Additive Fertigung: Alles, was Sie wissen müssen

Additive Fertigung: Alles, was Sie wissen müssen

Additive Manufacturing ist eine fortschrittliche Fertigungslösung, die in vielen industriellen Anwendungen auf dem Vormarsch ist. Aber wissen Sie, was genau diese Technologie ist?

Bei der additiven Fertigung (AM) handelt es sich nicht nur um einen Prozess. Es ist ein ganzer Arbeitsablauf, der die Produktentwicklung vom Design bis zur Fertigung beeinflussen kann. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, wie AM funktioniert, wo sie eingesetzt werden kann und was die Zukunft bringen könnte.

Wie funktioniert additive Fertigung?

Bevor wir verstehen können, wie die additive Fertigung funktioniert, müssen wir zunächst verstehen, was additive Fertigung ist.

Additive Fertigung ist ein Arbeitsablauf, der typischerweise mehrere Schritte umfasst:

  • Entwurf & Druckvorbereitung
  • 3D-Druck-Vorgang
  • Nachbearbeitung
Was ist additive Fertigung?

Jeder dieser Schritte umfasst für sich genommen einen eigenen Arbeitsablauf, aber diese allgemeinen Schritte legen die Grundlagen fest. Um AM vollständig zu berücksichtigen, müssen wir drei Faktoren berücksichtigen, die das Ergebnis bestimmen: Hardware, Software und Materialien.

Die richtige Auswahl in jedem dieser Bereiche ist entscheidend für den Erfolg einer Anwendung und diese Entscheidungen variieren oft zwischen verschiedenen Anwendungsfällen, sogar innerhalb desselben Unternehmens. Das kann so einfach sein wie die Auswahl von PLA-Material in einigen Fällen und von PA6/66 in anderen Fällen. Die Anpassung der Materialien erfordert jedoch eine Anpassung der Software, um den 3D-Drucker zu programmieren und seine Druckparameter zu optimieren, wobei diese Anpassung in jedem Prozessschritt erfolgen muss.

Im Wesentlichen wird eine 3D-CAD-Datei mit dem zu fertigenden Design erstellt. Diese Datei wird dann für den eigentlichen Druckauftrag an einen 3D-Drucker gesendet. Sobald der Druckauftrag abgeschlossen ist, wird das fertige Objekt aus dem 3D-Drucker entfernt. Anschließend beginnt die Nachbearbeitung, einschließlich Entfernen von Stützmaterial oder Glätten der Oberfläche. Dazu gehören auch alle anderen erforderlichen Nachbearbeitungsarbeiten (z. B. Sintern, Färben, Zusammenbau).

Was ist der Unterschied zwischen additiver Fertigung und 3D-Druck?

Obwohl "additive Fertigung" und "3D-Druck" oft synonym verwendet werden, haben diese Begriffe unterschiedliche Bedeutungen. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Unterschied zu verstehen:

Technisch gesehen ist der 3D-Druck ein Teil des Arbeitsablaufs der additiven Fertigung, wie oben beschrieben. AM umfasst auch die Design- und Nachbearbeitungsschritte für den kompletten Fertigungsprozess.

Umgangssprachlich wird der Begriff "additive Fertigung" eher verwendet, um den industriellen Einsatz dieser Technologien zu bezeichnen.

Grundsätzlich betrachtet, gibt es zwar Unterschiede zwischen den beiden Begriffen, aber die Verwendung von beiden funktioniert, solange die Person, mit der Sie kommunizieren, den Zusammenhang versteht.

Additive Fertigungs-Technologien

3D-Druck-Technologien

Mehrere verschiedene Verfahren fallen unter den Begriff "3D-Druck". Alle sind additive Fertigungstechnologien, die ein Bauteil aufbauen, oft in einem Schicht-für-Schicht-Prozess.

Das Normungsgremium ASTM International erkennt im ISO/ASTM 52900-Standard sieben additive Herstellungsverfahren offiziell an. Terry Wohlers legt diese umfassend dar:

  • Materialextrusion: ein additiver Fertigungsprozess, bei dem das Material selektiv durch eine Düse oder Öffnung aufgetragen wird
  • Material-Jetting: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Tröpfchen von Material selektiv aufgetragen werden
  • Binder-Jetting: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen wird, um Pulverwerkstoffe zu verbinden
  • Sheet Lamination: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Werkstoff-Blätter miteinander verbunden werden, um ein Bauteil zu bilden
  • Vat Photopolymerization: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem flüssiges Photopolymer in einer Schale selektiv durch lichtaktivierte Polymerisation gehärtet wird
  • Powder Bed Fusion: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem thermische Energie selektiv Bereiche eines Material-Pulvers verschmilzt
  • Directed Energy Deposition: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Werkstoffe durch eine fokussierte Wärmequelle geschmolzen werden, um sie auf das Werkstück aufzubringen

