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21 Oktober 2020

Wie die additive Fertigung Brücken in die Zukunft baut.

In den letzten Jahren ist der Begriff «additive Fertigung» zu einem zentralen Schlagwort für die Industrie geworden. Kein Wunder, wenn man sich die Möglichkeiten vor Augen führt, welche der 3D-Druck für die Branche eröffnet. Doch welche sind das genau – und wo steht die Schweiz derzeit in der additiven Fertigung? 

Fräsen, Schleifen, Schneiden – so wurde und wird bisher ein Grossteil der Bauteile und Komponenten angefertigt. Fachleute sprechen dabei vom sogenannten «subtraktiven Fertigungsverfahren». Das bedeutet, vereinfacht gesagt, dass während der Produktion Material weggenommen wird. Die additive Fertigung wiederum beschreibt genau das Gegenteil: Hier entsteht ein Teil «von Null auf», indem Material hinzugefügt wird. Genauer gesagt besteht der additive Fertigungs-Ansatz darin, anhand von digitalen 3D-Konstruktionsdaten schichtweise Material aufzutragen. So lange, bis das erforderliche Bauteil erstellt wurde. 

Verschiedene Vorgehensweisen

Es gibt unterschiedliche Methoden, mit denen sich Teile und Komponenten additiv fertigen lassen. Drei Verfahren haben sich etabliert und gelten als die gängigsten Methoden: das Fused Deposition Modeling (FDM), die Stereolithografie (SLA) sowie Selective Lasersintering (SLS). 

Laut Fachleuten bietet das FDM-Verfahren von den drei Methoden die niedrigste Auflösung und Genauigkeit. Daher eigne sich FDM nicht für den Druck von komplexen Designs oder Teilen mit komplizierten Eigenschaften. Industrielle FDM 3D-Drucker können diese Probleme zumindest teilweise lösen, indem sie auflösbare Stützen einsetzen. 

Der bewährte Klassiker 

Bei der Stereolithografie handelt es sich quasi um den Wegbereiter der 3D-Druck-Technologie. Diese wurde zu Beginn der 1970er-Jahre erfunden. Beim SLA-Verfahren kommt ein Laser zum Einsatz, der flüssiges Harz härtet. SLA weist gegenüber FDM diverse Vorteile auf. So bieten SLA-gefertigte Teile zum Beispiel die höchste Auflösung und Genauigkeit. Zudem weisen sie die deutlichsten Details auf und verfügen über die glatteste Oberflächenbeschaffenheit. Ein zentraler Vorteile von SLA liegt laut Expertinnen und Experten aber in der Vielseitigkeit des Druckprinzips: Dank unterschiedliche Harz-Materialformulierungen, die das Fertigen von Teilen mit spezifischen Eigenschaften ermöglichen, wird SLA in diversen Branchen eingesetzt. Beispiele hierfür sind das industrielle Produktdesign und die Herstellung oder die Medizin sowie der Modellbau.

Beim selektiven Lasersintering (SLS) handelt es sich um die am häufigsten eingesetzte Herstellungstechnologie für industrielle Anwendungen.

Selektives Lasersintering

Beim selektiven Lasersintering (SLS) handelt es sich um die am häufigsten eingesetzte Herstellungstechnologie für industrielle Anwendungen. Und das aus gutem Grund: 

Ein leistungsstarker Laser verschmilzt kleine Partikel aus Polymerpulver. Dabei stützt das verschmolzene Pulver das Druckteil während des Fertigungsvorgangs. Dies führt dazu, dass eigens dafür vorgesehene Stützstrukturen überflüssig werden. Dank dieser Eigenschaft lässt sich SLS perfekt für die Produktion von komplexe Strukturen einsetzen. 

Ein Blick in die Zukunft

Angesichts dieser Vorzüge überrascht es nicht, dass die additive Fertigung vermehrt Einzug hält in die industrielle Produktionskette. Damit aber wirklich alle Unternehmen in sämtlichen Branchen davon profitieren können, müssen sie über einen möglichst guten Zugang zu dieser Technologie verfügen. Die Grundvoraussetzung dafür ist der Zugang zu entsprechenden Anlagen sowie ein funktionierender Technologietransfer. Genau diesen will die von der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) gestartete AM-TTC Initiative fördern: Mit der Unterstützung des ETH Rates und des Bundes und zusammen mit vielen Partnern aus Industrie und Wissenschaft baut sie zu diesem Zweck sogenannte «Advanced Manufacturing Technology Transfer Centers» (AM-TTC) auf. Die Technologietransferzentren dienen dazu, eine Brücke zu schlagen zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Gleichzeit will man damit sicherstellen, dass technische Innovationen für Schweizer Unternehmen nutzbar werden.   

Die Mission des Technologietransferzentrums

Ein solches Technologietransferzentrum, das Swiss m4m Center, hat Mitte Jahr im Kanton Solothurn eröffnet. Seine Mission lautet, den industriellen 3D-Druck soweit zu bringen, dass Schweizer Unternehmen – insbesondere auch kleine und mittlere Unternehmen – ihn für die Herstellung medizinischer Implantate nutzen können. Denn gerade für die Medizintechnik birgt die additive Fertigung ein enormes Potenzial. Zum einen lässt sich sehr viel Material einsparen: Wenn bis anhin ein Implantat zum Beispiel durch Fräsen entstand, wurde aus einem Kilo Titan letztlich ein 4,6 Gramm schweres Teil gewonnen. Das Gross an Material geht als Metallspäne verloren. Beim additiven Ansatz hingegen werden wirklich nur 4,6 Gramm Titan als Pulver benötigt. Doch für Dr. Lars Sommerhäuser, der beim Aufbau des Zentrums in Solothurn beteiligt war, ist diese Einsparung von Material allein noch nicht ausschlaggebend: «Viel wichtiger ist die Tatsache, dass man mit dem 3D-Druck Implantate so gestalten kann, dass sie sich besser in den menschlichen Körper integrieren lassen.»

Wie das?

Sommerhäuser führt als Beispiel Knochenimplantate an. «Man weiss, dass Knochenbrüche vor allem dann gut heilen, wenn die Knochenzellen einer leichten Zug- und Druckbelastung ausgesetzt sind.» Per 3D-Druck könne man nun Implantate mit Gitterstrukturen fertigen. Diese stützen den Knochen zwar, weisen gleichzeitig aber auch eine gewisse Elastizität auf. «In diese Gitterstrukturen können die Knochenzellen dann ‹hineinwachsen› und sich mit ihnen verbinden – wobei sie aber immer noch eine gewisse Belastung haben und so zum Wachsen angeregt werden.» Ein weiterer Pluspunkt der additiven Fertigung liegt im Variantenreichtum der möglichen Geometrien. «Wenn ein Patient z.B. einen Schlüsselbeinbruch erleidet, kann man für ihn nun eine Schiene drucken, die exakt für sein Schlüsselbein passt.» Dies stellt gegenüber heute einen gewaltigen Schritt nach vorne dar. 

Text: SMA

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