Der Fall für den 3D-Druck in der Fertigung

In den letzten Jahren gab es einen enormen Hype um die additive Fertigung (und den 3D-Druck). Aber ist die Technologie wirklich für alle Hersteller machbar? Es kommt darauf an.

Von Körperteilen bis hin zu Häusern, der 3D-Druck, im Fertigungssektor auch als Additive bekannt, hat sich schnell von einer schlagzeilenträchtigen Technologie-Modeerscheinung für Verbraucher zu einem praktikablen, zugänglichen Mittel zum Bauen von Dingen wie medizinischen Implantaten, Automobil- und Luftfahrtteilen entwickelt. und Kunststoffprototypen für Industriedesigner.

Was genau ist additive Fertigung? Der MIT Technology Review beschreibt es als die industrielle Version des 3D-Drucks, bei der eine Maschine „ein Objekt baut, indem sie ultradünne Materialschichten eine nach der anderen hinzufügt“. Anstelle herkömmlicher Bearbeitungsarbeiten, bei denen Elemente aus vorhandenem Material subtrahiert oder entfernt werden (wie bei der konventionellen Metallbearbeitung, beim Fräsen und bei der CNC-Bearbeitung), baut die additive Fertigung von Grund auf auf.

Was sind die Vorteile der additiven Fertigung? Es bietet Unternehmen breitere Optionen zur Innovation und kundenspezifischen Fertigung an interne Werkzeuge und Teile- und Materialanforderungen der Kunden – und um Kosten zu senken, indem „die Menge an Materialverlust während der Herstellung verringert, die Produktausbeute verbessert und/oder der Arbeitsaufwand reduziert wird“. an Deloitte University Press in einem Artikel über 3D-Anwendungen für Werkzeuge.

3D-Druck:Die Akzeptanz der additiven Fertigung nimmt zu

Laut einer Studie von PwC und The Manufacturing Institute haben etwa zwei Drittel der Hersteller die Technologie bereits in irgendeiner Form übernommen, und mehr als die Hälfte nutzt sie bereits für das Prototyping – ein deutlicher Anstieg gegenüber nur zwei Jahren zuvor mit 35 Prozent von Herstellern, die die Technologie ausprobieren.

Und wie die Umfrage weiter andeutet, gehen die Hersteller davon aus, dass das rasante Wachstum rund um Additive noch weiter an Fahrt gewinnen wird. Mehr als die Hälfte der Hersteller erwarten, dass die additive Fertigung innerhalb der nächsten fünf Jahre für die Massenproduktion eingesetzt wird, verglichen mit nur 38 Prozent vor zwei Jahren.

Der Markt für additive Fertigung für Metalle unterstützt diese Erkenntnisse. Laut der Studie „Additive Manufacturing with Metal Powders 2017“ von SmarTech Publishing belief sich der Markt für additive Fertigungssysteme und Metallpulvermaterialien im Jahr 2016 auf über 950 Millionen US-Dollar – und soll bis 2026 auf 6,6 Milliarden US-Dollar anwachsen.

3D-Druck, Herausforderungen bei der additiven Fertigung:Zeit und Kosten

Trotz des enormen Hypes um die additive Fertigung gibt es einige Einschränkungen zu verstehen. Erstens kann die additive Fertigung langsam in der Produktion sein. Die Art von Volumen zu produzieren, die Sie mit der CNC-Bearbeitung von Metallen erreichen, ist kein Vergleich von Äpfeln zu Äpfeln.

„Bei Metallen ist das ein anderes Thema“, sagt Gordon Styles, Gründer und Präsident von Star Rapid, in einem Interview mit Engineering.com. „Es macht keinen Sinn, etwas in 3D zu drucken, das für die CNC-Bearbeitung ausgelegt ist. es wird natürlich viel langsamer zu drucken sein, da die Druckzeit relativ zum Materialvolumen ist. Die meisten Metallteile, die für CNC entwickelt wurden, sind voluminös und brauchen daher lange auf einem 3D-Drucker.“

Mehrere Unternehmen arbeiten daran, den Prozess zu beschleunigen, bemerkt Styles. Aber diese verbesserte Technologie wird Unternehmen vor eine weitere große Herausforderung stellen:die Kosten. Die additive Fertigung kann kostspielig sein, daher ist es wichtig, alle „Kostenhebel“ zu verstehen, findet Jason T. Ray, ein Berater für fortschrittliche industrielle Fertigungsstrategien.

