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Keine Angst vor dem grossen Wurf!

Additive Fertigung, im Volksmund als «3D-Drucken» bekannt, schlägt hohe Wellen, weil sie etwas von Science-Fiction an sich hat. Bedeutend an dieser Technologie sind aber nicht nur ihrer aktuellen Möglichkeiten, sondern vor allem, was sie in Zukunft alles bringen könnte.

Additive Fertigung – in Medien allgemeiner Art fälschlicherweise oft als 3D-Drucken bezeichnet – ist ein Verfahren, dessen Anwendungsgebiet sich rasch ausbreitet. Wer dafür noch einen Beweis benötigt, bedenke nur, dass dieser Markt 2014 mit 34,9% die höchste Wachstumsrate seit 17 Jahren verzeichnete. Gemäss dem Wohlers Report 2014, dem Referenzwerk für die Entwicklung dieser Branche, ist die Technologie der additiven Fertigung im Sektor der Industrie- und Büromaschinen mit einem Marktanteil von 18,5% am weitesten verbreitet. Dahinter folgen die Sektoren Elektronik, Kraftfahrzeuge und medizinische Geräte. Auch in der Luftfahrt macht sich die additive Fertigung in beachtlichem Masse breit. So stellen zum Beispiel Unternehmen wie Airbus mittels Verfahren der additiven Fertigung komplexe Metallteile für Flugzeuge der nächsten Generation her.

Auch wenn nur allzu oft der Begriff «3D-Drucken» verwendet wird, so hat ein Gerät zur additiven Fertigung mit einem normalen 2D-Drucker herzlich wenig zu tun. Auf einen kurzen Nenner gebracht ermöglicht ein solches Gerät die anhand von 3D-Modelldaten computergesteuerte Herstellung von Teilen oder Gegenständen durch den Aufbau von Materialschichten. Dabei ist die additive Fertigung an sich ein fester Bestandteil des Prozesses der Produktentwicklung zur Herstellung von Prototypen, Werkzeug und Industriekomponenten. In der additiven Fertigung wird ein Werkstück nicht aus einem Festkörper gefräst, sondern dreidimensional aus z.B. Feinpulvern und Flüssigkeiten aufgebaut. Es gibt viele verschiedene Prozesskategorien, und die additive Fertigung ist ein Verfahren, das für die Entwicklung unterschiedlichster Technologien zum Einsatz kommen kann.

Zufällige Entstehung

Auch wenn es sich um eine bahnbrechende Technik handelt, so ist der Grundsatz der Aufschichtung von Werkstoffen so alt wie die Welt selbst. Man denke bloss an Keramikarbeit vor der Erfindung des Töpferrades oder den Aufbau eines Schwalbennestes. Genau genommen reden wir von der natürlichsten Art der Gestaltung einer komplexen geometrischen Form. Zudem hat man zum Beispiel Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Fotografien und Karten bereits im 19. Jahrhundert patentieren lassen.

Ist das Ganze also ein alter Hut? So darf man es auch wieder nicht formulieren, denn dreidimensionale Festkörpermodellierung, die der additiven Fertigung zugrunde liegt, wurde erst mit der Entwicklung der Computertechnologie möglich. Den Anstoss dazu gab die amerikanische Automobilindustrie, die sich in den 1980er-Jahren mit ernstzunehmender Konkurrenz aus Japan insbesondere in Bezug auf die Faktoren Zeit und Kosten konfrontiert sah. Die Entwicklung neuer Modelle nahm schlicht zu viel Zeit in Anspruch und war zu teuer. Deshalb wurden im Sinne des «rapid prototyping» (also des schnellen Modellbaus) eine Reihe von Prozessen entwickelt, um mittels CAD-Software in kurzer Zeit ein serienmässiges Modell eines Gegenstandes herzustellen. Diese Prozesse bilden die Grundlage der heutigen additiven Fertigung.

Schnelle Teileherstellung
Die Stärken der additiven Fertigung beginnen dort, wo herkömmliche Herstellungsverfahren an ihre Grenzen stossen. Wenn sich Ingenieure auf eines verlassen können, dann darauf, dass es in der Produktion immer Änderungen und Konstruktionsanpassungen gibt. Die additive Fertigung verschafft ihnen nun die Freiheit, Anpassungen und Innovation quasi nahtlos und somit ohne Zeitverlust oder Zusatzkosten einfliessen zu lassen. Diese Möglichkeit bringt erhebliche Vorteile wie verdichtete Produktionsabläufe, höhere Produktqualität, vielfältigere Produktgestaltung und letztlich höhere Erträge mit sich.