Die meisten heute verfügbaren 3D-Drucker und praktisch alle kommerziell erhältlichen und am häufigsten verwendeten Drucker fallen unter eine dieser Kategorien. Forscher entwickeln ständig neue Ansätze, und der Terminologie-Unterausschuss der ASTM überprüft ihre Kategorisierung regelmäßig, um mögliche Ergänzungen zu berücksichtigen, sobald sich ein neues, in der Praxis einsetzbares Verfahren abzeichnet.

Additive Fertigungs-Technologien

3D-Druck-Technologien

Mehrere verschiedene Verfahren fallen unter den Begriff "3D-Druck". Alle sind additive Fertigungstechnologien, die ein Bauteil aufbauen, oft in einem Schicht-für-Schicht-Prozess.

Das Normungsgremium ASTM International erkennt im ISO/ASTM 52900-Standard sieben additive Herstellungsverfahren offiziell an. Terry Wohlers legt diese umfassend dar:

  • Materialextrusion: ein additiver Fertigungsprozess, bei dem das Material selektiv durch eine Düse oder Öffnung aufgetragen wird
  • Material-Jetting: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Tröpfchen von Material selektiv aufgetragen werden
  • Binder-Jetting: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen wird, um Pulverwerkstoffe zu verbinden
  • Sheet Lamination: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Werkstoff-Blätter miteinander verbunden werden, um ein Bauteil zu bilden
  • Vat Photopolymerization: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem flüssiges Photopolymer in einer Schale selektiv durch lichtaktivierte Polymerisation gehärtet wird
  • Powder Bed Fusion: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem thermische Energie selektiv Bereiche eines Material-Pulvers verschmilzt
  • Directed Energy Deposition: ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Werkstoffe durch eine fokussierte Wärmequelle geschmolzen werden, um sie auf das Werkstück aufzubringen

Die meisten heute verfügbaren 3D-Drucker und praktisch alle kommerziell erhältlichen und am häufigsten verwendeten Drucker fallen unter eine dieser Kategorien. Forscher entwickeln ständig neue Ansätze, und der Terminologie-Unterausschuss der ASTM überprüft ihre Kategorisierung regelmäßig, um mögliche Ergänzungen zu berücksichtigen, sobald sich ein neues, in der Praxis einsetzbares Verfahren abzeichnet.

Additive Fertigung versus konventionelle Fertigung

Konventionelle Fertigungstechnologien umfassen Gießen, CNC-Fräsen, Schweißen, Drechseln, Verformen und viele andere übliche Verfahren.

Die einfachste Art und Weise, den Unterschied zwischen traditionellen subtraktiven und additiven Herstellungsverfahren zu verstehen, ist ganz einfach: Subtraktive Verfahren wie CNC-Fräsen beginnen mit einem Materialblock und tragen Material ab, bis die gewünschte Geometrie erreicht ist. Im Gegensatz dazu wird bei der additiven Fertigung Material aufgebaut und hinzugefügt, um diese Geometrie zu erzeugen.

AM ist in der Lage, komplexere innere Strukturen herzustellen, als dies bisher möglich war. Während z.B. herkömmliche Technologien komplexe Objekte in mehreren Teilen erzeugen müssen, die später zusammengesetzt zu werden, können 3D-Drucker komplexe Objekte in einem einzigen Bauteil erzeugen.

Die Anwendungsbereiche sind ausschlaggebend für die Entscheidung, ob ein additiver, subtraktiver oder hybrider Ansatz beider Fertigungstechnologietypen verwendet wird. Die additive Fertigung eignet sich beispielsweise gut für die Herstellung hochwertiger Bauteile in geringen Stückzahlen. Konventionelle Techniken wie das Spritzgießen sind dagegen eher für die Produktion von Bauteilen mit geringem Warenwert und hohen Stückzahlen geeignet.

Konstruktion für additive Fertigung (Design for Additive Manufacturing - DfAM)

Beim 3D-Druck kommen andere Überlegungen ins Spiel als bei der Auslegung für konventionelle Technologien. Die Konstruktion für additive Fertigung (DfAM) berücksichtigt, dass ein Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird, anstatt dafür Material abzutragen oder eine Gussform zu erstellen.

