3D-Druck von Medizintechnik-Produkten im Reinraum

3D Druck in der Industrie 4.0 – Chance oder Herausforderung?

3D-Druck von Medizintechnik-Produkten im Reinraum
Datum: 14.10.2021
Update: 25.11.2021

3D Druck in der Industrie 4.0 – Chance oder Herausforderung? 

Die Vorteile von 3D Druck in der Industrie hört man in vielen Medien – Zeit- und Kostenersparnisse, Resilienz der Lieferketten, dezentrale Fertigung. Aber auch missmutige Stimmen tauchen hier und da auf: „3D Druck funktioniert bei uns im Unternehmen nicht“

 

Wir spre­chen in die­sem Blog­bei­trag über die Chan­cen und Her­aus­for­de­run­gen in der sich stän­dig wan­deln­den und wach­sen­den 3D-Druck Bran­che. Dafür haben wir Johan­nes Wies­hei­er von DREIGEIST befragt.

DREIGEIST ist Ent­wick­lungs- und Tech­no­lo­gie­dienst­leis­ter sowie unab­hän­gi­ger Dis­tri­bu­tor für nam­haf­te Her­stel­ler von indus­tri­el­len 3D-Dru­ckern, Mate­ri­al und Peri­phe­rie­ge­rä­ten und bil­det die Ver­bin­dung zwi­schen Her­stel­lern und Kunden.

3D-Druck – mehr als nur Rapid Prototyping?

 

Rapid Pro­to­typ­ing — Pro­to­ty­pen addi­tiv, schnell und kos­ten­güns­tig fer­ti­gen. Ein gro­ßer Fak­tor, wes­we­gen 3D-Dru­cker den Weg in vie­le Ent­wick­lungs­ab­tei­lun­gen unter­schied­lichs­ter Bran­chen fin­den. Zudem las­sen sich kom­ple­xe­re Geo­me­trien in einer Auf­span­nung fer­ti­gen – ohne wei­te­re Pro­duk­ti­ons­schrit­te oder Ein­zel­tei­le zu benötigen.

Grund­sätz­lich wei­sen sol­che Design-Pro­to­ty­pen aller­dings erst­mal kei­ne Funk­ti­on auf. Den­noch las­sen sich so 3D-Daten aus der Kon­struk­ti­ons­ab­tei­lung veri­fi­zie­ren und das Bau­teil zum ers­ten Mal „real“ in die Hand nehmen.

Mit der Wei­ter­ent­wick­lung der 3D-Druck-Tech­no­lo­gien sowie ver­druck­ba­rer Mate­ri­al­aus­wahl steigt nun das Inter­es­se an funk­tio­nel­len Pro­to­ty­pen. So kön­nen Designs nicht nur geprüft, son­dern auch getes­tet wer­den. Für die Aero­dy­na­mic-Abtei­lung im Auto­mo­bil­bau zum Bei­spiel, ist es kein Pro­blem mehr, ein Fahr­zeug­de­sign in „Minia­tur“ 3D zu dru­cken und dann sogar im Wind­ka­nal zu testen.

Zudem kön­nen mitt­ler­wei­le auch fast alle Bau­teil­di­men­sio­nen und ‑auf­lö­sun­gen abge­bil­det wer­den. Hier reicht das Spek­trum von einem Dru­cker­bau­raum mit Maßen von weni­gen Mil­li­me­tern für hoch­auf­lö­sen­de, medi­zi­ni­sche Anwen­dun­gen (Stents) bis hin zu meh­re­ren Kubik­me­tern. Mit die­sen 3D-Dru­ckern ist sogar die Fer­ti­gung von gan­zen Fahr­zeug­kom­po­nen­ten wie Stoß­stan­gen kein Pro­blem mehr.

Dass der 3D-Druck dem rei­nen Pro­to­typ­ing ent­wach­sen ist, zeigt zudem auch die addi­ti­ve Fer­ti­gung von Spritz­guss­werk­zeu­gen sehr anschaulich.

