Einsatzgebiete der additiven Fertigung im Innenausbau

Schreiner machen Druck

Die additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, gehört zu den Schlüsseltechnologien der vernetzten Werkstatt. Doch wie weit ist die Technik heute gediehen? Wo lässt sie sich in Holz verarbeitenden Betrieben einsetzen und was sind ihre Grenzen?

Autor: Marian Behaneck

Mit steigenden Druckqualitäten und sinkenden Preisen etabliert sich die additive Fertigung – auch generative Fertigung, Rapid Prototyping oder 3D-Druck genannt – zunehmend im Möbel-, Messe-, Laden- oder dem Innenausbau. In einigen Unternehmen unterstützen 3D-Drucker schon jetzt die Herstellung von Modellen, Schablonen, Mustern oder Prototypen, drucken Möbel-Einzelstücke, Kleinserien oder komplette Inneneinrichtungen.

Was leisten 3D-Druckverfahren?

Im Unterschied zu konventionellen Herstellungsverfahren werden Objekte nicht durch Umformen, Trennen oder Zerspanen eines Werkstücks, sondern additiv aus einem flüssigen, pulverförmigen oder festen Ausgangsmaterial aus Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Metall oder anderen Materialien mithilfe chemischer und/oder physikalischer Prozesse Schicht für Schicht aufgebaut. Es können sowohl Objekte aus unterschiedlichen Materialien oder Farben als auch bewegliche Funktionsmodelle in einem Arbeitsgang gefertigt werden.

Die Objekte können auch transparent oder elastisch sein. Ihre Fertigungsqualität hängt ab von der Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit und diese wiederum von der dreidimensionalen Druckauflösung in X-, Y- und vor allem in Z-Richtung (Schichtdicke) des Ausgabegerätes. Die Modelldaten werden in der Regel über CAD-Modellierprogramme, teilweise auch über 3D-Scanner generiert.

Nahezu alles ist druckbar: Kunststoff- und Metallstrukturen ebenso wie Konstruktionen aus Holzwerkstoffen oder massive Bauteile aus Beton, mit oder ohne Eisen-, Glasfaser- oder Textilarmierung, mit oder ohne Beimischung recycelter Materialien. Mechanische oder elektrische Bauteile, medizinische Implantate, Schuhe, Kleidungsstücke, Schmuck oder spielbare Musikinstrumente werden inzwischen ebenso gedruckt, wie essbare Lebensmittel oder sogar bewohnbare Häuser.

Welche Vor- und Nachteile hat der 3D-Druck?

3D-Druckobjekte können individuell gestaltet, modifiziert und sofort ausgedruckt werden. Sie sind mehrfach reproduzierbar und in Kleinserien bis zu einer bestimmten Stückzahl wirtschaftlicher als konventionell hergestellte Produkte. Das gilt insbesondere für komplexe Objekte, denn die Wirtschaftlichkeit additiver Fertigung steigt mit der Komplexität der Objektgeometrie.

3D-Druck ist auch nachhaltiger, denn es wird nur das für den Druck benötigte Material verbraucht. Die additive Fertigung bietet nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheiten: So können mit konventionellen Methoden nicht oder nur sehr aufwendig herzustellende Objekte mit Hinterschneidungen, Hohlräumen o. ä. realisiert werden. Bauteile können dabei partiell mit bestimmten mechanischen oder thermischen Eigenschaften versehen werden, damit Spannungen – etwa in einem Stuhlholm – optimal abgeleitet werden. Grenzen setzen der additiven Fertigung die Produktionszeiten, die nicht mit der Massenproduktion mithalten können. Auch die Druckkosten sind hoch. Zwar fallen insbesondere für Home- und Desktopdrucker die Preise derzeit, die Kosten für Highend-Drucker und Druckmaterialien (zwischen 60 und 400 Euro pro kg) werden sich mittelfristig allerdings kaum ändern. Werden besondere Ansprüche an Oberflächenqualitäten gestellt, ist meist eine manuelle oder maschinelle Nachbearbeitung erforderlich (fräsen, schleifen, lackieren etc.), denn die Oberflächenstruktur ist immer mehr oder weniger rau. Bei bestimmten Druckverfahren erfordern auskragende Objektteile eine Stützkonstruktion, die später entfernt werden muss.

Welche Druckverfahren und Drucker gibt es?

