Das Pro und Kontra des 3D-Drucks

Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, das in der Wirtschaft in den Bereichen Industrie, Handel und Hobby schnell wächst. Die Popularität der Branche ist auf die bahnbrechenden Vorteile der innovativen Technologie zurückzuführen. Die weltweite 3D-Druckindustrie wächst rasant und wird Prognosen zufolge von 18,3 Milliarden Dollar im Jahr 2022 auf über 83 Milliarden Dollar im Jahr 2029 anwachsen.

Der 3D-Druck hat in allen wichtigen Branchen Einzug gehalten. Am deutlichsten sind die Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizin und der Zahnmedizin. Aber auch die Bildungs-, Bau-, Roboter-, Mode- und Lebensmittelindustrie integrieren den 3D-Druck in ihr Geschäft.

Der Beginn von Industrie 4.0 trägt zum rasanten Aufstieg der 3D-Druckindustrie bei, dem Herzstück der additiven Fertigung. Industrie 4.0 integriert neue Technologien wie Cloud Computing, das Internet der Dinge (IoT), additive Fertigung, künstliche Intelligenz (KI) und Datenanalyse in ihre Produktions- und Geschäftsabläufe. Diese integrierten Technologien werden die Art und Weise, wie Unternehmen Produkte und Dienstleistungen herstellen, verändern.

Die Vorteile der schnell wachsenden 3D-Druckindustrie sind zahlreich. Zu den Vorteilen gehören die folgenden:

• Erstellung komplexer Geometrien - Im Gegensatz zur herkömmlichen maschinellen Bearbeitung können mit dem 3D-Druck komplexe Konstruktionen erstellt werden, die bei der herkömmlichen Fertigung mit Baugruppen aus mehreren Komponenten nicht möglich sind. Ein Beispiel sind interne Hohlräume im Inneren des Teils, um das Produkt leichter zu machen. Die Herstellung leichterer Teile ist ein wichtiger Grund, warum der 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- und Automobilindustrie so beliebt ist. Und bei teuren Materialien wie Metallen führen die inneren Hohlräume zu Kosteneinsparungen.
• Maßgeschneiderte medizinische Anwendungen - Der 3D-Druck ermöglicht es Medizinern, maßgeschneiderte Teile für medizinische Eingriffe herzustellen, z. B. maßgeschneiderte Implantate für Zahnersatz, Hüften, Wirbelsäule und Knie. Vor kurzem wurde ein Schädelimplantat mit 3D-gedruckten Teilen hergestellt. Zu den weiteren Anwendungen gehören starke und haltbare individuelle Prothesen, passgenaue Hörgeräte und verfahrensspezifische chirurgische Instrumente. Während der Pandemie war die Nachfrage nach Tupfern groß, und um den Mangel zu lindern, wurden Tupfer gedruckt. Die medizinische 3D-Druckforschung entwickelt Gewebe mit Blutgefäßen, Medikamenten, Herzklappen und Organen. Biokompatible Materialien sind für diese medizinischen Fortschritte unerlässlich.
• Design und Fertigungstechnik - Der 3D-Druck vereinfacht den Prozess der Teileerstellung. Der Prozess ist unkomplizierter, da die Ingenieure nicht mit den zahlreichen Einschränkungen konfrontiert werden, die mit subtraktiven Fertigungstechnologien verbunden sind. Dieser Vorteil spart auch Zeit bei der Konstruktion: Komplexe Teile, für die früher mehrere Komponenten erforderlich waren, lassen sich leicht in ein einziges leichtes Teil drucken. Mehrfaches Einrichten und zusätzliche Bearbeitungszeit für zahlreiche Komponenten entfallen in der Fertigung. 
• Effiziente Fertigung - Der 3D-Druck ist eine effiziente Methode zur Herstellung von Produkten. Es handelt sich um einen einstufigen Prozess, der zahlreiche additive Fertigungsschritte, Einrichtungsvorgänge und den Energieverbrauch vermeidet. CNC-gefertigte Teile sind bis zu 10 Mal teurer als 3D-gedruckte Teile. Es wird wenig Material verschwendet, und der Prozess kann automatisiert werden, um mehrere Teile kontinuierlich zu fertigen. Ebenso wie die Kosten für die Lagerhaltung entfallen auch die Lager- und Transportkosten. Lokale 3D-Druckereien bieten vertraglich vereinbarte Dienstleistungen an, mit denen Unternehmen Geld sparen können, indem sie die Anschaffung von eigenem Kapital und die Entwicklung von Verfahren und Bedienern vermeiden.
• Leichte Materialien - Die meisten im 3D-Druck verwendeten Materialien sind leichte Kunststoffverbindungen und technische Materialien. Dieser Aspekt ist ein großes Verkaufsargument in der Luft- und Raumfahrtindustrie: Die Materialien können so angepasst werden, dass sie neben einem geringeren Gewicht auch bestimmte Leistungsmerkmale aufweisen, wie z. B. eine verbesserte chemische Beständigkeit, Hitzebeständigkeit, Elastizität oder Festigkeit.
• Geringer Materialabfall - Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material für die Herstellung des Teils entfernt wird, ist der 3D-Druck eine additive Fertigungslösung, bei der nur das für das Teil benötigte Material hinzugefügt und während der Herstellung unterstützt wird. Das Verfahren ist außerdem umweltfreundlich, da die Teile leichter sind und Energie eingespart wird. Viele Filamente sind recycelbar und pulverförmige Materialien sind zu 95-99 % wiederverwendbar.
• Schnelle Teileerstellung - 3D-Teile können innerhalb von Stunden gedruckt werden. Diese kurze Durchlaufzeit ist ein erheblicher Vorteil gegenüber den zusätzlichen Kosten für die Lagerhaltung oder den Versand von Teilen über Nacht quer durch das Land - vorausgesetzt, sie sind überhaupt vorrätig.
• Angemessene Preise für die Geräte - 3D-Drucker sind im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsanlagen preisgünstig. Einsteigerdrucker für Hobbyanwender beginnen bei etwa 200 US-Dollar, und Industriemaschinen sind preiswerter als CNC-Bearbeitungszentren. Die Materialkosten für den 3D-Druck mögen auf den ersten Blick teurer sein. Allerdings wird weniger Material verbraucht, so dass die Gesamtmaterialkosten bei preiswerteren Kunststoffen geringer sind. Selbst die teureren Metallpulver sind billiger als die Materialkosten für die subtraktive Fertigung.
• Nachhaltigkeit - Das 3D-Druckverfahren ist umweltfreundlich, da es weniger Material verbraucht, Pulver wiederverwendet und die meisten Kunststoffträger recycelt werden können. Das leichtere Teil verbessert auch die Treibstoffeffizienz von Flugzeugen, Autos und Raumfahrzeugen.