„Aufgrund der Neuheit von AM [Additive Manufacturing] und der hohen Vorabinvestitionskosten, die für den Kauf der Maschinen erforderlich sind, verwandeln sich die Anwendungsfälle oft in einen Hammer, der nach Nägeln sucht, und nicht in einen kosten-nutzengesteuerten Prozess“, bemerkt Ray in dem Artikel „ Calculating the Cost of Additive Manufacturing“ für das Magazin „Disruptive“. „Wenn dies geschieht, wird der Schwerpunkt auf Redesign reduziert, und Unternehmen produzieren am Ende Komponenten, die ursprünglich für traditionelle Fertigungsmethoden entwickelt wurden, und nutzen daher nur einen Bruchteil der mit AM verbundenen Vorteile für den Endverbrauch.“

Aber wie ein Bericht der University of Nottingham feststellte, könnte das nicht für immer der Fall sein. Ihre Theorie:Mit fortschreitender Maschinentechnologie werden die wirtschaftlichen Argumente für die Einführung von Additiven in der Produktion immer realistischer. Solange die Maschinen jedoch gleich bleiben, werden die Kosten weiterhin hoch bleiben.

„Während wir heute eingeschränkt sind, werden wir in 10 Jahren Hunderte von verfügbaren Materialien sehen“, sagte Styles gegenüber Engineering.com. „Das Problem ist nicht wirklich die Materialverfügbarkeit, sondern der Zeit- und Arbeitsaufwand für den Materialwechsel. Heute dauert es etwa 24 Stunden, bis eine Maschine für ein neues Material fertig ist.“

Es gibt jedoch einige Fälle, in denen die CNC-Bearbeitung teurer sein könnte als die additive Fertigung. Aber es gibt nur einen sicheren Weg, das herauszufinden.

„Am besten holen Sie sich einfach ein Angebot für die beiden Verfahren bei Ihrem Rapid-Prototyping-Dienstleister ein“, erklärt Styles. „Eine Faustregel lautet jedoch:Wenn das Teil CNC-bearbeitet werden kann, ist es wahrscheinlich billiger, es CNC-bearbeiten zu lassen – und in 90 % der Fälle trifft dies zu.“

Um das Ganze abzurunden, hebt Styles auch die Tatsache hervor, dass einige additive Materialien weitere Bearbeitung durch die CNC-Bearbeitung erfordern könnten, was das Entfernen von Stützstrukturen beinhalten würde. Und darüber hinaus stellt Hitze wahrscheinlich das größte Problem von allen dar und droht, Produkte im wahrsten Sinne des Wortes auseinander zu reißen.

3D-Druck in Fabriken:Kunststoff, Teile, Werkzeuge, Hybrid

Abgesehen von den Herausforderungen kann die additive Fertigung beim Prototyping aus Kunststoff einige große Vorteile haben. Bei der CNC-Bearbeitung für das Prototyping mit Kunststoff liegt das Problem in den zylindrischen Fräsern, die es schwierig machen, die rechtwinkligen Innenecken zu bearbeiten, die bei dieser Art von Konstruktionen üblich sind. Beim 3D-Druck sind die Möglichkeiten zur individuellen Anpassung – und Versuch und Irrtum beim Prototyping – für Produkt-, Teile- und Werkzeugdesigner sinnvoll.

Die additive Fertigung ist „ideal für kleine Stückzahlen, die eine schnelle Durchlaufzeit erfordern und von Einsparungen bei der Einrichtung, dem Rüsten und ähnlichen Vorbereitungszeiten profitieren, obwohl die tatsächlichen Pro-Teil-Zeiten viel höher sein können als bei einem rein subtraktiven Prozess“, findet Bob Warfield, CEO und Gründer von CNC Cookbook, in einem Artikel über Hybridbearbeitung (bei der additive und subtraktive Prozesse koexistieren).

Der Fall der additiven Fertigung für Teile und Werkzeuge

Die praktischen Anwendungsfälle für die additive Fertigung verdienen Beachtung. Mehrere der großen Industriehersteller nutzen das Potenzial von Additiven voll aus. Hier sind einige Beispiele von großen Industrieunternehmen.