Die einfache Übertragung einer CAD-Datei eines vorhandenen Teils in ein 3D-Druck-Format garantiert keine Druckbarkeit. Selbst wenn der 3D-Druck möglich ist, kann das Bauteil, so wie es ist, oft auf herkömmliche Weise besser hergestellt werden, da es nicht für den 3D-Druck optimiert wurde. Die Optimierung einer Konstruktion für den 3D-Druck ist ein viel effizienterer Weg, um alle Vorteile von AM bestmöglich zu nutzen.

Bestehende Software wurde in vielen Fällen aktualisiert, um DfAM-spezifische Ansätze zu ermöglichen. Diese Aktualisierungen sind notwendig, um zum Beispiel sicherzustellen, dass 3D-Modelle wasserdicht sind. Weitere Überlegungen betreffen die Erstellung von Stützstrukturen, die Orientierung auf dem Druckbett und die allgemeine Druckbarkeit.

Dazu wurden auch neue Software-Anwendungen entwickelt, die von Anfang an auf DfAM ausgelegt sind.

DfAM-Ansätze umfassen zunehmend neue Software mit künstlicher Intelligenz (AI) und Augmented Reality (AR). Dies kann parametrische Modellierung, Topologieoptimierung und/oder generatives Design umfassen. Durch solche Entwurfsansätze kann die Software automatisch sicherstellen, dass die notwendigen Eingangsparameter eingehalten werden.

Konstruktion für additive Fertigung - DfAM - Design for Additive Manufacturing

Konstruktion für additive Fertigung (Design for Additive Manufacturing - DfAM)

Beim 3D-Druck kommen andere Überlegungen ins Spiel als bei der Auslegung für konventionelle Technologien. Die Konstruktion für additive Fertigung (DfAM) berücksichtigt, dass ein Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird, anstatt dafür Material abzutragen oder eine Gussform zu erstellen.

Die einfache Übertragung einer CAD-Datei eines vorhandenen Teils in ein 3D-Druck-Format garantiert keine Druckbarkeit. Selbst wenn der 3D-Druck möglich ist, kann das Bauteil, so wie es ist, oft auf herkömmliche Weise besser hergestellt werden, da es nicht für den 3D-Druck optimiert wurde. Die Optimierung einer Konstruktion für den 3D-Druck ist ein viel effizienterer Weg, um alle Vorteile von AM bestmöglich zu nutzen.

Bestehende Software wurde in vielen Fällen aktualisiert, um DfAM-spezifische Ansätze zu ermöglichen. Diese Aktualisierungen sind notwendig, um zum Beispiel sicherzustellen, dass 3D-Modelle wasserdicht sind. Weitere Überlegungen betreffen die Erstellung von Stützstrukturen, die Orientierung auf dem Druckbett und die allgemeine Druckbarkeit.

Dazu wurden auch neue Software-Anwendungen entwickelt, die von Anfang an auf DfAM ausgelegt sind.

DfAM-Ansätze umfassen zunehmend neue Software mit künstlicher Intelligenz (AI) und Augmented Reality (AR). Dies kann parametrische Modellierung, Topologieoptimierung und/oder generatives Design umfassen. Durch solche Entwurfsansätze kann die Software automatisch sicherstellen, dass die notwendigen Eingangsparameter eingehalten werden.

Konstruktion für additive Fertigung - DfAM - Design for Additive Manufacturing

Additive Fertigung in verschiedenen Industrien

Die additive Fertigung wird in einer wachsenden Zahl von Branchen weltweit immer häufiger eingesetzt.

additive-manufacturing-in-automotive

Automobilindustrie

Ausgehend vom Rapid Prototyping arbeiten die großen Automobilhersteller seit Jahrzehnten mit 3D-Druckern. Sowohl Metall- als auch Polymertechnologien kommen ins Spiel, wenn OEMs Prototypen, Vorrichtungen, Werkzeuge und Endprodukte mit dem 3D-Drucker herstellen.

Additive Manufacturing in Aerospace Industry

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt eignet sich aufgrund einiger Eigenschaften der Technologie besonders gut für die additive Fertigung und den 3D-Druck. Dazu gehören die Fähigkeit, die Anzahl der Einzelteile zu reduzieren, die Reduktion des Gewichts im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen, komplexere interne Strukturen zu erstellen und die Belastbarkeit zu optimieren. Insbesondere das 3D-Drucken von Metall ist für die Produktion von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie auf dem Vormarsch.

Additive Manufacturing in Consumer Goods Industry

Konsumgüter

Prototypen, Endprodukte und Ersatzteile werden im Konsumgüterbereich zunehmend 3D-gedruckt. Von Spielzeug bis hin zu Kleingeräten - immer wenn etwas den Weg in die Hände der Verbraucher macht, besteht die Chance, dass additive Fertigung einen Platz in den Produktionsabläufen findet.

