.

Sie hatten die Frage der Geschwindigkeit bereits angesprochen. Wie lässt sich die erhöhen?

Da gibt es eine ganze Reihe von Konzepten. Vor allem bei den lasergestützten Anlagen. Da geht die Entwicklung zu mehreren Lasern, die sich die Arbeit teilen. Das ist natürlich sehr aufwändig, was die gemeinsame Steuerung der Laser anbetrifft. Daneben gibt es noch Ansätze wie angepasste Schichtstärken. Sie ermöglichen, manche Schichten dicker und das Bauteil damit schneller zu fertigen. Nur dort, wo feinere Details benötigt werden, verwendet man dünne Schichten. Das hängt von der jeweiligen Geometrie des Bauteils ab.

Was ist neben der Geschwindigkeit die Herausforderung?

Maschinen- und materialseitig sind wir aktuell dabei, das Thema Reproduzierbarkeit sicher in den Griff zu bekommen. Solange wir über Prototypen sprechen, wird es meist akzeptiert, wenn Prozesse nicht identisch und die Eigenschaften der Bauteile nicht immer exakt gleich sind. In dem Moment, in dem wir Produkte herstellen und verkaufen, muss das Bauteil genau die zugesicherten Eigenschaften aufweisen. Da spielt Prozesskontrolle eine enorm wichtige Rolle.

Wo liegen die Grenzen gestalterischer und konstruktiver Freiheit?

Zunächst hat man gesagt: „Wir können alles drucken.“ Und in der Tat sind wir von einer Reihe von Limitierungen befreit, aber wir können die Physik nicht überlisten. Man muss sich immer die Geometrie im Hinblick auf das Druckverfahren anschauen. Was viele noch nicht verstanden haben, ist, dass Konstruktion und Fertigung viel näher zusammengewachsen sind. Wenn ich am Rechner etwas konstruiere, dann wird es auch genau so gefertigt. Das Ziel der Konstruktion muss also sein, die Vorteile des 3-D-Druckens in konstruktive Regeln zu fassen. Da ist die Entwicklung des ersten additiv gefertigten Metallbauteils in der zivilen Luftfahrt, ein Kabinenhalter, ein schönes Beispiel. Am Anfang sah die Konstruktion noch sehr klassisch aus. Dann hat man nach und nach entlang der Belastungslinie konstruiert und dabei gewohnte Formen verlassen. Entstanden ist eine neuartige bionisch-geometrische Lösung. Diesen Gedanken muss man konsequent weitergehen. Sonst werden wir mit 3-D-Druck in Zukunft nur das machen, was wir auch ohne können.

Da ist für Konstrukteure neues Denken gefragt.

Ja, die Begrenzungen liegen teilweise in mangelnder Vorstellungskraft, aber auch in der Ausbildung.

Da sitzen Sie ja an der Quelle. Was leistet die Ausbildung, um dieses neue Denken zu ermöglichen?

Ich wurde 2000 an den ersten deutschen Lehrstuhl berufen, der sich ausschließlich mit dem Thema beschäftigte. Mittlerweile gibt es weltweit keine Hochschule mehr, bei der das 3-D-Drucken nicht irgendwo im Lehrplan auftaucht. Aber in der gewerblichen Ausbildung stecken wir nicht nur in Deutschland noch in den Kinderschuhen. Eine Drei-Tage-Schulung reicht da nicht, denn bedienen allein ist zu wenig.

Wir entwerfen gerade eine berufsbegleitende Ausbildung für Techniker, die Ende des Jahres starten wird. Und wir fahren heute schon mit einem Doppeldeckerbus mit elf 3-D-Drucker-Arbeitsplätzen zu Unternehmen. Da können sich dann vor allem die gewerblichen Mitarbeiter selbst ein Bild von der neuen Technologie machen.

Daneben braucht es eine neue Pädagogik. Denn momentan vermitteln wir eine revolutionäre 3-D-Technologie mit der 2-D-Pädagogik von vorgestern. Das betrifft vor allem berufsbegleitende oder sogar berufsintegrierte Ansätze. Da bewegt sich zwar gerade eine Menge, aber es muss sich noch viel mehr tun.

Wie wird additive Fertigung die industrielle Produktion verändern?

Wir werden die Möglichkeiten der Individualisierung der Produkte ausnutzen. Das sehen Sie an den Produkten, die heute bereits hergestellt werden, zum Beispiel Zahnersatz, Hörgeräteschalen – kein Produkt gleicht dem anderen. Mehr Einzelteile bedeutet aber auch, dass ich die Organisation anpassen muss. Es muss ja stets genau das richtige Teil identifiziert, gefertigt und ausgeliefert werden. Das wird ohne Integration der IT in den Fertigungsprozess nicht funktionieren. Die Entwicklung, die sich hinter Industrie 4.0 verbirgt, bildet das ja bereits ab.