Seit Erfindung des 3D-Drucks im Jahr 1983 entstand eine Vielzahl neuer additiver Fertigungstechniken. Diese werden grob in die Kategorien Pulverbett-, Freiraum- und Flüssigmaterialverfahren unterteilt. Zu den Pulverbettverfahren zählen beispielsweise das Selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), zu den Freiraumverfahren das Fused Deposition Modeling (FDM) oder das Contour Crafting (CC). Wichtige Beispiele für Flüssigmaterialverfahren sind das Digital Light Processing (DLP) und die Stereolithografie (SLA, siehe dazu Beitrag in BM 10/2014: Mit Druck in die Zukunft).

Daneben gibt es zahlreiche weitere Schichtbauverfahren, wie etwa den Holz- oder Betondruck. Die Funktionsweisen sind ähnlich: Entweder wird über einer mit Flüssigkunststoff oder Metall-/Kunststoffpulver gefüllten Kammer eine von einem Schrittmotor gesteuerte Lasereinheit geführt. Dort, wo der Laserstrahl die Konturen des Bauteils abfährt, erhärtet das Druckmaterial schichtweise. Oder das Material wird direkt aus einer Druckkopfdüse schichtweise aufgebracht und erhärtet selbstständig.

Eine Vorrichtung senkt die erhärtete Schicht ab, beziehungsweise der Druckkopf hebt sich. Anschließend fährt der Laser oder Druckkopf die Kontur erneut nach, bis eine neue Ebene fertig ist. Auf diese Weise entsteht schichtweise von unten nach oben das Objekt, das anschließend gegebenenfalls gehärtet, gereinigt, getrocknet, geglättet, lackiert, respektive von Stützkonstruktionen befreit werden muss. Das Angebot an 3D-Druckern ist mittlerweile unüberschaubar.

Die Spanne reicht von kleinformatigen Home-Druckern für Privatanwender mit Baugrößen (L x B x H) bis etwa 250 x 200 x 150 mm ab 500 Euro, über Profi- oder Desktopdrucker für CAD-Konstruktionsarbeitsplätze ab 5000 Euro für Modellgrößen bis etwa 400 x 250 x 200 mm sowie industrietauglichen Highend-Anlagen ab etwa 100 000 Euro. Das sind Lasersinteranlagen für Metall oder Kunststoff bis etwa 4 x 2 x 1 m, bis hin zu Großformat-Druckern mit 70 x 10 x 6 m und mehr. Gängige Schichtdicken liegen zwischen 0,2 bis 0,5 mm (Heimdrucker) und 0,05 bis 0,001 mm (Profi- und Industriedrucker).

Wie werden 3D-Druckdaten erstellt?

Zur Modellerzeugung werden die während der CAD-Konstruktion entstandenen dreidimensionalen Bauteil-Geometriedaten genutzt. Das für die rechnergestützte Modellgenerierung wichtigste 3D-Datenformat STL (STereoLitography) unterstützt derzeit vorwiegend designorientierte CAD-, Modellier- und Rendering-Programme, wie z.B. 3DS-Max, Catia, Cinema4D, FormZ, Maya, MegaCAD, Rhino 3D, SketchUp, SolidWorks, Vectorworks und andere. Weitere 3D-Druck-kompatible Datenformate sind u. a. STEP, IGES, 3DS, OBJ, VRML, DXF oder auch DWG.

3D-Druckverfahren setzen geometrisch korrekt konstruierte Innen- und Außenflächen sowie vollständige, eindeutige und fehlerfreie Baukörpervolumina voraus.

In vielen Fällen ist eine mehr oder weniger aufwendige Aufbereitung und Korrektur oder gar eine komplette Neuerstellung der Geometriedaten erforderlich. Eine weitere Datenquelle für die additive Fertigung ist das 3D-Laserscanning. Mit in der Regel handgeführten Laserscannern lassen sich in wenigen Minuten auch sehr komplexe Objekte dreidimensional erfassen.

Hinterschneidungen, Hohlräume oder Fehlstellen erfordern allerdings eine Nachbearbeitung der Scandaten und eine anschließende Überführung in ein CAD-Volumenmodell. Eine weitere Quelle von 3D-Druckmodelldaten sind 3D-Bibliotheken wie etwa das Google 3D-Warehouse, Thingiverse, Youmagine oder Pinshape. Vor einer kommerziellen Nutzung sollte man sich allerdings die jeweiligen Lizenzbedingungen näher anschauen.

