Ist der 3D-Druck bereit für die Endfertigung?

Einer der größten Trends in der additiven Fertigung in den letzten zehn Jahren war der Übergang vom Rapid Prototyping zur Produktion. Während der 3D-Druck immer noch allgemein als Nischenlösung für das Rapid Prototyping angesehen wird, ist der Übergang der Technologie vom Prototyping zu Endverbrauchsteilen in vollem Gange. Wie können Hersteller dann den Übergang vom Rapid Prototyping zur Endteilfertigung mit 3D-Druck schaffen? Und welche Herausforderungen müssen gemeistert werden, damit dieses AM zu einer voll tragfähigen Lösung für die Endteilfertigung wird?

Die Vorteile des 3D-Drucks für die Endteilfertigung

Der 3D-Druck hat sich zu einem unschätzbaren Werkzeug für die Produktentwicklung und Designvalidierung entwickelt und bietet eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, Konzept- und Funktionsprototypen ohne teure Werkzeuge herzustellen. Die Vorteile der Technologie gehen jedoch weit über diesen begrenzten Rahmen hinaus.

Die Entwicklung der additiven Technologien bedeutet, dass Hersteller jetzt überlegen sollten, wie sie den 3D-Druck zur Unterstützung der Serienproduktion nutzen können. Während konventionelle subtraktive Fertigungsverfahren wie Spritzgießen und Gießen ideal für die Herstellung großer Mengen identischer Teile sind, sind sie für bestimmte Anwendungen, wie kundenspezifische Teile und Produkte, die in kleinen Stückzahlen produziert werden müssen, begrenzt.

Der 3D-Druck wird diese traditionellen Herstellungsverfahren natürlich nicht so schnell ersetzen, aber die Technologie bietet klare Vorteile für die Lücken, die sie nicht füllen können.

Kleinserienproduktion

Wenn es beispielsweise um die Kleinserienproduktion geht, wird der 3D-Druck zu einer praktikablen und wirtschaftlich sinnvollen Option. Die Möglichkeit, vom digitalen Design zur Produktion überzugehen, bedeutet, dass komplexe Produkte erstellt werden können, die mit herkömmlichen Methoden sonst nicht und unerschwinglich herzustellen wären. Diese erweiterte Designfreiheit ermöglicht es Herstellern, die Grenzen der Innovation zu verschieben und neue, innovative Produkte viel schneller auf den Markt zu bringen.

Eines der bekanntesten Beispiele für den Einsatz von 3D-Druck auf diese Weise ist der LEAP-Jet Zapfpistole von GE. Anstatt die für die Düse benötigten 18 Einzelteile separat zu fertigen, kann die Düse beim 3D-Druck in nur einem Teil hergestellt werden – und ist damit 25 % leichter als ihr Vorgänger.

Massenanfertigungen

Anpassung ist mehr als nur ein Schlagwort; es ist eine Realität der heutigen Verbraucherlandschaft. Da Verbraucher immer personalisiertere Dienstleistungen und Produkte erwarten, stehen die Hersteller vor der Herausforderung, diese Anforderungen effektiv zu erfüllen. Der 3D-Druck bietet hier die ideale Lösung:eine kostengünstige Möglichkeit, Produkte in Massenfertigung individuell auf den Kunden zugeschnitten herzustellen. BMW ist nur ein Unternehmen, das die Technologie mit seinem Individualisierungsservice für seine MINI-Fahrzeugpalette auf diese Weise einsetzt. Kunden können Sonderausstattungen wie Türgriffe oder Teile des Seitenschildes auswählen, die dann additiv individualisiert werden.

Schlanke Lieferketten

3D-Druck bietet zwei bahnbrechende Vorteile für schlankere, vereinfachte Lieferketten. Erstens können Hersteller den 3D-Druck nutzen, um vom „Made-to-Stock“- zum „Made-to-Order“-Fertigungsmodell zu wechseln. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche Lagerbestände vorzuhalten, wodurch die Lagerkosten erheblich gesenkt werden. Zweitens kann die Produktion dank der Möglichkeit, Produkte jetzt bedarfsgerecht herzustellen, näher an die Verbraucher heranrücken, was die Lieferung beschleunigt und die Lieferkette rationalisiert. Digitale Lagerbestände in Form von CAD-Dateien, gekoppelt mit einer lokalisierten Produktion, könnten daher das Supply Chain Management für Hersteller verändern.