Auch die Bedeutung der Montage wird sinken. Viele Komponenten, die bislang in Folgeschritten angebracht werden, kann ich jetzt bereits in das Bauteil integrieren – bis hin zur passenden Oberflächenqualität. Beim Ersatzteilgeschäft werden die randvollen Gitterboxen verschwinden. Durch eine produktbegleitende Konstruktion wird sich die Variantenvielfalt erhöhen. Denn mit dem Verfahren kann ich in wirtschaftlich vernünftigen und dennoch kurzen Abständen das Design revidieren. Das ist momentan allein schon wegen der teuren Fertigungswerkzeuge nicht möglich. Diese Entwicklung wird von den Menschen, die in der Fertigung tätig sind, mehr Flexibilität und eine bessere Ausbildung verlangen.

Wie schnell wird sich dieses Verfahren durchsetzen?

In verschiedenen Branchen wird es zu Umwälzungen kommen. Je individueller das Produkt sein muss, umso stärker wird diese Technologie auch Einzug in die industrielle Fertigung halten. Es gibt beispielsweise heute schon keine Hörgeräteschale mehr, die nicht gedruckt wird. 2000 gab es noch keine einzige – innerhalb von zwei Jahren ist der Anteil der gedruckten Hörgeräteschalen von zehn auf nahezu 100 Prozent angewachsen. Das nennen wir heute disruptiv. In dem Moment, in dem deutlich wird, dass eine neue Technologie wirtschaftliche Vorteile bringt, setzt sie sich auch durch. Innerhalb der kommenden fünf Jahre sehe ich viele dramatische Veränderungen.

In welchen Branchen werden diese Veränderungen am deutlichsten zu sehen sein?

Das ist schwer zu sagen. Aber ich denke, dass sich die schnellsten und dramatischsten Veränderungen auf der Metallseite zeigen werden. Wir sehen schon eine ganze Reihe Anwendungen von 3-D-Drucken für Metalle, die wir vor Kurzem nicht für möglich gehalten hätten. Und da entsteht dann ein Sog. Wenn ein Hersteller eine Anwendung erfolgreich in den Markt bringt, fragt sich der andere gleich: „Warum machen wir das eigentlich nicht?!“ Dieser Sog setzt jetzt ein. Ein Flugzeugbauer hat gerade eine Fertigungsstelle für gedruckte Metallteile eröffnet.

Welche Risiken sehen Sie im industriellen Bereich?

Haftung ist ein wichtiges Stichwort. Denn wir werden die gleiche Produkthaftung haben wie bisher – allerdings für Einzelteile. Zudem bekommt die Urheberrechtsfrage eine neue Dimension: Wenn bislang Musik oder Filme illegal runtergeladen wurden, war das zwar ärgerlich, aber sie wurden nicht verändert. Wenn man sich 3-D-Druckdaten aneignet, kann man das Bauteil verändern und in Umlauf bringen. Wenn dann mit diesem Bauteil ein Unglück passiert, muss der eigentliche Urheber nachweisen, dass das Bauteil nicht von ihm stammt.

Wie entwickelt sich additive Fertigung international?

Die ganze Welt beschäftigt sich mit dem Thema 3-D-Druck. Betrachten Sie zum Beispiel das neue Geschäftsmodell, das sich hinter 3DHubs verbirgt: Auf dieser Internet Plattform sind vorzugsweise private Druckerbetreiber vernetzt. Wer etwas gedruckt haben will, sucht einen Drucker in seiner Nähe, verhandelt den Preis und schickt seine Datei dahin. Momentan sind weltweit rund 30.000 Drucker vernetzt – und zwar bis in wirklich in alle Winkel der Welt. Auch alle Universitäten beschäftigen sich mit dem Thema. Die Internationalisierung bedeutet auch eine Internationalisierung des Wissens.

Lässt sich das an Beispielen darstellen?

2005 waren Kunststoffdruckmaschinen am stärksten in den USA, Großbritannien und Deutschland verbreitet – in China gab es dazu fast nichts. Das hat sich komplett geändert. Bei den Metalldruckmaschinen gab es weltweit fünf Hersteller, davon vier in Deutschland. Da sind die USA, Großbritannien und China inzwischen sehr aktiv. Bei den USA kommt hinzu, dass sie im Gegensatz zum Rest der Welt in der Lage sind, sehr pragmatisch Projekte zu initiieren.