Warum 3D-Druck die moderne Fertigung revolutioniert

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

Von Körperteilen bis zu Häusern – 3D-Druck, in der Fertigungsbranche als additive Fertigung bekannt, hat sich schnell von einem medienwirksamen Tech-Trend für Verbraucher zu einer praktikablen, zugänglichen Methode entwickelt, Dinge herzustellen: medizinische Implantate, Automobil- und Luftfahrtbauteile, Kunststoffprototypen für Industriedesigner.

Was ist additive Fertigung genau? Das MIT Technology Review beschreibt sie als die industrielle Version des 3D-Drucks, bei der eine Maschine „ein Objekt durch ultradünne Materialschichten Schicht für Schicht aufbaut“. Statt traditioneller Zerspanung, die Material von einem bestehenden Werkstück abträgt (wie bei konventioneller Metallbearbeitung, Fräsen und CNC-Zerspanung) – baut additive Fertigung von Grund auf auf.

Was sind die Vorteile? Sie bietet Unternehmen breitere Innovationsoptionen und die Möglichkeit, Fertigung an interne Werkzeuge sowie Kundenbedürfnisse bei Teilen und Materialien anzupassen – und Kosten zu senken durch „Verringerung des Materialverlusts bei der Fertigung, Verbesserung der Produktausbeute und/oder Reduzierung von Arbeitseinsatz“, laut Deloitte University Press in einem Artikel zu 3D-Anwendungen für Werkzeuge.

3D-Druck: Einführung additiver Fertigung nimmt zu

Laut einer Studie von PwC und The Manufacturing Institute haben rund zwei Drittel der Hersteller die Technologie bereits in irgendeiner Form eingeführt, und mehr als die Hälfte nutzt sie bereits für Prototyping – ein signifikanter Sprung gegenüber nur zwei Jahren zuvor, als 35 % der Hersteller die Technologie testeten.

Und wie die Umfrage nahelegt, erwarten Hersteller, dass das schnelle Wachstum im additiven Bereich weiter an Fahrt gewinnt. Mehr als die Hälfte erwartet, dass additive Fertigung innerhalb der nächsten fünf Jahre für die Serienfertigung eingesetzt wird – verglichen mit nur 38 % vor zwei Jahren.

Der Markt für additive Metallfertigung stützt diese Ergebnisse. Laut SmarTech Publishings „Additive Manufacturing with Metal Powders 2017“ belief sich der Markt für additive Fertigungssysteme und Metallpulvermaterialien 2016 auf über 950 Millionen Dollar – und soll bis 2026 auf 6,6 Milliarden Dollar wachsen.

3D-Druck, additive Fertigung: Herausforderungen Zeit & Kosten

Trotz des enormen Hypes gibt es Einschränkungen zu beachten. Erstens: Additive Fertigung kann langsam in der Produktion sein. Die Volumenleistung von CNC-Zerspanung in Metallen ist nicht direkt vergleichbar.

„Bei Metallen ist es ein anderes Thema“, sagt Gordon Styles, Gründer und Präsident von Star Rapid, im Interview mit Engineering.com. „Es macht keinen Sinn, etwas 3D-zudrucken, das für CNC-Zerspanung ausgelegt ist; es wird naturgemäß viel langsamer zu drucken sein, weil die Druckzeit proportional zum Materialvolumen steht. Die meisten für CNC konzipierten Metallteile sind voluminös und dauern daher lange auf einem 3D-Drucker.“

Mehrere Unternehmen arbeiten an einer Beschleunigung, merkt Styles an. Doch diese verbesserte Technologie wird eine weitere große Herausforderung für Unternehmen mit sich bringen: Kosten. Additive Fertigung kann teuer sein, daher ist es wichtig, alle „Kostenhebel“ zu verstehen, so Jason T. Ray, Berater für fortschrittliche Fertigungsstrategie.

„Aufgrund der Neuheit von AM und der hohen Vorabinvestitionskosten für Maschinen entwickeln sich Anwendungsfälle oft zu einem Hammer, der nach Nägeln sucht, statt eines kosten-nutzen-getriebenen Prozesses“, bemerkt Ray im Artikel „Calculating the Cost of Additive Manufacturing“ für Disruptive Magazine. „Wenn das passiert, wird der Fokus auf Neugestaltung reduziert, und Unternehmen fertigen Komponenten, die ursprünglich für traditionelle Fertigungsmethoden konzipiert waren, und erfassen so nur einen Bruchteil der Endnutzen-Vorteile von AM.“

Ein Bericht der Universität Nottingham fand jedoch, dass das nicht ewig so bleiben muss. Ihre These: Je fortschrittlicher die Maschinentechnologie wird, desto wirtschaftlicher wird der Einsatz von additiver Fertigung in der Produktion. Solange die Maschinen gleich bleiben, bleiben die Kosten hoch.

„Heute sind wir begrenzt, aber in 10 Jahren werden wir Hunderte verfügbarer 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, eine Maschine für ein neues Material umzurüsten.“

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

„Der beste Weg ist, einfach ein Angebot für beide Prozesse von Ihrem Rapid-Prototyping-Dienstleister einzuholen“, erklärt Styles. „Eine Faustregel: Wenn das Teil CNC-gefräst werden kann, ist es wahrscheinlich günstiger, es CNC-zu fräsen – und in 90 % der Fälle ist das wahr.“

Zudem weist Styles darauf hin, dass einige additive Materialien Nacharbeit durch CNC-Zerspanung erfordern könnten – einschließlich Stützstruktur-Entfernung. Und Hitze stellt wohl das größte Problem dar, da sie Produkte buchstäblich auseinanderreißen kann.

