3D-Druck: Wie real ist er?

Ein Fachbeitrag von Mimaki Europe

Den 3D-Druck, der auch als additive Fertigung bezeichnet wird, gibt es bereits seit vielen Jahren. Wie zahlreiche andere neue Technologien hat er ein Stadium durchlaufen, das manche als maßlose Übertreibung bezeichnen würden. So wurde der 3D-Druck eher als bloße Neuheit denn als bahnbrechende Technologie angesehen, die erhebliche Auswirkungen auf die traditionellen Fertigungsverfahren haben könnte. Doch wurde in den letzten Jahren deutlich, dass die Übertreibungen nach und nach Realität werden, da der Markt ein exponentielles Wachstum zu verzeichnen beginnt. Einer von Wohlers Associates, Inc. im Jahr 2015 veröffentlichten Prognose zufolge tritt der 3D-Druckmarkt vielleicht letztendlich doch in eine Hockeyschläger-Wachstumsphase ein. So soll sich sein Marktvolumen von etwa 7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2016 auf 21 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 erhöhen.

Trotz all des aktuellen und zukünftigen Wachstums ist dieser Markt größtenteils immer noch nicht erschlossen. 3D-gedrucktes Material macht nur einen winzigen Anteil aus. Wohlers Associates, Inc. ist jedoch davon überzeugt, dass der 3D-Druck letztendlich einmal 5 % der weltweiten Fertigungskapazität einnehmen wird. Damit würde er sich zu einer Branche mit einem Volumen von 640 Milliarden US-Dollar entwickeln.

Aus diesem Grund stellt die Herstellung von 3D-Druckern eine attraktive Gelegenheit dar, die von einer Reihe von Unternehmen, darunter auch von Mimaki, verfolgt wird.

Wer ist Mimaki?

Mimaki wurde 1975 in Japan gegründet. Seitdem hat sich das Unternehmen einen guten Ruf als weltweit aktiver und einflussreicher Hersteller von Druckmaschinen erarbeitet. Bei Großformat-Tintenstrahldruckern und Schneideplottern nimmt Mimaki eine führende Position ein. Seine Lösungen produzieren eine breite Vielfalt von Anwendungen, wie Schilder für den Innen- und Außenbereich, Verpackungen, Werbeartikel und Wohntextilien, um nur einige wenige zu nennen. Mit weltweit 1580 Mitarbeitern erwirtschaftet Mimaki jedes Jahr Einnahmen in Höhe von etwa 375 Millionen Euro. Hier ist Europa der größte Markt.

Für Mimaki ist der Übergang vom UV-härtenden 2D-Inkjetdruck zum 3D-Drucksystem ein logischer Schritt. Das Unternehmen hat erhebliche F+E-Ressourcen in seine 3D-Entwicklung eingebracht. Der Mimaki 3DUJ-553 ist das erste Angebot von Mimaki für den 3D-Druckmarkt. Die dabei verwendeten Verfahren basieren auf seiner modernen UV-Inkjetdruck-Technologie. Dieser Drucker wurde auf der Formnext, die vom 14. bis 17. November 2017 in Frankfurt am Main stattfand, erstmals der 3D-Druckgemeinschaft vorgestellt.

Der UV-härtende Inkjetdruck auf einen Blick

Der Tintenstrahl- oder Inkjetdruck, mit dem die meisten Menschen vertraut sind, nutzt wasserbasierte Tinten, wie sie von den Druckern in den Wohnungen und Büros auf der ganzen Welt verwendet werden. Diese Geräte erzeugen auf Papier oder anderen Substraten ein digitales Abbild, indem sie Tintentröpfchen durch Düsen an genau definierte Stellen aufbringen. Wasserbasierte Tinten benötigen spezielle Bedruckstoffe, um die Farbaufnahme zu optimieren. Bei größeren Druckvolumen und professionelleren Anwendungen verwenden Inkjetdrucker anspruchsvolle Trocknungssysteme, um das Wasser aus dem Papier zu entfernen, so dass nur die Farbpigmente darauf verbleiben.

Systeme mit UV-härtenden Tinten geben langlebigere Druckprodukte aus. Bei der UV-Härtung lösen ultraviolettes (UV) und sichtbares Licht eine fotochemische Reaktion aus, die einen Film aus vernetzten Polymeren erzeugt. Dieser Polymerfilm ist sofort trocken und haftet für gewöhnlich auf einer breiten Palette von Substraten. Hierbei handelt es sich um einen Prozess, der bei niedrigen Temperaturen, einer hohen Geschwindigkeit und mit Unterstützung durch Lösemittel abläuft. Er kann beim Drucken, Beschichten, Dekorieren — und eben auch beim 3D-Druck zum Einsatz kommen.

