Top 10 Additive Manufacturing Herausforderungen für Produktion 2020 überwinden – Experteninsights

Aktualisiert 2020

Designflexibilität, Materialeffizienz und Low-Volume-Produktion machen additive Fertigung (AM) für viele Unternehmen attraktiv. Doch um AM in einer Produktionsumgebung voll zu nutzen, müssen mehrere Hindernisse adressiert werden.

Technologische Herausforderungen

1. Langsame Produktionsgeschwindigkeiten

Speed bleibt kritischer Faktor, besonders für Hochvolumenindustrien wie Automotive und Konsumgüter. Traditionelle 3D-Drucker hinken konventioneller Fertigung in Durchsatz oft hinterher.

„Das Endergebnis ist der Durchsatz oder die Geschwindigkeit der Maschinen. [Automotive] Produktionsvolumen unterscheiden sich beträchtlich von Aerospace oder Medical Volumen. Wir müssen Systeme ansehen, die Teile in Minuten oder Sekunden produzieren können, statt Tagen und Stunden. Alles, was wir tun können, um Technologie in schnellere Build-Speeds zu pushen, wird definitiv helfen.“

Harold Sears, Technical Leader Additive Manufacturing Technologies bei Ford

Hersteller investieren massiv in High-Speed-Lösungen. EOS entwickelt z. B. Laser Pro Fusion, das bis zu 1 Million Diodenlaser in einem einzelnen SLS-System nutzt, potenziell Build-Zeiten drastisch schneidend. Im Metall-Druck ermöglicht Aurora Labs’ Multilevel Concurrent Printing (MCP™) simultane Deposition mehrerer Lagen – 30 Lagen in einem Pass, Ziel 100 Lagen nächstes Jahr. Ihr PMP1 Drucker erreichte 350 kg/Tag, 2000 % Speed-Verbesserung zum Vorjahr.

Obwohl diese Technologien noch in Entwicklung sind, deutet die Trajektorie an, dass AM Produktionsgeschwindigkeitsanforderungen naher Zukunft erfüllen wird.

2. Materialentwicklung und Inkonsistenzen

„Die additive Fertigungsindustrie braucht definitiv Lösungen für mehr Materialien. 3D-Druck ist theoretisch fähig, Teile hoher Komplexität und Funktionalität zu produzieren – ob mechanisch, biologisch, elektrisch. Aber das umzusetzen hängt davon ab, genügend Materialoptionen zu haben.“

Simon Fried, Co-Founder von Nano Dimension

AM machte signifikante Strides bei Polymer- und Composite-Materialien. Große Chemieunternehmen – Arkema, BASF, DuPont – entwickeln kohlenstoffverstärkte Polymere, die Metallfestigkeit rivalisieren. Markforged führte Onyx FR ein, das erste flammhemmende Composite für AM. Metall-Feedstocks sehen auch Fortschritt, though der Zyklus länger ist. Trotz Wachstum fehlt der Industrie noch eine umfassende Materialdatenbank, was zu inkonsistenten Eigenschaften und schwieriger Reproduzierbarkeit führt.

Standardisierungsgremien wie ISO und ASTM etablieren Spezifikationen für Metallpulver (Nickel, Titan, rostfreier Stahl), und Kollaborationen wie America Makes mit Stratasys und NIAR produzierten eine ULTEM 9085 Datenbank für FDM. Diese Bemühungen helfen Firmen, Materialien zuverlässig zu sourcen und zu qualifizieren.

3. Manuelle Nachbearbeitung

Während Prototyping manuelles Finishing tolerieren kann, verlangt Produktion Automatisierung. Metall-AM-Teile erfordern Pulverentfernung, Spannungsarmglühen, Support-Entfernung, CNC-Nachbearbeitung und manchmal Hot Isostatic Pressing zur Porositätselimination.