Während der Druckvorbereitung werden mit einer druckerspezifischen Software verfahrens- und materialspezifische Einstellungen vorgenommen, gegebenenfalls unterschiedliche Modellfarben oder Materialien definiert und das Modell im Druckraum ausgerichtet. Anschließend unterteilt die Software die Geometrie in scheibenförmige Querschnitte, wobei die Scheibendicke der Schichtdicke einer Druckschicht entspricht. Je kleiner die Schrittabstände, desto glatter die Oberflächen, desto länger werden aber auch die Druckzeiten.

Wo nutzen Schreinerbetriebe die Technik?

Maßstäbliche Modelle, 1:1-Prototypen von Möbeln oder kompletten Einrichtungen lassen sich ebenso drucken, wie Einzelstücke oder Kleinserien. Auch für die Produktion erforderliche individuelle 3D-Schablonen oder Werkzeuge lassen sich schneller und materialsparender additiv fertigen als beispielsweise fräsen. So manche Verschleiß- oder Ersatzteile müssen nicht mehr teuer nachbestellt werden, sondern können identisch oder individuell modifiziert ausgedruckt werden.

Passform- oder Funktionsprüfungen, Einbau- und Montagetests können schon in früher Projektphase durchgeführt und Probleme früher erkannt werden. Steht der 3D-Drucker neben dem CAD-Arbeitsplatz, ist das Prototyp-Modell schneller verfügbar und Varianten lassen sich schneller entwickeln. Das beschleunigt Gestaltungsprozesse und senkt Entwicklungskosten.

Da sich die Objektdaten vor dem Druck beliebig individuell verändern lassen, sind Varianten schnell realisierbar. Die Einzel- und Kleinserienfertigung sowie der Ersatzteiledruck stellen allerdings höhere Ansprüche: etwa an die mechanische Festigkeit, statische oder thermische Belastbarkeit, Beständigkeit gegenüber Flüssigkeiten oder chemischen Stoffen etc. Das schränkt die Auswahl der Druckverfahren und Werkstoffen ein. Großformatige Objekte, wie Möbel oder Raumteile, setzen große Bauräume voraus.

Hier bietet sich beispielsweise der Quarzsanddruck (FDB) an, der Bauräume von 4 x 2 x 1 m ermöglicht. Der Sand dient dabei als verlorene Gussform für Metallguss-Objekte. Komplexe oder nicht mehr erhältliche Metallbeschläge aus diversen Metallen oder Stählen lassen sich am besten über das sogenannte selektive Laserschmelzen (SLM) fertigen.

Bei diesem Verfahren schmilzt das Metallpulver durch die Wärmeenergie des Laserstrahls schichtweise aus. Das Metallpulver erstarrt und es entsteht ein homogener Werkstoff mit hoher Dichte und dem Ausgangsmaterial ähnelnden Eigenschaften.

Auch Holzwerkstoffe lassen sich drucken und anschließend ähnlich wie Holz sägen, schleifen, bohren und lackieren. Das in Drahtform erhältliche Laywood-Druckmaterial (Filament) besteht aus 40% recycelten Holzfasern und einem polymeren Bindemittel. Erhältlich sind verschiedene „Holzarten“. Durch variieren der Temperatur beim Drucken können verschiedene Farbtöne und damit eine Art Holzmaserung erzeugt werden.

Was bieten (Online-)Dienstleister?

3D-Drucker in Industriequalität sind teuer. Deshalb werden 3D-Druckaufgaben häufig an (Online-)Dienstleister vergeben. Die Kosten hängen von vielen Faktoren ab, wie z. B. vom Verfahren, von der Datenqualität, der Modellgröße, der Oberflächengenauigkeit, vom Nachbearbeitungsaufwand oder den Materialkosten. Da es keine Standards gibt, sind die Preise und Qualitäten sehr unterschiedlich. Sie reichen von 0,5 bis 5 Euro pro cm3 und mehr. Deshalb sollte man sich vorher Angebote einholen, Referenzmodelle anschauen und gegebenenfalls Einsparmöglichkeiten überlegen (anderes Verfahren, Hohlräume bilden etc.). Über Online-Anbieter kann man sein 3D-Modell in den Datenformaten STL, IGS, 3DS, SKP etc. hochladen und ein im 3D-Druckverfahren generiertes Modell in gewünschter Größe und Materialqualität bestellen.

