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3D-Druck und additive Fertigung Chemie unter Druck: Was bedeutet der Siegeszug der additiven Fertigung?

Autor / Redakteur: Dominik Stephan* / Dominik Stephan

Was bedeutet der Siegeszug der additiven Fertigung für die Prozessindustrie? – Der 3D-Druck mischt die Karten neu: Während die Einen sich mit maßgeschneiderten Materialien in Stellung bringen oder von der Pille aus dem Drucker träumen, fürchten Andere die drohende Marginalisierung der Chemie. Goldrausch oder Katerstimmung? Zwischen Polymerfilamenten, Prototypen und Pillen aus dem Drucker sucht eine Branche nach Antworten.

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Additive punkten: Die Stärken und Schwächen des 3D-Drucks in Chemie und Pharma.
Additive punkten: Die Stärken und Schwächen des 3D-Drucks in Chemie und Pharma.
(Bild: © lucadp - stock.adobe.com; Eike Hübner [M] Alban)

Mehr als 500 Jahre, nachdem Johannes Gutenberg den Buchdruck erfand, machen sich seine Nachfolger daran, Prototypen und Ersatzteile zu drucken. Bewegliche Teile, verschiedene Materialien, sogar lebende Zellen – nichts scheint unmöglich. Dabei punktet der 3D- Druck mit Freiheitsgraden im Design, bionischen Strukturen und dem Wegfall von Rüst- oder Werkzeugkosten. So lassen sich Bauteile drucken, die aufgrund ihrer Geometrie mit herkömmlichen Verfahren nicht in einem Stück gefertigt werden könnten.

Kein Wunder, dass die Wirtschaft hellhörig wird: 70 % der Unternehmen erwarten, dass der 3D-Druck die Industrie tiefgreifend verändern wird, ergab eine Bitkom-Umfrage.

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Zur Bitcom Umfrage

Ob Entwickler am Reaktor aus dem Drucker tüfteln oder die Nachfrage nach Spezialkunststoffen zu Millioneninvestitionen führt: Die chemische Industrie ist beim 3D-­Druck mittendrin. Trotzdem erwarten lediglich 40 % der Chemiefirmen starke Auswirkungen auf Produkte, Preise oder Innovationen, ergab eine Studie von Camelot Consultants. Unterschätzt die Branche das Potenzial? „Insgesamt entsteht der Eindruck, dass sich die Chemieunternehmen mit den bewährten geschäftlichen Ansätzen sehr wohlfühlen“, kommentiert Camelot Managing Partner Dr. Josef Packowski.

Dabei steigt mit der Verbreitung der Drucker auch die Nachfrage nach Polymeren, Weichmachern und Zuschlagstoffen. Jetzt bringen sich die Chemieunternehmen in Stellung: So hatte die BASF im Juli Advanc 3D Materials und Setup Performance übernommen. „Nach der Übernahme von Innofil 3D und der damit verbundenen Stärkung unserer Marktpräsenz bei Filamenten für die Schicht-Extrusion erweitern wir nun den Marktzugang im Arbeitsgebiet Powder Bed Fusion“, erklärt Dietmar Bender, Vice President Manufacturing & Technology.

Polymere für den 3D-Druck: So bringen sich die Chemie-Unternehmen in Stellung

Im April hatte man bereits ein neues PA6-Material für das Lasersintern vorgestellt. Evonik kündigte unterdessen an, 400 Millionen Euro in einen neuen Anlagenkomplex für Polyamid-12 (einen der wichtigsten Rohstoffe für den 3D- Druck) am Standort Marl zu stecken. Auch Covestro hat das Potenzial erkannt: Die ehemalige Bayer Material Science liefert nicht Polycarbonat- und Polyurethan-Filamente für das Schmelzschichtverfahren, sondern betreibt in Leverkusen auch ein Labor für 3D-Druck.

