3D-Druck magnetischer Materialien für Sensor-/Aktuatoranwendungen

Die additive Fertigung entwickelt sich im gesamten Energiesektor von Versuchen hin zu zentralen Produktionsabläufen. Der deutlichste Indikator dafür ist die Umsatzdynamik, die in vielen Sektoren, von der Kernenergie über Öl und Gas bis hin zu erneuerbaren Energien, eher mit der direkten Teilefertigung als mit der Prototypenentwicklung zusammenhängt.

Die Marktdaten von VoxelMatters zeigen, dass die Gesamtausgaben für AM-Hardware, -Materialien und -Dienstleistungen für Energieanwendungen im Jahr 2023 bei 581 Millionen US-Dollar und im Jahr 2024 bei 709 Millionen US-Dollar liegen werden, was einem Anstieg von 22,1 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Innerhalb dieser Gesamtsumme treiben Metalltechnologien den größten Teil der Wertschöpfung voran, da Betreiber funktionale Komponenten für Turbinen, Reaktoren und Bohrlochsysteme drucken.

Die additive Fertigung entwickelt sich im gesamten Energiesektor von Versuchen hin zu zentralen Produktionsabläufen. Der deutlichste Indikator dafür ist die Umsatzdynamik, die eher mit der direkten Teilefertigung als mit der Prototypenentwicklung zusammenhängt. Die Marktdaten von VoxelMatters zeigen, dass die Gesamtausgaben für AM-Hardware, -Materialien und -Dienstleistungen für Energieanwendungen im Jahr 2023 bei 581 Millionen US-Dollar und im Jahr 2024 bei 709 Millionen US-Dollar liegen werden, was einem Anstieg von 22,1 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Innerhalb dieser Gesamtsumme tragen Metalltechnologien den größten Teil zur Wertschöpfung bei, da Betreiber funktionale Komponenten für Turbinen, Reaktoren und Bohrlochsysteme drucken.

Marktdaten und Wachstumsanalyse

Hardware ist der wichtigste Indikator für eine nachhaltige Akzeptanz. Der Umsatz mit Metallhardware stieg von 202 Millionen US-Dollar im Jahr 2023 um 24,8 % auf 252 Millionen US-Dollar im Jahr 2024, was die Inbetriebnahme von produktionsreifen Systemen in Qualifizierungszentren und Betreiberanlagen widerspiegelt. Langfristig ist aufgrund der Flottenerweiterung und der steigenden Auslastung ein zusammengesetztes Wachstum zu erwarten, wobei der Umsatz mit Metallhardware bis 2034 voraussichtlich 2,1 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 23,6 % entspricht.

Der Materialverbrauch steigt schneller, was ein Zeichen für die Serienproduktion ist. Der Umsatz mit Metallmaterialien stieg 2024 um 48,5 % auf 44 Millionen US-Dollar und wird bis 2034 voraussichtlich 829 Millionen US-Dollar bei einer CAGR von 34,2 % erreichen, was mit dem höheren Volumen an zertifizierten Superlegierungen und rostfreien Stählen für hochtemperaturbeständige und korrosionsbeständige Arbeitszyklen im Einklang steht.

Dienstleistungen bleiben für die Qualifizierung und das digitale Bestandsmanagement von strategischer Bedeutung. Im Metallbereich stiegen die Dienstleistungen im Jahr 2024 um 19,2 % auf 124 Millionen US-Dollar und werden bis 2034 voraussichtlich 2,38 Milliarden US-Dollar bei einer CAGR von 34,3 % erreichen, gestützt durch verbesserte Fähigkeiten in Bezug auf Teilevalidierung, zerstörungsfreie Prüfung und flottenweites Änderungsmanagement. Im Bereich Polymere machen Dienstleistungen heute fast 60 % des Segments aus, steigen von 143 Millionen US-Dollar im Jahr 2023 auf 173 Millionen US-Dollar im Jahr 2024 und werden bis 2034 voraussichtlich etwas mehr als 1,1 Milliarden US-Dollar erreichen.

Diese Aufteilung spiegelt wider, wie Energieunternehmen die einzelnen Technologien einsetzen: Metall-AM für Teile im Heißbereich und Druckbegrenzungsbauteile, Polymer-AM für Werkzeuge, aerodynamische Testobjekte, Gehäuse und Logistikhilfen.