Nachdem das 3D-Modell hochgeladen wurde, wird es auf typische Modellierfehler geprüft. Anschließend werden das Druckverfahren und Material gewählt, die Baugröße und die Anzahl bestimmt, danach wird der Preis angezeigt. Das fertige Objekt erhält man nach einigen Tagen postalisch zugesandt.

Die maximale Objektgröße hängt vom 3D- Drucker und vom Druckverfahren ab. Weitere Vorgaben betreffen das Material (Mindestgrößen, -wandstärken oder -spaltmaße). Die 3D-Druckobjekte können vom Dienstleister teilweise auch nachbearbeitet werden, zum Beispiel Gewinde gebohrt oder Flächen plan abgefräst werden.

Fazit: Fertigungsverfahren mit viel Potenzial

Additive Fertigungsverfahren sind eine Schlüsseltechnologie im Zusammenhang mit der Digitalisierung von Produktions- und Fertigungsabläufen.

Für komplex geformte, amorphe, organische oder bionische, von der Natur inspirierte Strukturen, wie sie beispielsweise mit generativen Designverfahren erzeugt werden können (siehe Beitrag im BM 2/2011: „Das Unplanbare planen“), ist die additive Fertigungstechnik das bislang einzige wirtschaftliche Verfahren. Dass noch nicht in jedem Betrieb neben CNC-Anlagen auch 3D-Drucker stehen, liegt an den immer noch hohen Investitionskosten professioneller 3D-Drucker und am nötigen Know-how.


BM-Praxisstatements von Tischlern und Schreinern

Erfahrungen von Kollegen mit 3D-Druck

„Wir nutzen 3D-Druck als Dienstleistung“, Frank Ackermann, Ackermann GmbH:

Ein 3D-Drucksystem mit guter Ausgabe- und Materialqualität anzuschaffen, das rechnet sich für uns noch nicht. Wir nutzen additive Fertigungstechniken sporadisch als Dienstleistung, etwa um kleine und/oder filigrane Teile als Einzelstück oder in geringer Stückzahl zu fertigen, die mit 5-Achs-Fräsmaschinen nicht oder nur umständlich herzustellen sind. Bei der Wahl des richtigen Dienstleisters sollte man darauf achten, dass er mehrere Drucktechniken und Materialien anbietet, damit man für jede individuelle Aufgabe die passende Lösung erhält.

www.ackermanngmbh.de

„Wir drucken im Auftrag und für uns“, Sebastian Bächer, Bächer Bergmann GmbH: Wir drucken relativ viel – hausintern mit unseren STL- und FDM-Druckern oder bei externen Dienstleistern wie Shapeways. Der 3D-Druck ist für uns schon jetzt nicht mehr wegzudenken und optimiert inzwischen unsere Fertigungsprozesse. So wie unsere 2D-Drucker sind auch 3D-Drucker voll in die Arbeitsabläufe integriert. Wir drucken sowohl im Auftrag als auch für den Eigenbedarf: individuelle Schablonen zum Beispiel oder Modelle, Beschläge, Werkzeuge, Verschleiß- und Ersatzteile. Halter für unsere Fräswerkzeuge oder Sauger für unsere CNC-Fräse, die häufig beim Fräsen beschädigt werden, kommen gedruckt billiger, als wenn man sie nachbestellt.

www.digital.productions

„Lasersintern sehr gut für den Möbelbau“, Daniel Schuster, Schuster Innenausbau: „Wir haben das SLS-Verfahren bisher zweimal für die Entwicklung eines Stuhldesigns genutzt. Wichtig war uns, das Erscheinungsbild, die Proportionen und die Belastbarkeit beurteilen zu können. An diesem Prototyp wurde während der Planung gearbeitet, besprochen und geändert. Für unser 5-Achs-Bearbeitungszentrum wäre das 1:5– Modell viel zu klein und zu filigran gewesen. Das Lasersintern eignet sich sehr gut für den Möbelbau, weil Hohlräume oder Hinterschneidungen möglich und die 3D-Modelle lackierbar und belastbar sind.“

www.schuster-innenausbau.de



Der Autor

Dipl.-Ing. Marian Behaneck ist freier Journalist mit den Schwerpunkten Software, Hardware und IT im Baubereich.