Additive Manufacturing in Education & Research

Forschung und Bildung

Der Begriff "3D-Druck" tauchte erstmals in den 1980er Jahren am MIT auf. Die Technologie hat also ihre eigentlichen Wurzeln in der Forschung und Bildung. Forscher experimentieren oft mit neuen Verfahren, einzigartigen Materialien und hochmodernen Anwendungsbereichen. Universitäten führen viele Forschungs-Initiativen an. Dazu finden mittlerweile auch viele Studenten 3D-Drucker in ihren Klassenzimmern vor.

Additive Manufacturing in Contract Manufacturing Industry

Auftragsfertigung

Der industrielle Einsatz der additiven Fertigung nimmt auch in der Auftragsproduktion zu. Dienstleister ermöglichen den unmittelbaren Zugriff auf industrielle 3D-Drucker und das Know-how zu deren Nutzung. Diese Betriebe können von großem Wert sein, wenn additive Fertigung nur gelegentlich benötigt wird oder wenn der Einsatz von höherwertigen 3D-Druckern oder Materialien erforderlich ist. Auftragshersteller bieten oft auch ergänzende Technologien wie CNC-Fräsen und andere konventionelle Fertigungsmethoden an.

Additive Manufacturing in Construction Industry

Bauwesen

Der 3D-Druck mit extrudiertem Beton oder maßgefertigten Schalungen kann den Bau von Gebäuden deutlich beschleunigen. Neue Häuser-Geometrien können auf großen 3D-Druckern hergestellt werden. Gebäude, Brücken und andere Strukturen können aus Beton, Kunststoff oder Metall 3D-gedruckt werden. 3D-gedruckte Formen für das Betongießen bieten darüber hinaus die Möglichkeit, additive Fertigungsverfahren in konventionellere Bauabläufe einzubinden.

Anwendungen für Additive Fertigung

Der 3D-Druck entwickelte sich zunächst als Prototyping-Technologie. Mit der Weiterentwicklung der Verfahren und der Beschleunigung der Materialforschung wird die additive Fertigung nun über den gesamten Produktzyklus hinweg eingesetzt.

Additive Fertigung - Rapid Prototyping

Produktentwicklung mit Rapid Prototyping

Der 3D-Druck war lange gleichbedeutend mit Rapid Prototyping. Ein erfahrenes Team kann damit eine Produkt-Iteration innerhalb nur eines Tages neu entwerfen und 3D-drucken. Dadurch werden die früher üblichen Vorlaufzeiten von Wochen oder sogar Monaten bei konventionell hergestellten Prototypen drastisch verkürzt.

Iterationen vom Proof-of-Concept bis hin zum funktionalen Prototyp können alle 3D-gedruckt werden. Dies bedeutet eine Kosten- und Zeitersparnis über den gesamten Produktdesignzyklus hinweg. Rapid Prototyping kann auch zunehmend mit der gleichen 3D-Drucktechnologie durchgeführt werden, die auch für das Endprodukt verwendet wird.

Additive Fertigung - Rapid Tooling

Rapid Tooling

Werkzeuge, Halterungen, Spannvorrichtungen und anderes traditionelles Fertigungszubehör können schnell und einfach in 3D gedruckt werden. Der hausinterne 3D-Druck kann den Prozess der Herstellung speziell angefertigter Werkzeuge für jede Fertigungsumgebung erheblich beschleunigen. Eine schnellere und kostengünstigere Werkzeugherstellung kann zu einer schnelleren und kostengünstigeren Gesamtproduktion führen.

Additive Fertigung - Rapid Manufacturing / Mass Customization

Rapid Manufacturing und Mass Customization

Die Produktionszyklen können durch additive Fertigung dramatisch beschleunigt werden. Der Wegfall von Werkzeugbestückung, die Einsparung von Arbeitszeit und -kosten und die Lokalisierung der Produktion bieten einen schnelleren Fertigungsprozess.

Da ein 3D-Drucker jede Designdatei individuell verarbeiten kann, ist auch eine kundenindividuelle Massenproduktion möglich. Bei der Mass Customization kann jedes Teil unterschiedlich hergestellt werden, z. B. zur Anpassung an eine bestimmte Größe oder Form. Dies ist vor allem bei der Herstellung von Artikeln wie Einlagen, kieferorthopädischen Schienen oder Hörgeräten nützlich, die ihren Zweck am besten erfüllen, wenn sie an den Träger angepasst sind.