Da es sich um eine relativ neue Branche handelt, die sich immer weiter ausbreitet, hat der 3D-Druck einige Nachteile, darunter die folgenden:

• Genauigkeit - Mit 3D-Druckern hergestellte Teile streben danach, die Maßgenauigkeit von CNC-Maschinen und anderen subtraktiven Fertigungsmaschinen zu erreichen. Der Unterschied ist spürbar, da 3D-Teile mit einer Genauigkeit von 0,2 mm hergestellt werden, während CNC-Maschinen nur 0,005 mm erreichen. Dies könnte sich mit den laufenden Verbesserungen in der additiven Fertigungsindustrie ändern.
• Kosten - Auch wenn die Kosten für 3D-Drucker geringer sind als für ihre Gegenstücke aus der subtraktiven Fertigung, ist die Investition in eine neue Technologie mit Kosten verbunden. Investitionsgüter, Schulungen und Prozessentwicklung können einschüchternd wirken.
• Fälschungen und Urheberrechtsverletzungen - Mit der zunehmenden Popularität der 3D-Drucktechnologie steigt auch die Möglichkeit, gefälschte Produkte herzustellen. Und mit der Zunahme von Fälschungen steigt auch die Zahl der Urheberrechtsverletzungen. Zahlreiche Designs können heruntergeladen werden, ohne dass der ursprüngliche Eigentümer eine Entschädigung erhält. 
• Weniger Arbeitsaufwand - Sowohl ein Pro als auch ein Contra ist, dass 3D-Druckvorgänge weniger arbeitsintensiv sind, da ein Bediener oft mehrere Maschinen bedienen kann. Wie bei Industrie 4.0 ist dies kein Problem, das nur in der 3D-Druckindustrie auftritt, da die Technologie voranschreitet.
• Materialverfügbarkeit - Die Auswahl an Materialien für den 3D-Druck ist im Vergleich zu den für andere Fertigungsverfahren verfügbaren Materialien relativ gering. Viele Metalllegierungen müssen in 3D-Druck-kompatible Materialien umgewandelt werden. Auch lebensmittelechte Materialien sind nur begrenzt verfügbar. Duroplastische Materialien können nicht recycelt werden, was zu Materialabfällen führt. Dies ist die häufigste Beschwerde in der Automobilindustrie und im Gesundheitswesen.
• Qualität der Teile - Bestimmte 3D-Drucktechnologien wie FDM, Polyjet und Multijet können Teile mit Delamination, Sprödigkeit, inneren Spannungen und Verformungen oder Dimensionsproblemen produzieren.
• Nachbearbeitung - Die meisten 3D-gedruckten Teile müssen in irgendeiner Form nachbearbeitet werden. In der Regel sind zusätzliche Arbeitsgänge erforderlich, sei es Wärmebehandlung, Polieren, Entfernen von Stützen oder maschinelle Bearbeitung. Nachbearbeitungsprobleme sind die Hauptbeschwerde der Unterhaltungselektronik- und der Schwermaschinenindustrie.
• Produktionsvolumen - Der 3D-Druck wurde früher hauptsächlich für Prototypen verwendet, da das additive Verfahren langsamer ist als die herkömmliche Massenproduktion. Auch wenn mit dieser Technologie kleine bis mittlere Produktionsmengen hergestellt werden können, ist die Zykluszeit nicht so schnell wie bei herkömmlichen additiven Verfahren. 
• Größe - Industrielle 3D-Drucker benötigen größere Druckkammern. Obwohl einige spezialisierte 3D-Drucker große Produkte herstellen, ist ein Großteil der Technologie auf kleinere Modelle beschränkt.

Der 3D-Druck ist ein neuer Industriezweig, der mit einem schnellen Wachstum zu kämpfen hat. Mit der Zeit werden die Materialien und die Technologie die Branche einholen. Das prognostizierte Wachstum des 3D-Drucks ist ein starker Indikator dafür, dass die Beschwerden abnehmen und die Akzeptanz weiter zunehmen wird.