„Wir möchten mit führenden Partnern in der Prozesskette zusammenarbeiten, um die Entwicklungen weiter voranzutreiben. Dazu gehören Formulierer ebenso wie Hersteller von 3D-Druckern, Softwareunternehmen, Dienstleister und OEMs“, erklärt Julien Guiu, der die 3D-Druck-Aktivitäten des Unternehmens koordiniert.

Wer macht was in Sachen 3D-Druck? Diese Firmen und Institute sollten Sie sich merken...
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(Bild: PROCESS)

Mehr als nur Kunststoff: Additive Fertigung von Anlagenbauteilen jetzt auch in Carbon!

Tobias Caspari, Head of Additive Manufacturing bei Heraeus, betont: „Heute dominieren Standardmaterialien den Markt für 3D-­Druck. Dies wird sich ändern. Wir werden ein überproportionales Wachstum von neuen Materialien und Spezialmaterialien wie Edelmetalle und amorphe Metalle erleben.“ So setzen die Carbon-Spezialisten SGL auf Kohlenstoff: Mit der Technologie von Ex One bringt das Unternehmen gedruckte Graphitbauteile unter dem Namen Carboprint auf den Markt. Dabei gilt es, die Balance zwischen aggressivem Markteintritt und vorsichtigem Evaluieren zu finden. Sonst sei nicht ausgeschlossen, dass Druckerhersteller, 3D-Designer oder OEMs die Dominanz etablierter Player brechen könnten, fürchten einige Analysten. Gegensteuern sei gefragt, will sich die Branche nicht mit einer „Zuschauerrolle“ begnügen.

Tatsächlich hat der 3D-Druck enorme Vorteile für den Apparatebau: Nicht nur, dass so komplexe Strukturen in kleinen Losgrößen möglich sind, auch entfällt die aufwendige Herstellung von Werkzeugen und Formen. Ersatzteile für alte oder einzigartige Anlagen sind ebenso wenig ein Problem.

„Durch die Möglichkeiten zur Individualisierung von Bauteilen hat die additive Fertigung das Potenzial zum Paradigmenwechsel in der Prozesstechnik“, erklärt Eckard Foltin, Vorsitzender der Processnet-Fachgruppe Zukunftsforschung und Innovationsmanagement. Noch hat das Prototyping die größte Bedeutung, doch Anwendungen für die Produktion folgen mit großen Schritten.

Wie das aussehen kann, zeigt der Druck eines emaillierten Hochdruckreaktors durch Thaletec. Der Clou dabei: Die Entwickler haben einen integrierten Temperierkanal vorgesehen, der gegenüber den bisher üblichen Lösungen einen deutlich verbesserten Wärmeübergang bietet. Noch radikaler ist der Ansatz des Lawrence Livermore National Laboratory, isolierte Enzyme zur Methanumwandlung in das Reaktor-Polymer „einzudrucken“. Die Enzyme behalten dabei ihre Aktivität – was ganz neue Wege bei Gas-Flüssigkeits-Reaktionen aufzeigt. Auch in der Mikrofluidik punktet das gedruckte Reaktordesign: So haben Wissenschaftler des Leibniz-Institut für Interaktive Materialien ein Bauteil mit einem dreidimensionalen Kanalnetzwerk gedruckt. Die Tröpfchenbildung an den Kanalkreuzungen kann zur Herstellung von Mikrogelen genutzt werden.

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Was kann der 3D-Druck - und was nicht? Warum die additive Fertigung nicht alle Probleme löst und was heute schon möglich ist auf der nächsten Seite!

Von ein paar Vorstellungen müssen Träumer sich leider verabschieden, wenn es um 3D-Drucker geht: So ist die Fertigung mit 10-20 cm3/Stunde nicht unbedingt schnell. Auch müssen die Bauteile meist von Grund auf neu designt werden. Zudem werden gedruckte Komponenten noch individuell nachbehandelt, geschliffen oder poliert.