Mit kon­ven­tio­nel­len, zer­spa­nen­den Fer­ti­gungs­ver­fah­ren dau­ert der Fer­ti­gungs­pro­zess oft­mals 9 — 12 Wochen. Die Lead-Time mit addi­ti­ven Tech­no­lo­gien hin­ge­gen beträgt von der CAD-Datei bis zum fer­ti­gen Werk­zeug weni­ge Tage. Dadurch besteht nicht nur die Mög­lich­keit inner­halb einer Woche das Design zu veri­fi­zie­ren, bevor der Spritz­guss­pro­zess beginnt, son­dern auch bei Bedarf kos­ten­ef­fi­zi­ent eine Design-Schlei­fe zu dre­hen und die Geo­me­trien der Form noch­mal anzu­pas­sen. Auf­grund der viel­fach höhe­ren Kos­ten und Pro­duk­ti­ons­zei­ten ist das mit kon­ven­tio­nell gefer­tig­ten Werk­zeu­gen nicht möglich.

3D-Druck im Stereolithographie-Verfahren (nach dem Fertigungsprozess)
3D-Druck im Ste­reo­li­tho­gra­phie-Ver­fah­ren (nach dem Fertigungsprozess)
Rapid Tooling - 3D-Druck von Spritzgussformen
Rapid Too­ling — 3D-Druck von Spritzgussformen

Mehr Nachhaltigkeit dank 3D-Druck?

 

Die Nach­hal­tig­keit spielt heut­zu­ta­ge fast über­all eine gro­ße Rol­le – und die Rele­vanz die­ses The­mas wird wei­ter steigen.

Auch hier bie­tet der 3D Druck der Indus­trie einen Mehr­wert. Anders als bei kon­ven­tio­nel­len, mate­ri­al­ab­tra­gen­den Fer­ti­gungs­tech­no­lo­gien, wie Dre­hen und Frä­sen, ent­ste­hen so gut wie kei­ne Materialabfälle.

Durch den „addi­ti­ven“, schicht­wei­sen Auf­bau jedes Bau­teils wird nur dort Mate­ri­al benö­tigt, wo sich die Bau­teil­kon­tur befindet.

Beim kon­ven­tio­nel­len Frä­sen ent­steht das Bau­teil sub­trak­tiv – in einer oder meh­re­ren Auf­span­nun­gen wer­den aus einem Mate­ri­al­block Spä­ne abge­tra­gen, die dann ent­sorgt wer­den müssen.

Zusätz­lich posi­tiv für den öko­lo­gi­schen Fußabdruck: 

Nicht ver­wen­de­tes Poly­mer-Pul­ver oder Harz kann nach dem Druck­pro­zess auf­be­rei­tet und wie­der­ver­wen­det werden!

3D-Druck-Material: Die Qual der Wahl

 

Vor jedem Start­schuss in ein addi­ti­ves Pro­jekt steht die Aus­wahl des rich­ti­gen Mate­ri­als. Mitt­ler­wei­le ste­hen dem Anwen­der eine Viel­zahl von Mate­ria­li­en in Filament‑, Harz oder Pul­ver­form zur Ver­fü­gung. Ohne einen Tipp vom Exper­ten ist es hier oft schwie­rig, den Über­blick im Mate­ri­al-Dschun­gel zu behalten.

Elas­tisch, Bio­kom­pa­ti­bel oder Flamm­hem­mend inkl. dem­entspre­chen­der Zer­ti­fi­zie­run­gen – durch die inten­si­ve For­schung der Mate­ri­al­her­stel­ler kön­nen mitt­ler­wei­le vie­le Kun­den­an­for­de­run­gen abge­deckt werden.

Den­noch ist es wich­tig, von Beginn an auf das rich­ti­ge Mate­ri­al zu set­zen, da nicht alle Mate­ria­li­en mit allen 3D-Druck­tech­no­lo­gien ver­ar­bei­tet wer­den können.

Bei­spiels­wei­se kön­nen Hoch­leis­tungs­po­ly­me­re wie PEEK, PPSU oder PEI nur im FFF-Ver­fah­ren ver­ar­bei­tet wer­den (In aller Kür­ze: hier wird ein Kunst­stoff­strang (Fila­ment) plasti­fi­ziert und abge­legt). Die­se Poly­me­re wei­sen eine her­aus­ra­gen­de mecha­ni­sche Belast­bar­keit und Bestän­dig­keit auf, so dass selbst Bau­tei­le aus Metall sub­sti­tu­iert wer­den kön­nen. Zusätz­lich wird dabei Gewicht ein­ge­spart – eine Traum­kom­bi für jeden Leichtbau-Enthusiasten.

3D-Druck von Medizintechnik-Produkten im Reinraum
3D-Druck von Medi­zin­tech­nik-Pro­duk­ten im Reinraum

Schafft der 3D-Druck aber auch langfristig den Sprung in die industrielle Serienreife?