„Bei Metall-AM sind viele Schritte involviert, um Qualität zu sichern. Dazu gehört ordnungsgemäße Pulverentfernung und Stress-Relief-Heizzyklus, damit Teile nicht durch im Bauprozess aufgebaute Restspannungen verziehen und verzerrt werden. Oft wird viel Zeit benötigt, um Supportstrukturen wegzuschneiden und -schleifen. Weitere Steps umfassen CNC-Machining, Finishing und Hot Isostatic Pressing, was hilft, sicherzustellen, dass das Teil keine Porosität enthält.“

Terry Wohlers, Founder und President von Wohlers Associates

Automatisierte Post-Processing-Lösungen entstehen – DyeMansions Reinigungsrigs, AMTs Surface-Smoothing-Systeme, PostProcess Technologies’ Support-Removal-Units. Im Metall demonstriert Digital Metals vollautomatisierte Produktionslinie, wie Robotik Build-Boxen, Post-Processing und Teilehandling handhaben kann, manuelle Arbeit eliminierend.

Obwohl Fortschritt inkrementell ist, ist Expansion automatisierter Workflows essenziell für Hochvolumen-AM-Produktion.

Software-Herausforderungen

4. Limitierte Datenvorbereitungsfähigkeiten

„Design und Datenvorbereitung sind immer noch ein Flaschenhals in dieser Industrie, während Fokus auf höhere Produktivität Hardwaresysteme gelegt wird, mit intelligenten Softwarelösungen, die aus dieser Gleichung ausgeschlossen sind.“

Yves Hagedorn, Managing Director bei Aconity3D

Traditionelle CAD-Tools waren nicht für AMs einzigartige Anforderungen designed – gradienten Materialien, Gitterstrukturen, Porositätsmodellierung. Designer exportieren oft zu STL, importieren in Netfabb, senden dann zur Maschine – schaffend Data Silos und Fehler.

„Wir hören von vielen Kunden, dass sie mit sehr disjunkten Workflows arbeiten. Sie designen in einem CAD-Tool, übersetzen dann zu STL und importieren in einen Build Processor wie Netfabb. Von dort geht es zur Maschine, die Daten sammelt. So entstehen Datensilos, die nicht gut vernetzt sind.“

Robert Yancey, Director Manufacturing and Production Industry Strategy bei Autodesk

Führende CAD-Vendors integrieren AM-Funktionen – PTCs Creo 6.0 unterstützt jetzt Design und Print-Preparation in einer Umgebung, akquirierte Generative-Design-Firma Frustum. Stratasys’ GrabCAD und 3D Systems’ 3DXpert straffen Datenkonvertierung. Ziel: Designern Iteration im CAD-System ohne umständliche Dateiaustausche erlauben.

Qualitätssicherungs-Herausforderungen

5. Teil-zu-Teil-Variation

„Ein weiteres großes Ding, das die Industrie adressieren muss für breitere Akzeptanz, ist Teil-zu-Teil-Variation […] Der Grund: Die Konsistenz des Materials, das aus dem System kommt, ist nicht notwendigerweise das, was man will. Man muss für das schwächste Teil designen, was bedeutet, man nutzt AMs Fähigkeiten nicht voll aus.“

Zachary Murphree, VP Technology Partnerships bei VELO3D

Variationen stammen aus Materialchemie – Partikelgröße, -form, Kontamination – und Prozesskontrolle. Closed-Loop-Kontrollsysteme mit embedded Sensors und Kameras können Deviations in Echtzeit detektieren und Parameter anpassen, reduzierend Defekte wie Pulvereinschlüsse, Mikrorisse oder Lack of Fusion.

„Ich denke, das ist der Heilige Gral für AM, denn mit In-Prozess-Kontrolle kann man fast sofort auf Defizienzen im Prozess reagieren.“

Yves Hagedorn, Managing Director bei Aconity3D

Aktuell featuret nur ein kleiner Prozentsatz der Drucker Closed-Loop-Kontrolle, aber der Trend wächst, während AM in Produktionsumgebungen einzieht.

6. Fehlende branchenweite Standards

„Es wäre unglaublich vorteilhaft für alle Stakeholder, wenn die Industrie bessere Standards insgesamt hätte, Standards, die universell verstanden und akzeptiert werden. Mit Standards können Firmen Äpfel mit Äpfeln vergleichen und intelligente Entscheidungen treffen, die in einem umfassenden Ökosystem aus Lieferanten, Herstellern und Nutzern implementierbar sind.“

Avi Reichental, Founder von XponentialWorks

Standards sind essenziell für Material-, Prozess- und Produktqualität. ISO und ASTM haben bis 2018 bereits 28 AM-Standards veröffentlicht, mit vielen weiteren geplant. Kollaborative Bemühungen – wie Oerlikon-Boeing-Partnerschaft für Titan-Teile und ASTMs Additive Manufacturing Center of Excellence – beschleunigen Standardisierung across Design, Feedstock, Prozess, Post-Processing, Testing, Qualification.