Mehrere strukturelle Kräfte erklären, warum die Energiebranche schneller wächst als benachbarte Branchen. Erstens betreibt der Sektor komplexe Anlagen unter hohen thermischen und mechanischen Belastungen mit maßgeschneiderten Geometrien und langen Lebensdauern. Das Obsoleszenzmanagement treibt die Einführung von AM für ältere Kernkraftwerke und ausgereifte Gasturbinen voran und ebnet den Weg für eine digitale Neugestaltung ohne Neuguss oder Hartwerkzeuge.

Zweitens erhöhen abgelegene und Offshore-Standorte die Kosten für Ausfallzeiten und Logistik, wodurch eine dezentrale, bedarfsgerechte Fertigung wirtschaftlich attraktiv wird. Drittens bringen der Ausbau erneuerbarer Energien und die Speicherung im Netzmaßstab neue Herausforderungen hinsichtlich Formfaktor und Wärmeübertragung mit sich, die erheblich von den fluid-/thermooptimierten Designs von AM profitieren.

Wie Kernkraftwerksbetreiber AM einsetzen

Im Bereich der Kernenergie zielt die additive Fertigung sowohl auf Programme zur Lebensdauerverlängerung als auch auf Neubauprogramme ab. Die Westinghouse Electric Company nutzt die additive Fertigung, um die Lebensdauer bestehender Anlagen zu verlängern und neue zu bauen. Sie hat AM in ihre Strategien für Brennstoff- und Anlagenteile integriert, StrongHold AM-Schmutzfilter in nordischen Siedewasserreaktoren installiert und plant deren Einsatz. Das Unternehmen nutzt Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF) und Heißdraht-Laserschweißen in seinem fortschrittlichen Fertigungsportfolio und entwickelt Teilefamilien, die die Montageschritte rationalisieren und gleichzeitig neue Gestaltungsmöglichkeiten für das Strömungs- und Schmutzmanagement eröffnen.

Framatome hat mehrere AM-Komponenten in den kommerziellen Betrieb genommen, darunter eine LPBF-Edelstahl-Brennstoffkomponente in Vattenfalls Forsmark-Block 3, und qualifiziert weiterhin obere Verbindungsplattengitter und Kanalhardware für mehrjährige Bestrahlungsprogramme.

BWX Technologies entwickelt gemeinsam mit dem Oak Ridge National Laboratory hochtemperaturbeständige und feuerfeste Komponenten und erforscht binder-jetted Brennstoffformen, die so geformt werden können, dass sie den spezifischen Anforderungen von Reaktoren entsprechen. Das Programm „Transformational Challenge Reactor“ (TCR) des US-Energieministeriums hat seinen Schwerpunkt von einem einmalig gedruckten Kern auf industrietaugliche Verfahren verlagert, die fortschrittliche Fertigung, integrierte Sensorik und eine digitale Zertifizierungsinfrastruktur kombinieren. Die Materialforschung des ORNL – von bestrahlten Kapseln aus 316H-Edelstahl bis hin zu Studien zu Wolfram und Siliziumkarbid – unterstützt sowohl die Kernspaltung als auch die Kernfusion.

Diese Bemühungen entsprechen den kurzfristigen Anforderungen der Betreiber: die Reproduktion nicht mehr lieferbarer Komponenten und die Validierung neuer Geometrien, die die Wärmeübertragung, die Schmutzfilterung und die Strahlungsbeständigkeit verbessern, ohne dass Gießlinien wieder in Betrieb genommen oder ganze Baugruppen von Grund auf neu qualifiziert werden müssen.

Mit Blick auf die Kernspaltungstechnologie der nächsten Generation hatte VoxelMatters die Gelegenheit, James Walker zu interviewen, wobei der Schwerpunkt auf der Nutzung der additiven Fertigung durch Nano Nuclear bei der Entwicklung seiner Reaktoren lag. James Walker sprach über die Arten von Teilen, die mit AM hergestellt werden, wie diese Technologie die Entwicklung beschleunigt und wie sie in den verbundenen Unternehmen von NANO Nuclear, Advanced Fuel Transportation Inc. (AFT) und HALEU Energy Fuel Inc. (HEF), eingesetzt wird.