Einfach nur auf „Drucken“ drücken reicht nicht. Schafft der 3D-Druck den Sprung in den Produktionsmaßstab, wachsen die Aufgaben mit: So ist die geforderte Langlebigkeit und Stabilität mit gedruckten Polymeren kaum zu erreichen. Anders bei Edelstahl – der aber nicht mehr „nebenbei“ im eigenen Labor gefertigt werden kann, sondern nach CAD-Vorlagen von Dienstleistern gedruckt wird.

Die Küvette aus dem 3D-Drucker

Sobald es nicht mehr um Einzel­objekte geht, schwindet der Vorteil. Ausnahmen gibt es bei sehr komplexen Geometrien, die anders nicht gefertigt werden könnten – oder, wenn Gefäße bereits „im Entstehen“ mit Reagenzien beladen werden. Und genau da sieht Prof. Eike Hübner großes Potenzial. Der Forscher entwickelt am Institut für Organische Chemie an der TU Clausthal Reaktionsküvetten aus dem Drucker.

Dabei ist die Geometrie passend für den Einsatz in verschiedenen Messgeräten ausgelegt, erklärt Hübner. Außerdem werden die Reagenzien bereits während des Druckens unter Schutzgas eingebracht. Das Gefäß wird anschließend zu Ende gedruckt und sicher vor Luftsauerstoff verschlossen. Die fertige Küvette ist lösemittelresistent und kann auf Temperaturen um die 100 °C erwärmt werden. Anstatt Proben zu nehmen finden Reaktion und Beobachtung in einem einzigen kombinierten Gefäß statt.

Die Zukunft hat in Clausthal schon begonnen

(Bild: Grafik: PROCESS, Bild © Irina - stock.adobe.com; Quelle; Sculpteo Statista 2018)

Als Herausforderung erwies sich dabei nicht nur die Anforderung, eine druckbare Geometrie zu gestalten, sondern auch die Kompatibilität mit den Laborbedingungen zu gewährleisten. Und natürlich müssen auch Störungen der Messungen durch das Druckmaterial vermieden werden. Schon jetzt nutzen die Entwickler in Clausthal gedruckte Küvetten in ihrer täglichen Arbeit. In Zukunft sollen sich Labore in aller Welt entsprechende „Baupläne“ für den Eigenbedarf herunterladen können. Noch weiter reicht die Vision, Katalysatoren in das Druckmaterial einzubinden.

Der "Elon Musk des 3D-Drucks" und sein Chemputer

In eine ähnliche Richtung gehen die Arbeiten von Prof. Lee Cronin aus Glasgow: Der umtriebige Forscher, der sich selbst als „Kontrollfreak auf Entzug“ beschreibt, gilt als eine Art Elon Musk des 3D-­Drucks. Cronin träumt schon mal öffentlichkeitswirksam davon, zusammen mit BAE unbemannte Flugzeuge im Chemiebad zu züchten. So lange tüftelt der Brite aber mit seinem „Chemputer“ genannten Verfahren an kompletten Miniatur-Chemiefabriken aus dem 3D-­Drucker. Dabei werden mehrere, nur wenige Zentimeter große „Rührkessel“ zu Reaktionskaskaden verbunden und als ein gemeinsames Objekt gedruckt. So sind auch komplexe, mehrschrittige Reaktionen möglich. Verglichen mit Glas sei die Ausbeute zwar etwas geringer, an alternativen Materialien werde aber geforscht.

Die Chemie wird digital: Wie Drohnen und Flugzeugteile im Reaktor wachsen sollen, zeigt dieses BAE-Video:

„Das 3D-Druck-Geschäft ist für Chemieunternehmen nur in Marktsegmenten sinnvoll, in denen Wertschöpfungsstufen übersprungen werden können“, erklärt Camelot-Partner Sven Mandewirth. „Es ist daher immens wichtig, die angestrebten Marktsegmente genau hinsichtlich technischer Machbarkeit und Marktpotenzial zu prüfen.“ Ein Beispiel dafür könne die Vorwärtsintegration sein, wie sie etwa Wacker für silikonbasierte Werkteile durchgeführt hat.