Die Straffung der herkömmlichen Fertigung (verdichtete Prozesse) führt auch zu einer besseren Ökobilanz. Additive Maschinen können CAD-Dateien lesen und wissen somit bereits, wie lange die Herstellung eines Teils dauert und wie viel Material benötigt wird, bevor die Herstellung beginnt, was die Abfallmenge minimiert und zu Zeiteinsparung beiträgt. Alles in allem werden die Produktentwicklung und der Konstruktionsprozess flüssiger, und Teile können nach Bedarf angefertigt werden. Ein solches Verfahren ist sehr attraktiv für die Herstellung von leichtgewichtigen Kraftahrzeug- und Flugzeugkomponenten oder massgeschneiderten Zahnimplantaten und künstlichen Hüftgelenken. Damit schliesst sich der Kreis bezüglich der Konstruktionsfreiheit ohne Nachteile.

Die Notwendigkeit der Normung
Neben den augenfälligen Vorzügen, gibt es aber auch offene Fragen. Für eine breitere Anwendung dieser Technologie fehlt es an Rahmenbedingungen und Industrienormen. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren ist die additive Fertigung kaum konkurrenzfähig. Mit der Anforderung bestimmter Unternehmen, die eine Ausfallquote von nur wenigen Teilen pro Million anstreben, kann die additive Fertigung bei Weitem nicht mithalten. In dieser Hinsicht kann eine Normenreihe dazu beitragen, ein gewisses Reproduzierbarkeitsniveau zu gewährleisten und damit der Wirtschaft und den Herstellern die so dringend benötigte Gewissheit zu verleihen, dass Werkstoffe und Technologie sicher und zuverlässig sind.

Aber wo soll man anfangen? Für Jörg Lenz, den Vorsitzenden des für additive Fertigung zuständigen technischen Komitees ISOISO
International Organization for Standardization
/TCTC
Technical Committee
261 besteht eine der Herausforderungen darin «zu verstehen, welche Anwendungen und Teile sich für eine entsprechende Normung eignen, und sich dann auf diese zu konzentrieren.» Zu den typischen Anwendungsgebieten der additiven Fertigung gehören Installation und Montage, Muster für Prototypwerkzeug und Metallguss, Demonstrationsmodelle, visuelle Entwicklung und die Reduktion der Anzahl defekter Teile. Diese Gebiete sind aber alles andere als neu und benötigen nicht unbedingt Industrienormen.

Gemäss Klas Boivie, dem Convenor der für die Terminologie der additiven Fertigung zuständigen Arbeitsgruppe WGWG
Working Group
1 des ISOISO
International Organization for Standardization
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Technical Committee
261 hat der Markt für Funktionsteile nicht weniger als 29% Anteil erreicht, während die Werkzeugkomponenten bei 5,6% stehen. Funktionsteile durchdringen aktuell sämtliche Gebiete von der Luftfahrt bis zur Zahnheilkunde und anderen medizinischen Disziplinen. Da diese Teile oft eine zentrale Funktion ausüben, besteht ein steigender Bedarf an Normung der Anforderungen in all diesen Gebieten.

Wie auf jedem Gebiet, für das Normen bestehen, muss sich der Normungsprozess nach den Marktanforderungen richten. Additive Fertigung wird stark hochgespielt und hat an fast allen Fronten Interesse geweckt. Es handelt sich aber um eine noch junge Wissenschaft, die mit der Zeit und zunehmendem Wissen eine Entwicklung durchmachen und reifen wird, weshalb die zu entwickelnden Normen auch Raum für Innovation vorsehen müssen. Lenz meint: «Wir benötigen unbedingt Internationale Normen, um Klarheit zu schaffen und Bedenken auszuräumen, für Zuverlässigkeit, Akzeptanz und Sicherheit zu sorgen und die Markteinführung dieser Technologie zu fördern.»

Gemeinsamer Fortschritt
Der Bedarf an Normung auf diesem Gebiet ist noch verhältnismässig neu. «Die Initiative ging von Fachkreisen aus», erklärt Boivie. «Es war völlig klar, dass diese Technologie über das Potenzial einer viel breiteren industriellen Anwendung verfügt, aber die Industrie reagierte nur langsam und mit einer gewissen Skepsis in Bezug auf den universellen Einsatz dieser Technologie über sehr spezifische und nicht zentrale Anwendungen hinaus.» Dadurch sah sich eine Gruppe von Schlüsselakteuren der internationalen Gemeinschaft auf dem Gebiet der additiven Fertigung dazu veranlasst, eine Debatte über die Erarbeitung technischer Normen zu lancieren. Da diese Gruppe jedoch nicht sicher sein konnte, die nötige internationale Unterstützung zu bekommen, trat sie an ASTM International (die ehemalige amerikanische Materialprüfungsanstalt) heran, was im Jahr 2009 zur Gründung des ASTM-Komitees F42 für Technologien der additiven Fertigung führte. Parallel zur angestossenen Debatte arbeitete der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) intensiv an einer Reihe von Richtlinien für «schnelle Technologien», wie man sie damals nannte. Diese Richtlinien führten letztlich zur Gründung des ISOISO
International Organization for Standardization
/TCTC
Technical Committee
261 im Jahr 2011. Dessen Sekretariat wird durch das deutsche ISO-Mitglied DIN geführt.

