8 Herausforderungen, die die additive Fertigung lösen muss, um produktionstauglich zu werden

Die additive Fertigung hat seit den Tagen des Rapid Prototyping einen langen Weg zurückgelegt. Seit ihrem Aufkommen in den 1980er Jahren haben 3D-Drucktechnologien innovative Anwendungen gefunden und tragen dazu bei, Produktionskosten und Vorlaufzeiten zu reduzieren, die Produktleistung zu verbessern und maßstabsgetreue Massenanpassungen möglich zu machen. Dennoch steht AM vor großen Herausforderungen, wenn es um die Großserienfertigung geht. In diesem Artikel skizzieren wir die 8 Herausforderungen, denen sich die Branche gegenübersieht, und die Schritte, die unternommen werden, um ihnen zu begegnen.

1. Identifizieren eines Business Case

Den Business Case für die additive Fertigung aufzustellen, ist für viele Unternehmen eine Herausforderung, insbesondere angesichts der hohen Startkosten. Die langfristigen finanziellen Vorteile der additiven Fertigung liegen auf der Hand und umfassen:

• Geringere Werkzeugkosten
• Kostengünstige Herstellung komplexer Geometrien
• Kostengünstige Anpassung

Tatsache bleibt jedoch, dass Vorabinvestitionen in die Technologie – von der Hardware über die Materialien bis hin zur Ausrüstung für die Nachbearbeitung – erforderlich sind.

Für diejenigen, die zum Beispiel Metall-3D-Druck suchen, können Metall-AM-Maschinen leicht über 100.000 US-Dollar kosten, ohne die Kosten für Material und Nachbearbeitungsausrüstung.

Der Übergang zur Integration von AM in bestehende Fertigungsabläufe mag daher schwer zu rechtfertigen sein. Die Kapitalrendite von AM muss mit anderen verfügbaren Produktionsmethoden übereinstimmen oder diese übertreffen, wie Tim Weber, Global Head of HP Metal Jet, erklärt:

„Hersteller von 3D-Druckern müssen eine überlegene Wirtschaftlichkeit aufweisen, die es uns ermöglicht, im Wettbewerb zu bestehen , nicht mit anderen additiven Fertigungsunternehmen, sondern mit traditionellen Verfahren wie Feinguss, Metallspritzguss und CNC.“

Es gibt jedoch eine Reihe von Schritten, die bereits unternommen werden können und werden, um dem entgegenzuwirken.

Eine niedrige Eintrittsbarriere besteht darin, die Dienste von 3D-Druck-Servicebüros in Anspruch zu nehmen und deren Fachwissen zu nutzen, um die für Ihr Unternehmen am besten geeigneten 3D-Druckanwendungen zu identifizieren.

Neben der Identifizierung der Bereiche, in denen der 3D-Druck von Vorteil sein wird, sollten Hersteller auch die Kosten bewerten, um zu verstehen, ob 3D-Druck oder traditionelle Verfahren (Spritzguss, CNC-Bearbeitung usw.) für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet sind .

Auf der anderen Seite werden mit zunehmender Reife der Industrie niedrigere Maschinen-, Material- und Betriebskosten erwartet. Diese Entwicklungen werden mit der Zeit den Übergang von AM zur Serienproduktion erleichtern.

2. Produktionsvolumen

Um die für die Serienproduktion erforderlichen hohen Stückzahlen (und kurzen Durchlaufzeiten) zu unterstützen, müssen die Arbeitsabläufe der additiven Fertigung sowohl schnell als auch skalierbar sein. Derzeit fehlt den meisten AM-Systemen die für die Massenproduktion erforderliche Geschwindigkeit, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren.

Während AM-Hardwarehersteller schnellere Systeme entwickeln, um dieses Problem zu beheben, ist die Druckzeit pro Teil nur ein Teil des Puzzles. Alle Vor- und Nachbearbeitungsschritte bestimmen auch den potentiellen Durchsatz und müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Nachbearbeitung ist beispielsweise ein wichtiger Engpass. Fast alle 3D-gedruckten Teile erfordern eine Art Nachbearbeitung, die 30-60% des gesamten Produktionsprozesses ausmacht. Es müssen Wege gefunden werden, die Nachbearbeitungsphase zu automatisieren – und Unternehmen wie PostProcess Technologies schlagen bereits Nachbearbeitungslösungen vor.

Die Verbesserung der AM-Build-Zeiten, die Automatisierung jeder Phase des AM-Workflows und die Minimierung der Nachbearbeitungsschritte sind daher entscheidende Schritte, die erforderlich sind, um AM auf Operationen mit größerem Volumen zu skalieren.