Vom Prototypenbau zu den endgültigen Teilen?

Riesige Fortschritte bei additiven Technologien in den letzten zehn Jahren haben den 3D-Druck für die Endteilfertigung zu mehr als einer eindeutigen Möglichkeit gemacht. Damit der Übergang zur Kleinserienproduktion jedoch wirklich vollzogen werden kann, müssen noch Fortschritte bei Software, Prozessen, Materialien und Hardware gemacht werden. Obwohl vieles davon bereits geschieht, wird es noch einige Zeit dauern, bis AM massenhaft als Fertigungstechnologie eingeführt wird. Hier sind einige der Herausforderungen, die es zu meistern gilt:

Workflow-Prozesse

Viele OEMs, die damit beginnen, den Anwendungsfall von AM für Endverbraucherteile zu untersuchen, verfügen nicht über die Softwareinfrastruktur, um einen skalierbaren additiven Fertigungsprozess zu erstellen. Da AM in seinen Anforderungen einzigartig ist, reichen Standard-PLM- und MES-Lösungen nicht aus, um einen gut geölten Produktionsprozess zu gewährleisten. Es fehlt an Dateioptimierung – einschließlich Dateireparatur und -konvertierung – Maschinenplanung und Build-Optimierung erfordern eine spezielle Workflow-Management-Software, die wichtige Produktionsphasen rationalisieren und einen wiederholbaren Produktionsprozess sicherstellen kann.

Geschwindigkeit
Eine weitere Herausforderung für den industriellen 3D-Druck war die Geschwindigkeit der Hardwaresysteme, obwohl die jüngsten Entwicklungen dies ändern könnten. Die 3D-Druckerserie von Desktop Metal soll beispielsweise eine 100-mal höhere Geschwindigkeit als laserbasierte Systeme haben. Diese Metall-AM-Maschinen sind für einen hohen Durchsatz komplexer Metallteile ausgelegt. HP ist ein weiteres Unternehmen, das den 3D-Druck für größere Chargen von Endteilen skalieren möchte. Seine Multi Jet Fusion 3D-Drucker zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit aus und ermöglichen die kosteneffiziente Produktion von bis zu 110.000 Teilen.

Prozesssicherheit &Qualitätskontrolle
Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Anforderungen des Rapid Prototyping und der Endteilfertigung besteht darin, dass die Teilequalität und die Prozesswiederholbarkeit für letztere viel wichtigere Faktoren sind. Für anspruchsvolle Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Medizin, bei denen die Teilequalität von größter Bedeutung ist, ist es beispielsweise von größter Bedeutung, dass Prozesse wiederholt werden und die Sicherheit gewährleistet ist. Die Sicherstellung eines reproduzierbaren additiven Fertigungsprozesses ist seit vielen Jahren eine Herausforderung, der sich viele Hersteller noch immer stellen müssen.

In diesem Bereich werden jedoch Fortschritte erzielt. Beispielsweise tragen Unternehmen wie Expanse Microtechnologies durch fortschrittliche CT-Scantechnologie zur Prozessstandardisierung bei. Und vor kurzem wurde die Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC) gegründet, um die Entwicklung branchenweiter Standards und Spezifikationen für die additive Fertigung zu beschleunigen.

Vorausschau

Hersteller erkennen zunehmend die Vorteile des 3D-Drucks für Endverbraucherteile, wobei Industriegiganten wie Siemens und BMW massiv in AM-Anlagen investieren, um die Produktion in großem Maßstab voranzutreiben. Vor diesem Hintergrund suchen Unternehmen zunehmend nach Möglichkeiten, die Technologie in ihre breiteren Fertigungsabläufe zu integrieren. Der 3D-Druck wird zwar nicht mit traditionellen Herstellungsmethoden konkurrieren, hat aber das Potenzial, die Art und Weise, wie bestimmte Teile und Produkte in dieser neuen Ära der Digitalisierung hergestellt werden, zu verändern. Hersteller benötigen daher einen strategischen Plan und eine Roadmap für die Implementierung der additiven Fertigung, die alle Teile des Prozesses vom Design über die Produktion bis hin zur Nachbearbeitung abdeckt.