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

Herausforderungen beiseite: Beim Prototyping in Kunststoff kann additive Fertigung große Vorteile bieten. Beim CNC-Fräsen von Kunststoffprototypen liegt das Problem in den zylindrischen Schneidern, die innere rechte Winkel – in solchen Designs üblich – schwer zerspanbar machen. Beim 3D-Druck eröffnen die Möglichkeiten zur Anpassung – und Trial-and-Error beim Prototyping – Sinn für Produkt-, Teile- und Werkzeugdesigner.

Additive Fertigung ist „ideal für kleine Stückzahlen, die schnelle Durchlaufzeiten benötigen und von Einsparungen bei Rüstzeiten, Werkzeugvorbereitung und ähnlichen Vorlaufzeiten profitieren – obwohl die tatsächlichen Teilezeiten viel höher sein können als bei rein subtraktiven Prozessen“, findet Bob Warfield, CEO und Gründer von CNC Cookbook, in einem Artikel über hybride Bearbeitung (wo additive und subtraktive Prozesse koexistieren).

Der Fall für additive Fertigung bei Teilen & Werkzeugen

Die realen Anwendungsfälle für additive Fertigung verdienen Aufmerksamkeit. Mehrere große Industriebetriebe nutzen das Potenzial voll aus. Hier sind Beispiele von großen Playern.

GE erwartet, bei den jährlich 25.000 Kraftstoffdüsen für LEAP-Triebwerke auf verschiedene Weise Geld zu sparen. Erstens nutzen additive Techniken weniger Material. Konventionelle Verfahren erforderten 20 Teile, die aufwendig verschweißt wurden – und produzierten eine Tonne Ausschuss, so MIT Technology Review.

„Die Entscheidung, ein kritisches Metalllegierungsteil in Serie zu fertigen, das in Tausenden von Triebwerken eingesetzt wird, ist ein bedeutender Meilenstein für die Technologie“, schreibt Martin LaMonica vom MIT Technology Review. „Und während 3D-Druck für Verbraucher und kleine Unternehmer viel Publicity erhielt, könnte die Technologie in der Fertigung ihre bedeutendste kommerzielle Wirkung entfalten.“

Der additive Prozess hier verwendet Hybrid-Metallpulver, die per Laser aufgespritzt werden, was das Teil leichter macht und Airlines Treibstoff spart. Der Prozess ist für den Hersteller günstiger – und das neue Teil reduziert die Kosten beim Kunden: ein echtes Win-Win.

Im Werkzeugbau macht Deloitte einen überzeugenden Fall für additive Fertigung – mit realen Beispielen, wo Rapid Prototyping via additiver Prozesse Lieferzeiten für Gussformen und interne Werkzeugfertigung erheblich reduziert hat. Deloitte beschreibt, wie Ford Motor Company additive Fertigung großflächig für EcoBoost-Motoren, Rotorhalter, Getriebeabdeckungen und Bremsscheiben des Ford Explorer nutzt.

„Das Unternehmen nutzt AM, um Sandformen und -kerne für Gussprototypen schnell herzustellen“, so Deloitte. „Das hat Ford geholfen, die Lieferzeit um bis zu vier Monate zu verkürzen und Millionen Dollar einzusparen.“

Der Fall für hybride Bearbeitung: Additiv und Subtraktiv

Hersteller additiver Fertigungswerkzeuge entwickeln Hybridmaschinen mit sowohl additiven als auch subtraktiven Fähigkeiten – und sie sind beeindruckend. Diese „Hybrid“-Maschinen verbinden die geometrische Freiheit des 3D-Drucks mit der Präzision der CNC-Zerspanung.

„Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem Sie extrem niedrige Stückzahlen extrem komplexer Teile benötigen – beispielsweise Ersatzteile für Turbinen in einer Wartungswerkstatt“, schreibt Warfield. „Eine solche [Hybrid-]Maschine könnte genau das Richtige sein.“

Doch bei vielen dieser neuen Tools sind Hersteller auf die Fertigung einzelner Teile beschränkt und können oft nicht direkt aus digitalen Dateien produzieren – was sie mit rein additiven Strategien könnten.

„Man muss Metall-3D-Druck als befreiende Technologie betrachten“, betont Styles. „Man kann nun scheinbar unmögliche Teile entwerfen und sie dennoch herstellen, aber der Schlüssel ist, das Materialvolumen minimal zu halten.“

Für große Hersteller wirkt additiv. Doch wie Deloitte anmerkt, muss diese Wirkung in den richtigen Innovationskontext gestellt werden:

„Derzeit revolutioniert AM für die Werkzeugfertigung Lieferketten oder Produktdesign nicht so sehr, wie es die Effizienz und Effektivität von Lieferketten und Produkten verbessert. Doch wenn sich AM-Technologie weiter verbessert und der Einsatz von AM für Werkzeuge zunimmt, könnte es die Fähigkeit gewinnen, Lieferketten und Produkte direkter zu beeinflussen, indem es die Innovationsfähigkeit von Unternehmen erhöht.“

Hat Ihre Werkstatt additive Fertigung vollständig eingeführt? Was sind Ihre größten Herausforderungen mit der Technologie? Lassen Sie es uns in den Kommentaren unten wissen.