3. Wiederholbarkeit

Der Bedarf an Wiederholbarkeit in der Serienfertigung ist nicht zu unterschätzen. Die ständige Herstellung zuverlässiger Teile ist jedoch eine ständige Herausforderung für AM. Die Verwendung gleicher Einstellungen kann beispielsweise dennoch zu Unterschieden bei der Herstellung des gleichen Teils führen.

Die Liste der Faktoren, die sich auf die Qualität eines fertigen Teils auswirken können, ist lang und umfasst:Teileausrichtung innerhalb der Konstruktionsplattform, Maschinenkalibrierung, Materialqualität und wie Teile aus einer Konstruktion entfernt werden.

Alle am Prozess beteiligten Prozessvariablen müssen streng definiert und kontrolliert werden, um jedes Mal einen erfolgreichen Druck zu ermöglichen, was keine leichte Aufgabe ist.

Die gute Nachricht ist, dass die Industrie Schritte unternimmt, um eine prädiktive und reproduzierbare additive Fertigung zu ermöglichen. Beispielsweise entwickeln AM-Systemhersteller neue Maschinen, die mit In-Prozess-Überwachung und geschlossenen Regelkreisen ausgestattet sind, um eine bessere Kontrolle über den Herstellungsprozess zu ermöglichen.

4. Materialverfügbarkeit

Die Materialentwicklung hat seit den proprietären Filamenten in der Vergangenheit einen langen Weg zurückgelegt. Derzeit können 3D-Drucktechnologien mit einer breiten Palette von Materialien verwendet werden, darunter Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe.

Dennoch bleibt die Verfügbarkeit geeigneter Materialien eines der größten Hemmnisse für den Einsatz der additiven Fertigung als Produktionsverfahren. Die Materialvielfalt ist begrenzt, da nur eine relativ kleine Auswahl an kompatiblen Materialien verfügbar ist.

Ein Grund dafür liegt in der geschützten Natur vieler 3D-druckbarer Materialien. Während die Herstellung von proprietären Materialien einem Unternehmen helfen kann, sein Monopol aufzubauen, zwingt es die Kunden, ihre Materialien direkt von ihren 3D-Druckerherstellern zu kaufen.

Die Zertifizierung von AM-Materialien ist die zweite Hürde. Eine Zertifizierung ist erforderlich, um sicherzustellen, dass AM-Materialien die gleichen Standards wie herkömmliche Verfahren erfüllen, und kann ein zeitaufwändiger und teurer Prozess sein.

Dennoch entwickelt sich der Markt für AM-Materialien schnell, wobei die überwiegende Mehrheit der Hersteller jetzt offen für die Entwicklung neuer Materialien durch Dritte ist. Einige Unternehmen wie Ultimaker und HP setzen aktiv auf einen offenen Plattformansatz, der die Zusammenarbeit mit einigen der größten Materiallieferanten ermöglicht. Diese Entwicklungen werden wiederum schnellere Materialinnovationen ermöglichen.

In einem kürzlich geführten Interview mit AMFG sagt Ultimaker-Präsident John Kawola:„In der Vergangenheit waren die meisten 3D-Drucktechnologien auf eine Handvoll Materialien beschränkt, hauptsächlich für das Prototyping. Die größten Unternehmen in diesem Bereich, wie 3D Systems, EOS und Stratasys, hatten keine Hunderte von Materialwissenschaftlern – sie hatten einige und entwickelten Materialien für ihre individuellen Plattformen.

„Aber sobald Sie den größeren Kunststoffunternehmen einen Anreiz bieten, sich zu engagieren, bringen sie all ihre kollektive Weisheit auf den Markt, die meiner Meinung nach allen hilft.“

5. Sicherheit

Sicherheit wird für Unternehmen, die additive Fertigung einsetzen möchten, immer wichtiger.

Wie andere digitale Industrie 4.0-Technologien ist der 3D-Druck anfällig für Sicherheitsrisiken und Cyberangriffe. Das Potenzial gestohlener oder manipulierter Daten könnte beispielsweise das geistige Eigentum eines Unternehmens gefährden.

Sicherheit wird besonders wichtig, da neue Geschäftsmodelle mit virtueller Lagerhaltung und dezentraler On-Demand-Produktion weiter an Fahrt gewinnen. Um dieses Stadium zu erreichen, müssen jedoch maßgeschneiderte Lösungen entwickelt werden, um die Sicherheit und den Schutz des geistigen Eigentums im gesamten AM-Ökosystem zu gewährleisten.