3D-Drucker werden in vielen Ausführungen angeboten. Als Werkstoffe kommen verschiedene Pulver, Filamente und Flüssigkeiten zum Einsatz. Ihnen allen ist gemeinsam, dass sie sich in Schichtenform ablagern, um das gewünschte Objekt zu erstellen. Dieser Vorgang wird als additive Fertigung bezeichnet, um ihn von den traditionelleren Verfahren, wie Bohren, Fräsen oder Drehen, zu unterscheiden, bei denen Material „subtrahiert“, d. h. abgetragen wird. Da es sich um einen digitalen Prozess handelt, ist es möglich, Einzelstücke oder auch größere Stückzahlen des gleichen Objekts zu relativ konstanten Teilekosten zu fertigen. Der wichtigste Gesamtkostenfaktor sind hier die Menge und die Art des Ausgangsmaterials, wie Kunstharze, Metalle oder Keramik.

Das 3D-Druckkonzept von Mimaki

Von den vielen verschiedenen Konzepten für den 3D-Druck hat sich Mimaki für ein Verfahren entschieden, bei dem der Drucker nacheinander Tintenschichten ausgibt, die sofort unter UV-Licht ausgehärtet werden, bis das Objekt fertig modelliert ist. Dünne Tintenschichten lagern sich auf der Bauplattform ab, um ein oder mehrere detailgenaue 3D-Modelle oder Teile entstehen zu lassen. Wenn Überhänge oder komplexe Formen eine stützende Struktur benötigen, setzt der 3D-Drucker ein abwaschbares Trägermaterial ein. Durch die LED-Trocknung wird nur wenig Strom verbraucht. Gegenüber anderen 3D-Lösungen bietet der 3D-Drucker von Mimaki unter anderem diese Vorteile:

  • Er kann Vollfarb-Objekte mit mehr als 10 Millionen Farben drucken. Um eine exakte und konsistente Farbe zu gewährleisten, ist es möglich, Farbprofile zu verwenden. Das bedeutet, dass das Objekt nicht nachträglich koloriert werden muss, was Zeit und Arbeit spart./li>
  • Der Drucker verarbeitet weiße Tinte sowie einen transparenten Lack, der dem gedruckten Objekt eine zusätzliche Brillanz verleiht.
  • Das Trägermaterial lässt sich einfach mit Wasser abwaschen, so dass keine Marken oder andere Stützstrukturen von Hand wieder herausgeschnitten werden müssen, was mit einem sehr großen Zeitaufwand verbunden wäre.
  • Die Bauplattform misst 50 x 50 x 30 cm und ist damit größer als bei vergleichbaren 3D-Druckern.

Mimaki profitiert von seiner jahrelangen Erfahrung beim UV-härtenden Inkjetdruck in der 2D-Welt. Daher konnte das Unternehmen den 3DUJ-553 mit eigenen Kerntechnologien, wie seinem Tintenzirkulationssystem zur Vermeidung verstopfter Düsen und dem NCU-Düsenprüfsystem, ausstatten. Die Düsen des Druckkopfes werden automatisch auf Störungen überprüft und defekte Düsen ersetzt, so dass eine unterbrechungsfreie Druckausgabe sichergestellt ist. Zudem besitzt der Drucker eine interne Überwachungskamera, die es dem Bediener erlaubt, den Modellierungsstatus zu kontrollieren.

Neben seinem Einsatz in der additiven Fertigung bietet sich der Mimaki 3DUJ-553 für weitere Nutzungen an, darunter für:

  • die Produktion von Prototypen im Entwurfsprozess.
  • die Modellierung von Vollfarb-Prototypen für die schnellere Markteinführung.
  • das Drucken von Testteilen für die Montage.
  • das Drucken von Testteilen für die Montage.

3D-Druck: Die Zeit ist reif!

Die Zeit des 3D-Drucks ist gekommen. Nach vielen Jahren der Entwicklungsarbeit und der Erprobung setzen zahlreiche Branchen den 3D-Druck heute bereits für eine Reihe unterschiedlicher Zwecke ein. Mit der Weiterentwicklung dieser Technologie wird sich die Rentabilitätsschwelle weg von traditionellen Fertigungsprozessen weiter zugunsten des 3D-Drucks verschieben.

Unabhängig davon, ob es darum geht, im Weltraum Ersatzteile für die internationale Raumstation ISS zu drucken, eindrucksvolle Einrichtungsgegenstände zu erschaffen, realistische Architekturmodelle zu fertigen oder einfach Werbeartikel zu produzieren: Das Potenzial des 3D-Drucks ist grenzenlos!

Da der Markt außerdem eine stärkere Personalisierung, mehr Versionen und Artikel (SKU) sowie immer häufiger die Fertigung von Teilen und anderen Objekten an Ort und Stelle verlangt, sinken die benötigten Stückzahlen. Dadurch vergrößert sich die Nachfrage nach 3D-Druckkapazitäten weiter.