Eine Produktionshalle in Augsburg, kurz vor Schichtende. Auf der Bauplattform einer Laserstrahlschmelzanlage kühlt ein Bauteil ab, das vor wenigen Stunden noch reines Metallpulver war. Schicht um Schicht hat der Laser es verfestigt, nach einem digitalen Bauplan, der keine Werkzeuge benötigt und keine Formen. Das Ergebnis: ein Funktionsbauteil mit Hohlstrukturen, die konventionelle Verfahren nicht abbilden könnten. Was hier entsteht, ist keine Zukunftsvision mehr – additive Fertigung hat längst ihren Platz in der industriellen Produktion gefunden.
Die Frage ist nicht mehr, ob 3D-Druck in der Industrie funktioniert. Die Frage ist, wo er sich rechnet, welche Verfahren für welche Anwendungen taugen und wann der Schritt von der Prototypenfertigung zur Serie gelingt. Denn während die Technologie in bestimmten Nischen bereits Standard ist, stößt sie in anderen Bereichen noch an wirtschaftliche und technische Grenzen.
Vom Pulver zum Bauteil – wie additive Verfahren arbeiten
Der Begriff „3D-Druck“ verkürzt, was in Wirklichkeit ein komplexes Spektrum unterschiedlicher Fertigungsverfahren darstellt. Allen gemeinsam ist das Prinzip des schichtweisen Aufbaus – Material wird nicht abgetragen, sondern hinzugefügt. Doch die Art und Weise, wie dieser Aufbau geschieht, unterscheidet sich fundamental.
Beim Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) verschmilzt ein Laserstrahl feinste Metallpulverschichten präzise nach digitalen Vorgaben. Das Fraunhofer IGCV erforscht diese Verfahren intensiv und arbeitet dabei an der Herstellung mechatronischer Multimaterialbauteile. Das Verfahren eignet sich für hochfeste Bauteile aus Titan, Aluminium oder Edelstahl – Materialien, die in der Luft- und Raumfahrt, im Maschinenbau oder in der Medizintechnik zum Einsatz kommen.
Beim Binder Jetting wird hingegen ein flüssiges Bindemittel auf Pulverschichten aufgetragen, das die Partikel verklebt. Nach dem Bauprozess folgt ein Sinterschritt im Ofen, der die finale Festigkeit erzeugt. Das Verfahren punktet mit hoher Geschwindigkeit und eignet sich besonders für Sandformen im Gießereiwesen oder für die Fertigung keramischer Bauteile.
Fused Filament Fabrication (FFF) – das Verfahren, das viele aus dem Consumer-Bereich kennen – spielt auch in der Industrie eine Rolle, allerdings mit Hochleistungspolymeren statt einfachem PLA. Hier wird ein Kunststoffstrang erhitzt und Schicht für Schicht aufgetragen. Die Anwendungen reichen von Werkzeugen über Vorrichtungen bis zu funktionalen Prototypen.
Die Materialextrusion mit Endlosfasern erweitert das FFF-Prinzip um Kohlenstofffasern oder Glasfasern, die während des Druckprozesses eingebettet werden. So entstehen Bauteile mit deutlich höherer mechanischer Belastbarkeit – eine Brücke zwischen Kunststoff und Leichtmetall.
Metall, Kunststoff, Keramik – die Materialfrage entscheidet
Nicht jedes Verfahren verarbeitet jedes Material, und nicht jedes Material erfüllt industrielle Anforderungen. Die Materialforschung des Fraunhofer Kompetenzfelds liefert Antworten auf aktuelle Fragen zu Energie, Mobilität und Gesundheit – Bereiche, in denen additive Fertigung ihre Stärken ausspielen kann.
In der Metallverarbeitung dominieren Legierungen wie AlSi10Mg für Leichtbauanwendungen, Inconel 718 für Hochtemperaturbauteile oder Edelstähle der 316L-Familie für korrosionsbeständige Komponenten. Die Herausforderung liegt weniger in der Verfügbarkeit dieser Materialien als in der Prozessbeherrschung: Schwindung, Eigenspannungen und Mikrostruktur müssen kontrollierbar sein, um reproduzierbare Bauteileigenschaften zu garantieren.
Bei Kunststoffen reicht das Spektrum von PA12 (Polyamid 12) für funktionale Bauteile über PEEK (Polyetheretherketon) für Hochleistungsanwendungen bis zu biologisch abbaubaren Polymeren für Medizintechnik und Verpackung. Die Materialeigenschaften – von der Schlagzähigkeit über die Temperaturbeständigkeit bis zur chemischen Resistenz – bestimmen das Einsatzgebiet.