Derzeit befinden sich solche Lösungen in der Anfangsphase der Einführung. Unternehmen wie AMFG und LEO Lane gehen strategische Partnerschaften ein. Andere melden Patente an und starten Initiativen zur Anpassung von Sicherheitstechnologien wie Blockchain für die additive Fertigung.

Die Bewältigung der Bedenken hinsichtlich der Sicherung des digitalen Fadens wird nicht nur das Vertrauen in den 3D-Druck als Produktionstechnologie erhöhen, sondern auch ermöglichen eine bessere Rückverfolgbarkeit in der gesamten Lieferkette.

6. Standardisierung

Das Fehlen umfassender Standards für die additive Fertigung bleibt eines der Haupthindernisse für die Verbreitung der Technologie.

In stark regulierten Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Medizintechnik und Automobilindustrie müssen 3D-gedruckte Teile für den Endverbrauch strenge Anforderungen erfüllen. Zertifizierung und Standardisierung werden der Schlüssel sein, um dieses Vertrauen aufzubauen und robuste Zertifizierungsansätze zu etablieren. Derzeit gelten viele der bestehenden Herstellungsrichtlinien nur für traditionelle Herstellungsverfahren, und für AM müssen neue Standards entwickelt oder angepasst werden.

Der Weg zur AM-Standardisierung ist jedoch lang. Glücklicherweise haben einige der größten Standardentwicklungsorganisationen wie ISO und ASTM International bereits mit der Entwicklung branchenweiter Standards begonnen.

Dank ihrer Bemühungen gibt es bereits mehr als 25 genehmigte Standards und weitere 19 Standards in Entwicklung (Stand Ende 2018). ASTM International investiert auch stark in AM-fokussierte Forschungsprojekte, um die Lücken zwischen Forschung und Entwicklung, Standardisierung und der breiteren Kommerzialisierung der Branche zu schließen.

7. Schulung

Das vielleicht bedeutendste Hindernis für die Einführung von AM ist die derzeitige Qualifikationslücke. Ein Bericht von Deloitte aus dem Jahr 2016 kommt zu dem Schluss, dass neun von zehn Herstellern Schwierigkeiten haben, Arbeitskräfte mit den richtigen Fähigkeiten einzustellen. Der Fachkräftemangel ist also ein Problem der gesamten Produktion.

Fortschrittliche Technologien wie die additive Fertigung erfordern neue Fähigkeiten. Beispiel Design for Additive Manufacturing (DfAM):Werkzeuge wie generatives Design und Topologieoptimierung erfordern von den Ingenieuren ein Umdenken konventioneller Designansätze. Weitere Bereiche sind Maschinenwartung, Materialhandhabung und Kenntnisse in der Nachbearbeitung.

Bildung und Ausbildung werden die Lösung für den Übergang sein. Unternehmen müssen aktiv in die Ausbildung ihrer Belegschaft investieren, um den Mitarbeitern die Möglichkeit zu geben, durch diese fortschrittlichen Technologien zu lernen und Innovationen voranzutreiben.

8. End-to-End-Workflows

3D-Druck ist eine der wichtigsten Technologien beim Aufbau „intelligenter Fabriken“.

Die Realität ist jedoch, dass die meisten Unternehmen Schwierigkeiten haben, einen durchgängigen AM-Workflow-Management-Prozess zu etablieren. Ein Engpass liegt darin, verschiedene Softwarepakete zu verwenden, um von der Konstruktion bis zum fertigen Teil zu gelangen. Dies führt zu einem getrennten Prozess, der die Effizienz stark reduziert.

Zum Glück gibt es immer mehr Lösungen, um diesen Engpass zu beheben. Beispielsweise ist eine Software zur Workflow-Automatisierung entstanden, um die Probleme getrennter Workflow-Prozesse anzugehen. Die Verwendung einer einzigen Plattform zur Verwaltung des gesamten AM-Ökosystems, von Anfragen bis zur Nachbearbeitungskontrolle, ermöglicht sowohl die Automatisierung manueller Routineaufgaben als auch eine bessere Rückverfolgbarkeit in jeder Phase des AM-Prozesses.

Vorausschau

Die additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt, und 2019 scheint da keine Ausnahme zu sein. Während bei der Industrialisierung von AM Fortschritte gemacht werden, ist es jedoch noch ein weiter Weg, bis die Technologie in großem Maßstab als Herstellungsverfahren für Endteile eingesetzt werden kann. Die Kosten müssen gesenkt werden, der Fokus wird stärker auf die Ausbildung gelegt und Unternehmen müssen den Wert der Technologie für ihre Anwendungen erkennen. Wenn die Technologie und die Branche ausgereift sind und diese Herausforderungen bewältigt werden, wird die Akzeptanz von AM nur zunehmen.