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Rasantes Wachstum der additiven Fertigung bietet Chancen für Composites-Industrie

11.07.2019
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Die additive Fertigung mit Faserverbundwerkstoffen wird bis zum 2028 auf ein Marktvolumen von rund zehn Milliarden US-Dollar wachsen.

  

Die additive Fertigung mit Faserverbundwerkstoffen wird bis zum 2028 auf ein Marktvolumen von rund zehn Milliarden US-Dollar wachsen. Das ist die Prognose aus einer Analyse von SmarTech Publishing. Demnach wird die Hälfte des Umsatzes mit dem Verkauf von Hardware erwirtschaftet. Darüber hinaus rechnen die Experten damit, dass insbesondere 3D-Drucker mit Pulverbettverschmelzung der primäre Typ von Systemen sind, die für die Herstellung von Verbundteilen im Additive Manufacturing (AM) verwendet werden. Zudem wird erwartet, dass die Einnahmen aus der zusammengesetzten AM-Teile-Produktion (einschließlich Prototypen, Werkzeugen und Endteilen) bis zum Ende des Prognosezeitraums einen Wert von vier Milliarden US-Dollar erreichen. Den Endteilen werden dabei die größten Umsatzchancen eingeräumt.

Im Wesentlichen werden derzeit zwei kommerzielle AM-Verbundtechnologien eingesetzt: die Materialextrusion und die Pulverbettfusion. Zudem finden einige Experimente im Bereich der laminierten AM-Prozesse statt. Als Hauptmaterialien für die Verbundwerkstoffe kommen Kohlefasern zum Einsatz. Außerdem kann Kohlenstoff laut Studie auch in anderen Formen, die als Allotrope bezeichnet werden, in der Herstellung (und in AM) verwendet werden. Dazu gehören Graphen (eine ein Atom dicke Schicht aus Kohlenstoffatomen) und CNTs (Carbon Nanotubes). Ein weiteres wichtiges Material bei der additiven Herstellung sind Glasfasern. Glasfaserverstärkte Thermoplaste werden insbesondere für Pulverbett-Fusionsprozesse zunehmend als Chance gesehen.

3D-Druckindustrie erwartet 2019 Umsatz in Höhe von 13,8 Milliarden US-Dollar

Einem Bericht der International Data Corporation (IDC) zufolge, wird für 2019 mit Umsatz der globalen 3D-Druckindustrie in Höhe von 13,8 Milliarden US-Dollar gerechnet. Bis 2022 soll der Markt der additiven Fertigung auf 22,7 Milliarden US-Dollar weiter ansteigen. Die jährliche Wachstumsrate in diesem Zeitraum soll 19,1 Prozent betragen. Für die Analyse wurden Hardware, Materialien, Dienstleistungen und Software berücksichtigt. 3D-Drucker und Materialien machen rund zwei Drittel des Umsatzes aus.

Bereits die Studie der VDI / VDE Innovation + Technik GmbH aus dem Jahr 2016 mit dem Titel „Additive Fertigungsmethoden – Entwicklungsstand, Marktperspektiven für den industriellen Einsatz und IKT-spezifische Herausforderungen bei Forschung und Entwicklung“ war zu dem Schluss gekommen, dass sich der globale Umsatz von AF-Gütern zwischen 2003 und 2014 beinahe verachtfacht habe, und auch für die kommenden Jahre von einem weiteren exponentiellen Anstieg ausgegangen werden könne. Die Experten bezifferten den Anteil deutscher Unternehmen am globalen Umsatz mit AF-Gütern für das Jahr 2010 mit 15 bis 20 %, was rund 260 Mio. USD entspricht.