Da die internationale Gemeinschaft auf dem Gebiet der additiven Fertigung sehr klein ist, waren viele der Sachverständigen, die gebeten wurden, den Normenvorschlag des VDI zu überprüfen, bereits im ASTM-Komitee tätig gewesen. Die Gründung des ISOISO
International Organization for Standardization
/TCTC
Technical Committee
261 wurde von ernsthaften Bedenken begleitet, es könnte Doppelarbeit geleistet werden oder zur Erarbeitung konkurrierender Normen kommen. Glücklicherweise entwickelte sich jedoch eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen den beiden Organisationen, die in einem Partnerschaftsabkommen zwischen ASTM und der ISOISO
International Organization for Standardization
gipfelte.

Chancen und Sachzwänge
Ungeachtet des dringenden Bedarfs an Normung zur Steuerung des Branchenkurses bestehen zeitliche Sachzwänge und Geldmangel, was Boivie ganz unmittelbar erlebt hat: «Jede Normungsarbeit beruht auf freiwilliger Mitarbeit und wird nicht automatisch finanziert. Das heisst, wir müssen die Normen für additive Fertigung parallel zu unserer beruflichen Tätigkeit erarbeiten.»

Um sicherzustellen, dass die additive Fertigung den Erwartungen gerecht wird, muss ein Fundament aufgebaut werden, das die Reproduzierbarkeit von additiv gefertigten Komponenten gewährleistet. Der Vorteil solcher Komponenten besteht darin, dass sie in ihrer Form angepasst werden und dadurch sehr wohl ein höheres Qualitäts- und Leistungsniveau erreichen können. Zudem, meint Lenz, «brauchen wir auch Qualitätssicherungsverfahren für Fälle, in denen es keine Normen für additiv gefertigte Teile gibt oder bestehende Normen nicht vollständig anwendbar sind.»

Mittlerweile haben immer mehr Organisationen ein Interesse an der Entwicklung solcher Normen und einer direkten Mitarbeit, wodurch doch noch einander konkurrierende Normen entstehen könnten. Gemäss Boivie verfügen die im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen ASTM und der ISOISO
International Organization for Standardization
tätigen Sachverständigen im Moment weltweit ganz klar über das breiteste Wissen auf dem Gebiet der additiven Fertigung. Es besteht ein ernstzunehmendes Risiko, dass ausserhalb dieser Zusammenarbeit entstehende Normen auf weniger sachkundigem Einblick beruhen und damit die stetige Weiterentwicklung der Technologie nur behindern könnten.

Was bringt die Zukunft?
Trotz der anscheinend verworrenen Situation gibt es einen Plan. Priorität ist der Terminologie und den Grundsätzen eingeräumt worden. Diese sollen das Fundament der Erarbeitung künftiger Normen bilden. Auf die Frage, wie es weitergehen wird, meint Boivie etwas philosophisch: «Die Anwendung der Terminologienorm in einer offenen Datenbank wird viel dazu beitragen, das Bewusstsein gegenüber dieser Technologie zu fördern und der Branche eine konsequente Stimme zu verleihen.»

Eine Fähigkeit, die ins Reich der Science-Fiction zu gehören schien, nämlich jene, Gegenstände nach Bedarf herzustellen, ist im Begriff, Realität zu werden. Additive Fertigung ist eine Technologie, die es möglich macht, Teile herzustellen, die früher vielleicht nicht machbar oder realistisch waren. Dadurch entstehen unbeschränkte Möglichkeiten der Innovation. Es ist zwar kaum absehbar, wohin diese Technologie uns führen wird, aber wir wissen, dass die dreidimensionale Zukunft rosig sein wird. Und wenn die Normen erst mal erarbeitet sind, dann sollte additive Fertigung schon bald eine Industriegrösse sein, die unser Leben besser macht.

Quelle: ISO News, 2015

Ihre Ansprechpartnerin für weitere Informationen:
Monica Gontovas, E-Mail: monica.gontovassnv.ch, Tel.: +41 52 224 54 12