Die wichtige Rolle von AM in der globalen Öl- und Gasindustrie

Öl- und Gasunternehmen nutzen AM, um Ausfallzeiten zu minimieren, Reparaturen vor Ort zu beschleunigen und Teile zu konsolidieren. ConocoPhillips testete gedruckte Brennerstopfen und Ventile an Ruston-Gasturbinen in Alaska und setzte AM ein, um Korrosion in einer kanadischen Wasseraufbereitungsanlage zu bekämpfen, während es gleichzeitig zur Entwicklung von Standards mit dem American Petroleum Institute beitrug.

Neben mehreren anderen Initiativen nutzte Shell den Energy Transition Campus Amsterdam als Drehscheibe für Forschung und Entwicklung, produzierte gemeinsam mit GE Additive (jetzt Colibrium Additive) einen Nickel-718-Mikromischer und lieferte zusammen mit TEAM und Vallourec eine funktionsfähige WAAM-Leckreparaturklemme für den Live-Betrieb.

Equinor hat sich für großformatiges WAAM und digitale Lagerhaltung entschieden, um den Betrieb seiner Offshore-Anlagen aufrechtzuerhalten, und berichtet über große gedruckte Flansche für Schiffsantriebe und Tausende von Metall-AM-Komponenten, die in Zusammenarbeit mit F3nice aus recyceltem Pulverrohstoff hergestellt wurden.

Baker Hughes hat die Forschung zu PEEK-Filamenten mit der produktionsorientierten Teilekonsolidierung kombiniert, darunter ein einteiliges Pufferrohr mit integrierten Strömungskanälen, das mit der Fertigungssoftware von Oqton entworfen wurde. Seit der AM 2020-Veranstaltung hat sich das Unternehmen klar auf AM als wichtiges Mittel zur Erreichung seiner Nachhaltigkeitsziele konzentriert.

Entstehende regionale Ökosysteme

Regionale AM-zentrierte O&G-Ökosysteme entstehen insbesondere im Nahen Osten. Die saudische National Additive Manufacturing Innovation Company (NAMI), gegründet von 3D Systems und Dussur, baut ein lokales Lieferantennetzwerk für Öl und Gas auf, hat die DNV-Zertifizierung für kritische Ersatzteile erhalten und unterzeichnete 2025 Lieferverträge mit Baker Hughes, Siemens Energy und Tasnee.

JOME Engineering hat die Produktion von Edelstahlventilen von Gussteilen auf robotergestützten 3D-Metalldruck über Vipra AM umgestellt, wodurch die Vorlaufzeiten von etwa zwei Monaten auf weniger als 48 Stunden verkürzt und das Risikoprofil des Ersatzteilmanagements reduziert wurden.

Vor kurzem haben Roboze und Arab Shipbuilding and Repair Yard (ASRY) mit der Entwicklung einer AM-Smart-Factory in Bahrain begonnen, um Kunden aus der Schifffahrt und der Energiebranche mit industriellen Extrusionssystemen und digitalen Bestands-Workflows zu versorgen. Kaltgasspritzanbieter – darunter Titomic und SPEE3D – schließen mit DNV und regionalen Partnern Qualitätssicherungsvereinbarungen ab, um Beschichtungsreparaturen und Near-Net-Builds für korrosive Offshore-Umgebungen zu qualifizieren.

Erneuerbare Energien mit AM effizienter machen

Erneuerbare Energien bringen eine Reihe anderer Herausforderungen mit sich, und AM wird sowohl bei zivilen Bauwerken als auch bei Heißbereichskomponenten eingesetzt. GE Vernova und voxeljet haben gemeinsam das VX9000 entwickelt, ein Binder-Jetting-System, mit dem Sandformen von bis zu 9,5 Metern gedruckt werden können, um massive Turbinenteile zu gießen. Die ersten erfolgreichen Gussteile wurden 2025 in einer Gießerei von Baettr hergestellt.