Neue Materialien und Werkstoffe bleiben ein entscheidender Treiber

Für die Composites-Industrie bietet der Markt der additiven Fertigung ebenfalls gute Perspektiven. Denn neue Materialien und Werkstoffe bleiben ein entscheidender Treiber für die zukünftige Etablierung der additiven Fertigung. Eine Sonderstellung nehmen den Experten zufolge Verbundmaterialien ein. Gemeint sind damit in erster Linie faserverstärkte Pulver oder Filamente. Diese werden allerdings bisher nur vereinzelt auf dem Markt angeboten oder sind noch nicht bis zur Marktreife entwickelt worden.

Integration der additiven Fertigung für Verbundwerkstoffe in bestehende Produktionsprozesse

Neueste Entwicklungen im Bereich der Faserverbundwerkstoffe für die additive Fertigung zeigt auch die COMPOSITES EUROPE, die vom 10. bis 12. September 2019 in Stuttgart stattfindet. Hier wird die Stratasys GmbH anhand von Anwendungsbeispielen zeigen, wie Zeit und Kosten gespart werden können, indem die additive Fertigung für Verbundwerkstoffe in bestehende Produktionsprozesse integriert wird. „Wir werden auch die neuesten Materialentwicklungen in Bezug auf Verbundwerkstoffe vorstellen – wie beispielsweise das leichte und robuste Nylon12CF-Material“, kündigt Michael Hoelz, General Manager DACH, an.

Das Zusammenspiel von additiver Fertigung und Composites erklärt er wie folgt: „In gewissem Maße können Automated Fiber Placement (AFP) und Automated Tape Laying (ATL) als additive Fertigungstechnologien für Verbundwerkstoffe betrachtet werden, da die Bänder Schicht für Schicht automatisiert aufgelegt werden. Diese Ansätze sind jedoch oft noch auf Werkzeuge angewiesen und eingeschränkt in der Gestaltungsfreiheit. Durch den Einsatz der additiven Fertigung haben Anwender einen viel größerer Spielraum, was die Geometrie betrifft, da mit einem löslichen Stützmaterial gearbeitet wird.“

Nicht zuletzt deshalb sieht Stratasys großartige Entwicklungen auf dem Markt. „Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung unseres Robotic Composite 3D Demonstrator, der durch eine mehrachsige Extrusion der Schlüssel zu wirklich hochwertigen Verbundwerkstoffteilen in der Zukunft sein wird“, so Hoelz. Wir haben bereits ein faserverstärktes Nylon auf den Markt gebracht, und ich denke, wir werden in naher Zukunft weitere Materialien sehen.“ Für ihn ist sei die COMPOSITES EUROPE deshalb die perfekte Plattform, um mit Unternehmen und potenziellen Kunden zu interagieren und ihnen Alternativen zu traditionellen Fertigungsmaterialien und -verfahren aufzuzeigen.

Achtmal schnellerer Highspeed-3D-Drucker für Hochleistungskunststoffe

Einen Highspeed-3D-Drucker für Hochleistungskunststoffe präsentiert das Fraunhofer IWU auf der COMPOSITES EUROPE. Die Experten haben mit SEAM (Screw Extrusion Additive Manufacturing) ein System und Verfahren entwickelt, das im Vergleich zum herkömmlichen 3D-Druck acht Mal schneller ist. Ein großer Schritt, denn die additive Fertigung großvolumiger Kunststoffbauteile war bislang sehr zeitaufwändig. Für die Fertigung eines 30 Zentimeter hohen Bauteils aus Kunststoff benötigt die Highspeed-Technologie lediglich 18 Minuten.

Werkzeughersteller, aber auch die Automobil- und Luftfahrtbranche profitieren von dem neuartigen 3D-Drucker, der eine um den Faktor acht gesteigerte Prozessgeschwindigkeit erreicht. Denn pro Stunde werden bis zu sieben Kilogramm Kunststoff durch die heiße Düse mit dem Durchmesser von einem Millimeter gedrückt. Die vergleichbaren 3D-Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) oder FLM (Fused Filament Modeling) erreichen in der Regel nur 50 Gramm Kunststoff pro Stunde. Die Besonderheit: SEAM verarbeitet statt teurem FLM-Filament rieselfähiges, preisgünstiges Standard-Kunststoffgranulat zu belastbaren, faserverstärkten, mehrere Meter großen Bauteilen. Auf diese Weise lassen sich die Materialkosten um das 200-fache senken.