Keramische Werkstoffe ermöglichen Anwendungen in Hochtemperaturumgebungen, etwa für Bauteile in Brennstoffzellen oder für Dentalprothetik. Die Herausforderung: Keramik verzeiht keine Fehler im Sinterprozess, und die Nachbearbeitung ist aufwendig.
Wo sich additive Fertigung rechnet – und wo nicht
Die wirtschaftliche Betrachtung trennt die Euphorie von der Realität. Eine Studie des Fraunhofer EMI zur Nachhaltigkeit der additiven Fertigung vergleicht konventionelle und additive Verfahren anhand einer Dämpfergabel aus der Automobilindustrie. Das Ergebnis: Durch Strukturoptimierung lässt sich das Bauteilgewicht halbieren, doch die Fertigungskosten liegen deutlich über denen der Gussvariante. Der Vorteil zeigt sich erst in der Nutzungsphase – durch Treibstoffeinsparungen über die Lebensdauer des Fahrzeugs.
Prototyping und Kleinserien bleiben die Domäne additiver Verfahren. Hier entfallen die Werkzeugkosten, die bei konventionellen Verfahren den Großteil der Investition ausmachen. Ein Bauteil für einen Funktionstest oder eine Designvalidierung lässt sich innerhalb von Stunden fertigen, ohne dass eine Spritzgussform gebaut werden muss.
In der Serienproduktion sieht die Situation differenzierter aus – während einige Branchen bereits skalieren, kämpfen andere noch mit Durchlaufzeiten und Stückkosten. Die Automobilindustrie nutzt additive Verfahren für Ersatzteile und Sonderanfertigungen, die Luftfahrt für gewichtsoptimierte Strukturbauteile, die Medizintechnik für patientenspezifische Implantate.
Einen Wendepunkt markiert die Integration in bestehende Produktionslinien. Wenn additive Fertigung nicht mehr als isolierte Insel betrieben wird, sondern als Prozessschritt in einer automatisierten Fertigungskette, ändern sich die Kostenstrukturen. Hier setzt die Industrie 4.0 mit vernetzten Produktionsumgebungen an – additive Anlagen kommunizieren mit ERP-Systemen, Qualitätsdaten werden in Echtzeit erfasst, und Materialflüsse werden automatisiert gesteuert.
Design für additive Fertigung – ein Paradigmenwechsel
Die größte Hürde liegt nicht in der Technologie selbst, sondern im Mindset. Additive Verfahren eröffnen Gestaltungsfreiheiten, die konventionelle Konstruktionsprinzipien auf den Kopf stellen. Hinterschneidungen, innenliegende Kühlkanäle, bionisch optimierte Strukturen – was im Spritzguss oder in der Zerspanung unmöglich wäre, wird im 3D-Druck zur Standardlösung.
Topologieoptimierung spielt dabei eine Schlüsselrolle. Algorithmen berechnen, wo Material tragend wirkt und wo es entfernt werden kann, ohne die mechanische Funktion zu beeinträchtigen. Das Ergebnis sind Bauteile, die aussehen, als hätte die Natur sie entworfen – organische Formen, minimales Gewicht, maximale Effizienz.
Doch diese Freiheit bringt neue Einschränkungen mit sich. Der Überhangwinkel bestimmt, ab welchem Neigungsgrad Stützstrukturen notwendig werden. Diese müssen nach dem Druck entfernt werden – ein manueller, zeitaufwendiger und fehleranfälliger Prozess. Hier forschen Institute an automatisierten Lösungen, etwa durch robotergestützte Nachbearbeitung.
Die strategische Bedeutung der additiven Fertigung liegt auch in der Möglichkeit, Funktionen zu integrieren. Sensoren können direkt in Bauteile eingebettet werden, Kühlkanäle folgen der thermischen Belastung, und Materialkombinationen ermöglichen Hybridbauteile mit graduierten Eigenschaften – hart an der Oberfläche, zäh im Kern.
Qualitätssicherung als Nadelöhr
Reproduzierbare Qualität ist die Voraussetzung für den Einsatz in sicherheitskritischen Bereichen. Doch additive Prozesse unterliegen zahlreichen Einflussgrößen: Pulverqualität, Laserleistung, Schutzgasatmosphäre, Temperaturführung. Jede Abweichung kann die Bauteileigenschaften beeinflussen.
In-situ-Monitoring setzt hier an. Kameras und Sensoren überwachen den Bauprozess in Echtzeit, erfassen jede einzelne Schicht und erkennen Anomalien wie Porosität oder Bindefehler. Maschinelles Lernen analysiert die Daten und ermöglicht prädiktive Qualitätssicherung – noch bevor das Bauteil fertiggestellt ist.