Nationale Labore und Universitäten testen recycelbare Thermoplaste und großformatige Extrusion für Windflügel. Teams am National Renewable Energy Laboratory (NREL), der Virginia Tech und der Purdue University arbeiten an der Modularität der Flügel, der Fertigung vor Ort und der Geschwindigkeit der Designiteration. In Schottland demonstrierten Renewable Parts Limited, SSE Renewables und das National Manufacturing Institute Scotland Möglichkeiten zur Wiederaufbereitung von Windkomponenten mithilfe additiver Verfahren.

Im Bereich der Thermotechnik begann die Reise von Siemens Energy 2017 mit motorgetesteten gedruckten Turbinenschaufeln und umfasst heute LPBF-Reparaturen, WAAM-gefertigte Komponenten und die firmeneigene HybridTech-Reparatur-Upgrade für in Betrieb befindliche Schaufeln, unterstützt durch Simulations- und Zertifizierungskooperationen mit Ansys und DNV.

Mit AM die Kernfusion Wirklichkeit werden lassen

Der Zeitplan für die Kommerzialisierung von Fusion ist noch ungewiss, aber die additive Fertigung gehört bereits zum Werkzeugkasten der meisten privaten Entwickler. Commonwealth Fusion Systems arbeitet an kompakten Tokamaks, die durch hochfeldstarke supraleitende Magnete ermöglicht werden, und kooperiert mit der britischen Atomenergiebehörde im Hinblick auf den Einsatz im industriellen Maßstab.

Tokamak Energy meldete für 2022 einen Meilenstein von 100 Millionen Grad Celsius Plasma in einem sphärischen Tokamak, einer Temperaturgrenze auf dem Weg zu Nettoenergiegeräten. Forscher nutzen additive Fertigung, um kupferbasierte HF-Starter, Wolframteile und SiC-Strukturen für Maschinen herzustellen, die magnetische Einschließung nutzen, während chinesische Institute additive Fertigung eingesetzt haben, um neutronenbeständige Stähle für Schutzwandkonstruktionen herzustellen.

Im Rahmen von Programmen zur Feldumkehrkonfiguration plant Helion Energy Deuterium-Helium-3-Brennstoffzyklen mit gepulster Energieentnahme und hat einen einzigartigen Abnahmevertrag mit Microsoft abgeschlossen, während TAE Technologies Wasserstoff-Bor-Systeme entwickelt, die höhere Temperaturanforderungen gegen Tritiumunabhängigkeit eintauschen.

Type One Energy versucht, die Risiken der Stellarator-Geometrie zu minimieren, indem es großformatige Metall-AM einsetzt, um komplexe Spulen und Stützstrukturen mit der vom Design geforderten Präzision herzustellen. Ein weiteres Unternehmen, Proxima Fusion, hat gerade in einer Rekord-Finanzierungsrunde 130 Millionen Euro (148 Millionen US-Dollar) eingesammelt, wobei die Investoren hoffen, dass das Unternehmen bald das weltweit erste kommerzielle Kernfusionskraftwerk entwickeln kann. Das Unternehmen nutzt AM, um den ersten kommerziellen Stellarator zu bauen.

Herkömmliche Fertigungsmethoden haben Schwierigkeiten mit den komplexen Geometrien, die für Stellator-Spulen und -Stützen erforderlich sind. Die additive Fertigung umgeht diesen Engpass, indem sie die direkte Konstruktion komplexer Formen aus Polymeren, Verbundwerkstoffen oder Metallen mit hoher Präzision ermöglicht. Bei der Entwicklung des Stellators UST-2 haben Forscher gezeigt, dass Spulenrahmen aus Polymer und Verbundwerkstoffen gedruckt und mit verstärkendem Harz gefüllt werden können, um Toleranzen von besser als 0,3 Millimetern zu erreichen. In ähnlicher Weise zeigten Tests an EPOS-Stellarator-Spulen, dass 3D-gedruckte Aluminiumstrukturen die Positionsgenauigkeit und magnetische Leistung innerhalb der vorhergesagten Bereiche aufrechterhalten konnten.

Dieser Artikel ist eine modifizierte und online-freundliche Version des Artikels, der ursprünglich im VoxelMatters Energy AM Focus 2026 eBook erschienen ist, das unter diesem Link kostenlos heruntergeladen oder online gelesen werden kann.