Druckwerkstoffe für die Additive Fertigung

Additive Technologien fördern die Transformation hin zu einer wettbewerbsfähigen und nachhaltigen Wirtschaft mit digital vernetzten Wertschöpfungsketten. Als Ressourceneffizienztechnologie bieten 3D-Drucktechnologien vor allem Potenziale für einen materialübergreifenden Leichtbau in der Luftfahrt und im Automobilbau, zur Reduzierung der Emissionen im Bauwesen und für individualisierte Lösungen im Medizinbereich und in der Elektronik.

Multimaterialdrucker für Hochtechnologieanwendungen

Für die deutsche Industrie wird neben der Verfügbarkeit additiver Anlagentechnik vor allem auch der Zugriff auf applikationsspezifische Druckwerkstoffe mit einem hybriden Eigenschaftsprofil entscheidend werden. Gleichzeitig wird insbesondere die Kreislauffähigkeit der Materialien und genutzten Ressourcen zunehmend diskutiert.

Der weltweite Markt für 3D-Druckmaterialien wurde von den international tätigen Marktanalysten von Vantage Market Research im Jahr 2022 auf 2,3 Mrd. US-Dollar geschätzt. Mit einer Wachstumsrate (CAGR) von prognostizierten 25,9 % bis Ende des Jahrzehnts wird in 2030 voraussichtlich ein Marktvolumen von 11,53 Mrd. US-Dollar erreicht. Das Vertrauen in die industrielle Nutzung additiver Fertigungsverfahren steigt stetig und damit auch das Volumen der benötigten Druckmaterialien.

Die zunehmende Verbreitung additiver Fertigungsverfahren in den unterschiedlichen Bereichen und Anwendungsgebieten hat neben der Anlagenvielfalt vor allem auch den Bedarf an spezialisierten Werkstoffen erhöht. 3D-Druckmaterialien können je nach genutzter Anlagentechnik in der Form von Filamenten, als Draht, Pulver oder Harz vorliegen. Im Lebensmittelbereich werden zudem pastöse Massen zu Nahrungsmitteln aus Teig- oder Süßwaren verarbeitet und Speisen mit individualisierten Nährstoffen bereitgestellt. In der Medizin hat die Forschung an der additiven Verarbeitung von lebenden Zellen deutlich zugenommen.

Während das Angebot an polymeren und metallischen Druckmaterialien im Kontext industrieller Produktion in den letzten Jahren deutlich gestiegen ist, lassen sich auch in anderen Bereichen Innovationssprünge bei den schichtweise verarbeiteten Druckmaterialien beobachten. Durch Entwicklung von Hochleistungsdruckwerkstoffen verbessern sich die industriellen Anwendungspotenziale additiver Fertigungsprozesse zunehmend.

Multimaterialdrucker stehen kurz vor dem Sprung von der Forschung in den Markt. Mit ihnen lassen sich unterschiedliche Werkstoffe in einer Anlage verarbeiten und Kombinationen aus Metallen, Keramiken und Kunststoffen erzeugen und um weitere Funktionen wie elektrische und magnetische Qualitäten ergänzen. Hybride Druckmaterialien werden eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen, die branchenspezifisch bereitgestellt werden und insbesondere in stark regulierten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und dem medizinischen Bereich neue Potenziale erschließen.

So können beispielsweise Präzisionsbauteile aus Keramiken mit besonderen Materialqualitäten an einzelnen Stellen in einer einzigen Schicht entstehen, die sich auch mit speziellen Metallen kombinieren lassen. Vor allem für mechatronische Systeme sind Lösungen und Bauteile mit integrierten Funktionalitäten (z.B. Sensoren) von großer Bedeutung.

Zudem ist der 3D-Gebäudedruck ein enormer Innovationstreiber für Materialinnovationen im Volumengeschäft der Bauindustrie und lässt Baustrukturen auf Basis zementärer Druckwerkstoffe ebenso entstehen wie Lösungen auf der Basis natürlicher Materialien insbesondere in Verbindung mit den Möglichkeiten der Biofabrikation. Zudem hat es bei der additiven Verarbeitung energieintensiver mineralischer und keramischer Werkstoffe Fortschritte gegeben. Auch beim additiven Aufbau von Glasbauteilen hat es Innovationssprünge gegeben.

Neben der Entwicklung von 3D-Druckmaterialien für kundenindividuelle Anwendungsbereiche zielen jüngste Entwicklungen auf die ökologische Nachhaltigkeit der Verfahren und die mit ihnen erzeugten Produkte ab. Die auf die additive Fertigung zurückführbaren Auswirkungen sollen auf ein Minimum reduziert und der Ressourceneinsatz durch die Nutzung additiver Technologien deutlich gesenkt werden.

Dabei geht es vor allem um die Vermeidung von Abfällen und die Wiederverwendung der eingesetzten Materialien, also die Rückführung in die technischen und biologischen Kreisläufe. Durch Entwicklung von Druckmaterialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe werden die CO₂-Emissionen verringert. Zudem sorgt die Realisierung einer biologischen Abbaubarkeit für eine Vermeidung von Mikroplastik.

Der gesamte Artikel ist erschienen im Springer Fachbuch „Potenziale und Herausforderungen der Additiven Fertigung“

ISBN des gedruckten Buches: 978-3-658-45140-0

ISBN des eBooks: 978-3-658-45141-7

eBook unter: www.link.springer.com/book/10.1007/978-3-658-45141-7