„3D Fibre Printer“ schuf die Voraussetzungen, Verbundwerkstoffe als Druckmaterial zu verwenden

Additive Fertigungsverfahren (AF) sind für die Composites-Verarbeitung von großer Bedeutung. Bereits 2016 gelang es Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA mit der Entwicklung des „3D Fibre Printer“ die Voraussetzungen zu schaffen, Verbundwerkstoffe als Druckmaterial zu verwenden und damit den Einsatz hochfester Leichtbaumaterialien in der additiven Fertigung zu ermöglichen. Dank einer neuartigen Düse können Endlosfasern direkt beim Drucken in den Kunststoffstrang integriert werden, womit sich erstmals Composites verdrucken lassen.

Das Bauteil erhält zusätzliche Stabilität, weil Endlosfasern statt Faserabschnitte im Werkstoffverbund verwendet werden. Gegenüber den heute in der additiven Fertigung eingesetzten Kunststoffen kann damit eine etwa um den Faktor zehn höhere Festigkeit erreicht werden. Die für den 3D-Druck geeignete Werkstoffpalette lasse sich mit der Technologie signifikant erweitern. Alle Thermoplast-Materialien, die sich mit der Düse aufschmelzen lassen, sowie die Kombination mit zahlreichen Fasern, darunter Glas, Aramid oder Kohlenstoff, seien möglich, ebenso die Verarbeitung biobasierter Kunststoffe und Naturfasern.

Neues Verfahren vereint die Vorteile von Spritzguss und 3D-Druck

Darüber hinaus haben die IPA-Forscher ein neues Verfahren entwickelt, das die Vorteile von Spritzguss und 3D-Druck vereint. Dazu haben sie den additiven Prozess mit einem Gießverfahren kombiniert. Beim so genannten „additiven Freiformgießen“ wird erst die Hülle des Bauteils mit FLM-Druck (Fused Layer Modelling) aus dem wasserlöslichen Kunststoff Polyvinylacetat (PVA) hergestellt und anschließend automatisch mit einer präzise dosierten Menge Zwei-Komponenten-Harz (PUR oder Epoxidharz), das schnell trocknet, befüllt. Das steigert die Stabilität des Bauteils, spart Zeit und ermöglicht es, neue Materialien zu verdrucken.

Nach der Trocknung kann das Bauteil nach dem gleichen Prinzip beliebig in die Höhe erweitert werden. Sobald der Prozess abgeschlossen und das Bauteil ausgehärtet ist, wird die Form im Wasserbad entfernt. So entsteht ein 3D-gedrucktes Werkstück mit Eigenschaften, die dem Spritzguss ähneln. Die IPA-Forscher haben eine spezielle Dosiereinheit für 2K-Materialien im 3D-Drucker verbaut, um das Füllmaterial in die Hülle zu gießen. So ist es möglich, das gesamte Verfahren „am Stück“ durchzuführen – also den Druck der Hülle und die Füllung. Der Druckprozess muss nicht unterbrochen werden und lässt sich wie beim herkömmlichen 3D-Druck vollständig digitalisiert steuern.

Weitere Vorteile des Verfahrens sind, dass Zwei-Komponenten-Harze verarbeitet und hitzebeständige Duroplaste als Baumaterial eingesetzt werden können. Darüber hinaus sei das Bauteil viel schneller aufgebaut und zudem deutlich stabiler, weil das Material die Form komplett ausfüllt und somit keine porösen Stellen oder Lufteinschlüsse entstehen. Nach Angaben der Wissenschaftler eignet sich die neue Methode für verschiedenste Anwendungsbereiche und Branchen, darunter elektrisch isolierende Bauteile wie Steckdosen oder Schäume und Polster, wie sie bei Sicherheitselementen benötigt werden.


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