Die Zertifizierung additiv gefertigter Bauteile bleibt eine Herausforderung. Normungsgremien arbeiten an Standards für Prozessqualifikation, Materialcharakterisierung und Bauteilprüfung. Die VDMA Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing treibt diese Entwicklung voran und bringt Anlagenhersteller, Fertigungsdienstleister und industrielle Anwender zusammen.
Für Bauteile unter der Druckgeräterichtlinie oder für luftfahrtzertifizierte Komponenten gelten besonders strenge Anforderungen. Hier müssen nicht nur die Bauteile selbst, sondern auch die gesamte Prozesskette validiert und dokumentiert werden – von der Pulvercharge bis zur finalen Wärmebehandlung.
Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz
Additive Fertigung wird oft als nachhaltige Technologie beworben, doch die Realität ist differenzierter. Ja, das Verfahren ist materialeffizient – nicht verbrauchtes Pulver lässt sich in vielen Fällen recyceln. Und ja, gewichtsoptimierte Bauteile reduzieren den Energieverbrauch in der Nutzungsphase, etwa bei Flugzeugen oder Automobilen.
Doch die Energiebilanz der Fertigung selbst fällt weniger günstig aus. Laserstrahlschmelzen benötigt erhebliche Mengen elektrischer Energie, und die Pulverherstellung ist energieintensiv. Hinzu kommen Schutzgase, Filtrationssysteme und die Nachbearbeitung. Die Gesamtbetrachtung über den Lebenszyklus zeigt: Additive Fertigung rechnet sich ökologisch vor allem dann, wenn die Nutzungsphase lang ist und das reduzierte Gewicht tatsächlich Energie einspart.
Ein weiterer Aspekt ist die Ersatzteilversorgung. Additive Fertigung ermöglicht die bedarfsgerechte Produktion von Ersatzteilen, ohne Lagerhaltung und ohne Mindestbestellmengen. Das reduziert Transportwege und minimiert Stillstandzeiten – ein Vorteil, der sich in industriellen Anwendungen direkt in Euro und Cent beziffern lässt.
Wo steht die Industrialisierung heute?
Die Mitglieder der VDMA-Arbeitsgemeinschaft verzeichnen steigende Umsätze, und die Erwartungen für die kommenden Jahre sind positiv. Doch gleichzeitig bleibt der Anteil der Serienproduktion im Vergleich zum Prototyping gering. Viele Unternehmen befinden sich in einer Pilotphase – sie sammeln Erfahrungen, qualifizieren Prozesse und suchen nach Anwendungen, bei denen sich der Aufwand lohnt.
Kostenreduktion bleibt das zentrale Thema. Die Anlagenpreise sind in den letzten Jahren gesunken, doch sie liegen immer noch deutlich über denen konventioneller Fertigungsmaschinen. Materialkosten, insbesondere bei Metallpulvern, schlagen ebenfalls zu Buche. Und die Nachbearbeitungsschritte – Stützstrukturentfernung, Wärmebehandlung, Oberflächenfinish – erfordern zusätzliche Investitionen.
Die Automatisierung der gesamten Prozesskette ist der Schlüssel zur Skalierung. Pulverhandling, Bauteilentnahme, Nachbearbeitung und Qualitätsprüfung müssen ineinandergreifen, ohne manuelle Eingriffe. Erste Lösungen existieren, doch der Weg zum vollautomatisierten 3D-Druck-Werk ist noch weit.
Ausblick – Evolution statt Revolution
Additive Fertigung wird die konventionelle Produktion nicht ersetzen. Sie wird sie ergänzen, in Nischen dominieren und dort, wo es passt, neue Möglichkeiten schaffen. Die Technologie ist erwachsen geworden – sie hat die Phase der überzogenen Erwartungen hinter sich gelassen und sich in realen Anwendungen bewährt.
Der Fortschritt zeigt sich weniger in spektakulären Durchbrüchen als in kontinuierlicher Verbesserung. Prozesse werden stabiler, Materialien vielfältiger, Software intelligenter. Die Integration in digitale Produktionsumgebungen schreitet voran, und die Vernetzung mit anderen Technologien – von der Robotik bis zur künstlichen Intelligenz – eröffnet neue Potenziale.
Was bleibt, ist die Notwendigkeit, genau hinzusehen. Nicht jedes Bauteil profitiert von additiver Fertigung. Aber dort, wo Komplexität gefragt ist, wo kleine Stückzahlen individueller Lösungen bedürfen, wo Gewicht zählt und Funktionsintegration Wettbewerbsvorteile schafft – dort hat 3D-Druck in der Industrie seinen festen Platz gefunden.