 

Um kon­ven­tio­nel­le Ver­fah­ren in der Seri­en­fer­ti­gung zu ver­drän­gen, kommt es nicht nur auf eine kos­ten­ef­fi­zi­en­te Pro­duk­ti­on an, son­dern auch auf die Qualitätssicherung.

Damit die Qua­li­tät in Bau­tei­le stimmt – egal ob bei Bau­teil 1, 100 oder 1000 — wer­den wäh­rend und nach dem 3D Druck qua­li­täts­si­chern­de Maß­nah­men und Metho­den not­wen­dig, um den Pro­zess zu über­wa­chen und zu qua­li­fi­zie­ren. Dazu kom­men stren­ge Regu­la­ri­en in vie­len Bran­chen – bei­spiels­wei­se in der Medi­zin­tech­nik oder Luft- und Raumfahrt.
Nicht umsonst haben 45 – 50% der 3D Druck Inter­es­sen­ten Beden­ken bezüg­lich der Repro­du­zier­bar­keit und Qua­li­tät der Bau­tei­le sowie an der Pro­zess­si­cher­heit der 3D Druck Technologie.

Bei vie­len 3D Dru­ckern ist die gefor­der­te Live-Pro­zess­über­wa­chung noch nicht imple­men­tiert. Zudem muss der gan­ze vor- und nach­ge­la­ger­te Work­flow – genau­er die Daten­vor­be­rei­tung und die Nach­be­ar­bei­tung der Bau­tei­le — vali­diert bzw. veri­fi­ziert werden.

Um sich in der indus­tri­el­len Fer­ti­gung zu eta­blie­ren, steht die, sich ste­tig wei­ter­ent­wi­ckeln­de, 3D Druck-Bran­che des­we­gen vor gro­ßen Herausforderungen.

Additive Bauteilfertigung in Serie
Addi­ti­ve Bau­teil­fer­ti­gung in Serie

Herangehensweise: Implementierung 3D-Druck im Unternehmen

Soll­te man erst­mal extern oder direkt intern den 3D Druck ausprobieren? 

 

Prin­zi­pi­ell gibt es bei der Imple­men­tie­rung des 3D Drucks kei­nen Königsweg.

Ein deut­lich gerin­ge­res Risi­ko fährt man, wenn man eine geeig­ne­te Anwen­dung in sei­nem Unter­neh­men zusam­men mit einem Exper­ten / Dienst­leis­ter ana­ly­siert. Zusätz­lich kön­nen so anfäng­li­che Frus­tra­tio­nen („3D Druck funk­tio­niert nicht“) ver­mie­den werden.

DREIGEIST hat als Anwen­dungs­ent­wick­ler in Kun­den­pro­jek­ten in unter­schied­lichs­ten Bran­chen schon eini­ge Erfah­run­gen sam­meln kön­nen – von (funk­tio­nel­len) Pro­to­ty­pen bis hin zur Seri­en­pro­duk­ti­on von Medizintechnikprodukten.

Auf die­ses Know-How greift das Team von DREIGEIST zurück, wenn es dem Kun­den für sei­ne Anwen­dung das pas­sen­de Mate­ri­al und 3D-Druck-Tech­no­lo­gie emp­fiehlt – oder auch mal ein Pro­jekt ablehnt, soll­te es „addi­tiv“ und wirt­schaft­lich kei­nen Sinn machen.

Passt die Kom­bi­na­ti­on aus Mate­ri­al & Maschi­ne für die Kun­den­an­wen­dung und sind die ers­ten 3D gedruck­ten Bau­tei­le beim Kun­den inte­griert, kann man im nächs­ten Schritt über eine kos­ten­güns­ti­ge­re Inhouse-Fer­ti­gung nachdenken.

Grund­sätz­lich soll­te der 3D Druck in der Indus­trie auch nicht als All­heil­mit­tel gese­hen wer­den. Es wird immer Bau­tei­le geben, die in kon­ven­tio­nel­len Ver­fah­ren kos­ten­güns­ti­ger als im 3D Druck fer­tig­bar sind. Des­we­gen wird der 3D Druck die kon­ven­tio­nel­len Ver­fah­ren auch nicht vom Markt ver­drän­gen. Viel­mehr ergänzt der 3D Druck die­se Ver­fah­ren durch sei­ne Vor­tei­le punk­tu­ell und sinnvoll.

DREIGEIST
DREIGEIST
Johannes Wiesheier
Johan­nes Wiesheier