Vorteile der additiven Fertigung

Additive Manufacturing hat viele Vorteile gegenüber traditionellen Herstellungsverfahren. Auch wenn sie innerhalb einer kompletten Fertigungsumgebung betrachtet werden, können diese Vorteile zu erheblichen Verbesserungen des Arbeitsablaufs und des Endprodukts führen.

Designfreiheit

Bei angemessener Nutzung von DfAM kann die volle Gestaltungsfreiheit entfaltet werden. Löcher, die konventionell hergestellt immer rund gemacht werden mussten, können jetzt jede beliebige Form haben. Innere Strukturen können so beliebig komplex sein, ohne dass mehrere Bauteile zusammengebaut werden müssen. Komplexe Bauteile, können nicht nur neue Formen, sondern auch eine verbesserte Leistung bieten. Multimaterial-3D-Drucker ermöglichen auch verschiedene Farben oder Materialeigenschaften innerhalb einer einzigen Konstruktion. Topologieoptimierung und Biomimetik gehen oft Hand in Hand, um einzigartige Designs mit minimalem Materialeinsatz und hoher Festigkeit anzubieten.

Optimierte Produktion

Produkte können auf völlig neuen Wegen, in völlig neuen Designs hergestellt werden. Durch die Beseitigung von Einschränkungen bei Design und Herstellung können optimale Produktionsabläufe entstehen.

Schnelle Markteinführung

Rapid Prototyping, die Produktion vor Ort und kürzere Entwicklungszyklen können die Markteinführungszeit für neue Produkte drastisch verkürzen. Da nicht nur der Bedarf an Werkzeugbestückung, sondern auch die Notwendigkeit des Outsourcing entfällt. Die additive Fertigung beschleunigt die Markteinführung. Wenn jeder Schritt des Produktentwicklungszyklus rationalisiert wird, kann der gesamte Produktionszeitplan effizienter gestaltet werden.

Sichere Lieferketten

Mit dezentralen Produktionsmöglichkeiten verkürzt und sichert additive Fertigung die Lieferketten. Ausgelagerte Produktion kann zu Instabilität in der Logistik führen, wie z.B. in Zeiten einer globalen Pandemie. Die Lokalisierung der Produktion bedeutet, dass eine digitale CAD-Datei an einem Ort erstellt und an jeden beliebigen Ort mit den entsprechenden 3D-Druckern für die Produktion verschickt werden kann. Fortschritte in der Software gewährleisten auch die Sicherheit des geistigen Eigentums (IP) von geschützten Designs.

Die Zukunft der additiven Fertigung

Die additive Fertigung macht derzeit einen relativ kleinen Teil der weltweiten Fertigungsindustrie mit einem Volumen von etwa 12 Billionen US-Dollar aus. Allerdings wächst dieser Anteil jedes Jahr. Das jährliche Wachstum der Ausgaben für 3D-Druckhardware, -Software und -Materialien liegt oft im zweistelligen Bereich.

In dem Maße, wie sich die additive Fertigung als Teil der gesamten Fertigungsindustrie weiter entwickelt, reift sie auch als Gesamtlösung. Immer mehr Materialien, wie Hochtemperatur- und medizinische Materialien sowie bekannte Metalle und Polymere, werden verfügbar. Software-Integrationen ermöglichen eine Vor-Ort-Überwachung des 3D-Drucks in Echtzeit, wodurch das Auftreten fehlgeschlagener Druckaufträge verringert wird. Die 3D-Drucker selbst sind in der Lage, immer bessere Qualitäten in Bezug auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu erzielen.

Zu den Faktoren, die die Zukunft der additiven Fertigung vorantreiben, gehören Investitionen und Ausbildung. Die Investitionen in AM-Anwendungen nehmen weiterhin zu. Der Zugang zu Finanzierung verbessert die Möglichkeiten der Anbieter, auf neue Produkt-Generation und technologische Innovationen hinzuarbeiten.

Die Ausbildung, von der Grundschule bis zur beruflichen Fortbildung, wird auf allen Ebenen professionalisiert. Durch die Sensibilisierung für neue Technologien und die Ausbildung in Bereichen wie DfAM und additive Fertigungsprozesse werden mehr Unternehmen ihre Belegschaften mit der nächsten Generation von Produktionstechnologien vertraut machen.

Erfahren Sie mehr in unseren Anwendungsbeispielen für Additive Fertigung

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Leitfaden zur großformatigen additiven Fertigung

Der 3D-Druck eines großen Bauteils in einem Stück bedeutet, dass Sie weniger Zeit für die Durchführung mehrerer Druckaufträge und für den Zusammenbau mehrerer Einzelteile benötigen.

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