GE erwartet, bei den 25.000 Kraftstoffdüsen für LEAP-Düsentriebwerke, die es jährlich herstellt, auf verschiedene Weise Geld zu sparen. Erstens verbrauchen additive Techniken weniger Material während der Produktion. Herkömmliche Techniken erforderten das sorgfältige Schweißen von 20 Teilen – und sie produzierten eine Tonne an verschrottetem Material, stellt MIT Technology Review fest.

„Die Entscheidung, ein kritisches Metalllegierungsteil in Massenproduktion herzustellen, das in Tausenden von Düsentriebwerken verwendet werden soll, ist ein bedeutender Meilenstein für die Technologie“, schreibt Martin LaMonica von MIT Technology Review. „Und während der 3D-Druck für Verbraucher und Kleinunternehmer viel Aufmerksamkeit erregt hat, könnte die Technologie in der Fertigung ihre größten kommerziellen Auswirkungen haben.“

Das additive Verfahren verwendet hier Hybridmetallpulver, die per Laserspritzen geformt werden, wodurch das Teil leichter wird, was zu Treibstoffeinsparungen für Fluggesellschaften führt. Der Prozess ist für den Hersteller kostengünstiger herzustellen – und das neue Teil senkt die Kosten des Kunden, was zu einer echten Win-Win-Situation führt.

Im Werkzeugbau liefert Deloitte überzeugende Argumente für den Einsatz von Additiven – mit detaillierten Beispielen aus der Praxis, bei denen Rapid Prototyping durch additive Prozesse die Vorlaufzeiten für Gussteile und für die interne Werkzeugherstellung erheblich verkürzt hat. Deloitte beschreibt, wie die Ford Motor Company die Vorteile von Additiven in großem Umfang für ihre EcoBoost-Motoren, Rotorhalterungen, Getriebeabdeckungen und Bremsrotoren für den Ford Explorer genutzt hat.

„Das Unternehmen nutzt AM zur schnellen Herstellung der Sandformen und Kerne, die zum Gießen von Prototypteilen verwendet werden“, bemerkt Deloitte. „Dies hat Ford geholfen, die Vorlaufzeit um bis zu vier Monate zu verkürzen, und dem Unternehmen Millionen von Dollar gespart.“

Der Fall für Hybridbearbeitung:Additiv und Subtraktiv

Apropos Hybrid:Hersteller von Werkzeugen für die additive Fertigung haben damit begonnen, Hybridmaschinen mit additiven und subtraktiven Fähigkeiten zu entwickeln – und sie sind ein durchaus sehenswerter Anblick. Diese „Hybrid“-Maschinen kombinieren die geometrische Freiheit des 3D-Drucks mit der Präzision der CNC-Bearbeitung.

„Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem Sie äußerst anspruchsvolle Teile in extrem geringen Mengen herstellen müssen, z. B. Ersatzteile für Turbinen in einer Wartungseinrichtung“, schreibt Warfield. „Eine [Hybrid-]Maschine wie diese könnte einfach ideal sein.“

Bei vielen dieser neuen Tools sind Hersteller jedoch auf die Herstellung von Einzelteilen beschränkt und können oft nicht direkt aus digitalen Dateien produzieren – etwas, das sie mit ausschließlich additiven Strategien erreichen könnten.

„Man muss sich den 3D-Metalldruck als befreiende Technologie vorstellen “, betont Styles. „Sie können jetzt scheinbar unmögliche Teile entwerfen und sie trotzdem herstellen lassen, aber der Schlüssel liegt darin, das Materialvolumen auf ein Minimum zu beschränken.“

Bei großen Herstellern macht sich Additiv bemerkbar. Aber selbst wie Deloitte feststellt, muss diese Wirkung in den richtigen Zusammenhang mit Innovation gestellt werden:

„Derzeit revolutioniert AM für die Herstellung von Werkzeugen die Lieferkette oder das Produktdesign nicht so sehr, sondern verbessert die Effizienz und Effektivität von Lieferketten und Produkten. Da sich die AM-Technologie jedoch weiter verbessert und der Einsatz von AM für Werkzeuge weiter zunimmt, kann sie die Lieferketten und Produkte von Unternehmen direkter beeinflussen, indem sie die Innovationsfähigkeit der Unternehmen erhöht.“

Hat Ihr Geschäft die additive Fertigung vollständig eingeführt? Was sind Ihre größten Herausforderungen mit der Technologie? Lass es uns unten in den Kommentaren wissen.