Die Pille aus dem 3D-Drucker: Welches Potenzial hat die additive Fertigung in der Pharma-Branche?

Kommt der Durchbruch der additiven Fertigung in der Medizin? Wissenschaftler wie Dr. Julian Quodbach vom Institut für Pharmazeutische Technologie der Universität Düsseldorf sehen für individualisierte Therapien großes Potenzial: Künftig könnte jedes Medikament mit der exakt passenden Wirkstoffmenge gedruckt werden. Wie das aussehen könnte, zeigt die Zip-Dose-Technologie von Aprecia Pharmaceuticals: Dabei trägt ein 3D-Drucker wirkstoffhaltige Pulverschichten Lage für Lage nacheinander auf und klebt sie mit einer wässrigen Lösung zusammen.

So entstehen poröse Tabletten mit einer individuellen Wirkstoffdosis, die auch noch hervorragend wasserlöslich sind. Für das so hergestellte Antiepileptikum Spritam erhielt der Hersteller 2015 die FDA-Zulassung. In Zukunft will Aprecia mit Cycle Pharmaceuticals zusammenarbeiten, um so genannte Orphan-Drugs, also Medikamente, die aufgrund eines kleinen Marktes für die herkömmliche Fertigung unattraktiv sind, für den 3D-Druck aufzuarbeiten.

Alles in einer: Das kann die additive Poly-Pille

„Da die Gesundheitssysteme in Europa mehr Aufgaben mit weniger Mitteln erfüllen müssen, wird sich die Nutzung innovativer Drucktechnologien als unerlässlich erweisen“, ist sich David Mills, CEO der Druckspezialisten von Ricoh Europe, sicher: „Das Drucken von Medikamenten Schicht für Schicht, um spezielle Krankheiten zu bekämpfen, könnte bald alltäglich sein.“

Additive punkten: Die Stärken und Schwächen des 3D-Drucks in Chemie und Pharma.
Additive punkten: Die Stärken und Schwächen des 3D-Drucks in Chemie und Pharma.
(Bild: © lucadp - stock.adobe.com; Eike Hübner [M] Alban)

Ein weiterer Vorteil der additiven Pille: In Zukunft könnten mehrere Medikamente in einer einzigen so genannten Poly-Pill vereinigt werden. Das ist auch das Ziel des Start-ups Vitae Industries, die mit dem „Auto Compounder“ einen Wirkstoffdrucker etwickelt haben, der pharmazeutische Gummis und Pillen in einem Drittel der Zeit, welche für eine manuelle Befüllung nötig wäre, drucken soll. Ein niedriger Preis soll den Autocompounder etwa für Apotheken erschwinglich machen. Währenddessen arbeiten Forscher in Berkeley an der DNS-Synthese aus dem Drucker.

Bye-Bye, Apotheke? Ist das Medikament der Zukunft ein Download?

Wer jetzt davon träumt, sich in Zukunft Anlagen und Medikamente selbst zu drucken, muss wissen, dass auch die Produktion aus dem Drucker eine Infrastruktur zur Zu- und Abführung, sowie zum Heizen, Rühren oder Pumpen benötigt. Das macht das Verfahren für den Hausgebrauch zu unhandlich – aber z.B. in Krankenhäusern ließen sich so Wirkstoffe synthetisieren, bei denen es für eine Massenproduktion keinen Markt gäbe. Auch für die Chemie könnte die Produktion im Mini-Maßstab die Auswahl an wirtschaftlich darstellbaren Produkten massiv erhöhen.

Das macht das Verfahren für spezialisierte Anwendungen, etwa im Pharmabereich, spannend. Der rechtliche Rahmen für Test- und Zulassungsverfahren oder die Qualitätskontrolle muss jedoch für derartige Kleinstserien erst gefunden werden. Dann sind in Zukunft vielleicht auch einmal gedruckte Fluggeräte möglich.

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