Workforce-Herausforderungen

7. Mangelndes Verständnis und Expertise

„[Der] Workforce-Aspekt ist wirklich kritisch jetzt. Es gibt nicht genug Ingenieure, Manager, Executives, die die Technologie gut genug verstehen, um damit zu arbeiten und eine Strategie zu entwickeln, um das zu bekommen, was sie brauchen.“

John Barnes, Founder von The Barnes Group Advisors

Den Wissensgap zu schließen ist vital. Viele Firmen bieten nun Trainingsprogramme, Online-Kurse und Centers of Excellence zum Upskilling von Ingenieuren. Consultancies und Industriekonferenzen disseminieren Best Practices. Der Schlüssel: Richtige Technologie zur richtigen Applikation matchen, vermeidend die Falle, traditionelle Designs auf AM-Prozesse zu zwingen.

Finanzielle Herausforderungen

8. Die initiale Investition tätigen

AM-Adoption involviert mehr als Druckerkauf; es braucht Software, Materialien, Training, Post-Processing-Equipment, Zertifizierung, Facility-Upgrades. Upfront-Kosten können abschreckend sein.

„Gerätekosten müssen sinken, um Technologie für breitere Märkte zu entsperren.“

Armin Wiedenegger, Strategy & Business Development für Additive Manufacturing bei voestalpine High Performance Metals GmbH

Ökonomische Einstiegs-Systeme entstehen. Markforgeds Composite-Drucker kostet ~15.000 $ und lieferte Payback binnen sechs Monaten für Dunlop Systems, sparend 40.000 £/Jahr. Metall-Drucker von Desktop Metal, Markforged, Xact Metal reichen bis 150.000 $, ein Bruchteil großer Systeme. Business Case um Quick Wins – Kostensenkung, Lead-Time-Cuts, Gewichtsersparnis – aufzubauen, kann Investment anziehen und ROI demonstrieren.

Workflow- und Integrationsherausforderungen

9. Fragmentiertes AM-Ökosystem

„Das gesamte AM-Ökosystem ist fragmentiert: Es gibt viele kleine Lösungen und Firmen, die man zusammenstückeln muss, um Workflow und End-to-End-Lösung zu schaffen.“

Dave Conover, Chief Technologist Additive Manufacturing bei Ansys

Integration across Design, Build, Post-Processing, Supply Chain ist essenziell für Skalierbarkeit. Partnerschaften – wie RIZE und Dassault Systèmes SOLIDWORKS Integration, Henkels Full-Value-Chain-Angebot (Custom Materials, Loctite Drucker, Druckservices) – vereinfachen Workflows. Konsolidierung durch Ökosystem-Kollaboration beschleunigt Adoption.

10. Fehlende digitale Infrastruktur

Effiziente AM-Produktion erfordert ein digitales Rückgrat, tailored zu seinen einzigartigen Workflows. Traditionelle Manufacturing-IT-Lösungen fallen oft kurz. Dedizierte AM Workflow Management Software trackt Requests, Printability, Maschinenanalytics, Scheduling, Post-Processing, Supplier-Kommunikation.

Ein zentralisiertes System bietet Traceability, Produktionsplanung, Datensynchronisation – enabling nahtlose Integration in digitale Manufacturing-Umgebung.

Die sich wandelnde Industrie

Über das letzte Jahrzehnt evolvierte AM vom Prototyping-Tool zur viable Produktionstechnologie. Innovationen in Speed, Materialwissenschaft, Automatisierung, Standards und Workforce Development treiben diesen Shift. Während Firmen kollaborieren, standardisieren und strategisch investieren, wird additive Fertigung weiter reifen und across Sektoren expandieren.

Lesen Sie unseren vorherigen Experten-Roundup zur Zukunft industriellen 3D-Drucks für weitere Insights.