Verfahren mit Potenzial

3D-Druck für die Industrie

Umfragen zufolge steht die hiesige Industrie bei der generativen Fertigung weltweit vorne. Eine Verdrängung traditioneller Produktionsmethoden ist zwar nicht in Sicht, schon gar nicht in der Massenfertigung. Aber es gibt Aufgaben wie den Werkzeugbau, die bald eine vom 3D-Druck getriebene Revolution erfahren könnten. Dass es dabei nicht immer Metalldruck sein muss, zeigen die Desktop 3D-Drucker von Ultimaker, die Kunststofffilamente in hoher Qualität drucken und deutlich mehr als Prototypenbau auf dem Kasten haben.

Bild: Ultimaker B.V.

Kosten, Produktivitätsgewinn und Zeitersparnis zählen zu den klassischen Kriterien einer Investitionsentscheidung – insbesondere dann, wenn es um Produktionsmittel geht. Vor allem beim Prototyping sowie bei Kleinserien spielen 3D-Drucker heute ihre Vorteile aus. Mit den Verfahren der additiven Fertigung entfällt das Herstellen von Formen und die Rüstzeit bei Maschinen. Im Vergleich zu substraktiven Verfahren (zum Beispiel die spanende Fertigung) entfallen auch oft ganze Bearbeitungsschritte. Dazu kommt, dass ein 3D-Druck meist weniger Energie verbraucht als das traditionell hergestellte Pendant. Das gilt im Allgemeinen für die unterschiedlichen Verfahren des 3D-Drucks sowie für verschiedene Werkstoffe. Bei großen Stückzahlen, in der Serienfertigung und wenn es um metallische Werkstoffe geht, ist der 3D-Druck hingegen im Nachteil. Dennoch gibt es immer mehr Beispiele, wo 3D-Drucker eine zentrale und sogar strategische Rolle in der Fertigung einnehmen. Gerade zur Verarbeitung von Kunststoffen gibt es 3D-Drucker, die selbst nach industriellen Maßstäben präzise, hochwertig und zuverlässig arbeiten. Vor allem aber zeigt ‚Additive Manufacturing‘ seine Stärken, wo konventionelle Fertigung an Grenzen stößt.

Potenzial zur Disruption

Mit 3D-Druckern können Geometrien und Konstruktionen erstellt werden, die man mit klassischen Fertigungsverfahren so nicht realisieren kann, etwa Strukturen innerhalb von Hohlkörpern. Oder bionische Konstruktionen, wie sie Knochen mit ihren Versteifungsstrukturen haben. Diese haben die gleichen Steifigkeits- und Lastwerte wie regulär gefertigte Bauteile, sind aber deutlich leichter. Darüber hinaus muss sich der Entwickler beim Entwurf keine Gedanken um die Frage machen, ob sich die Konstruktion überhaupt fertigen lässt. Gleichzeitig ist die iterative Schleife von Konstruktion, Test des Bauteils und überarbeiteter Konstruktion mit Verfahren des 3D-Drucks schneller. Prozesse, die bisher oft Wochen dauerten, können jetzt über Nacht optimiert werden. Wenn die Software mitspielt, lassen sich 3D-Modelle per Klick verändern und Designs umgehend digital simulieren. Läuft der Druck über Nacht durch, können am Morgen die nächsten Tests beginnen. Der Erfolgsfaktor für diese Disruption ist der Entwickler selbst. Zwar sind moderne Konstruktions- und Simulationstools erforderlich, um Vorteile auf generativen Verfahren zu schöpfen. Doch der Konstrukteur muss – vielleicht entgegen jahrelanger Routine – den Verbesserungen auf die Spur kommen: Etwa Ideen für Gitterstrukturen entwickeln oder nach Volumenanteilen suchen, die keine Last aufnehmen, aber bisher auf Grund des Fertigungsverfahrens im Bauteil vorhanden waren.

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Neue Geschäftsmodelle

Mit 3D-Druck lassen sich Produkte so preiswert und einfach wie nie zuvor individualisieren. Designoptionen für Schuhe, Brillen und vieles andere lassen sich als Druckprogramme hinterlegen und den Endkonsumenten anbieten. Der Käufer wählt und ein Drucker (unter Umständen sogar vor Ort) druckt das gewünschte Teil aus. Dieses Prinzip gilt auch für die produzierende Industrie: Bauteile, Komponenten aus Plastik, aber auch Montagevorrichtungen oder Werkzeuge für die Produktion können aus dem 3D-Drucker kommen. Damit entfallen wichtige Elemente der Logistikkette. Manches muss nicht mehr zentral produziert werden, um es dann zu verschicken. Erzeugnisse können an regionalen Standorten hergestellt werden – oder im Laden selbst. Potential bietet auch das Ersatzgeschäft. Es könnte künftig immer weniger auf Lager produziert werden, sondern nach Bedarf. Für viele Produkte entfallen die Abkündigungen. Solange es die CAD-Datei des Bauteils gibt, druckt man es nach.

Bild: Ultimaker B.V.

95 Prozent der Kosten gespart

Ob es um Prototypen, Kleinserien oder um echte Massenproduktion geht, die Möglichkeiten des 3D-Drucks für Konstruktion, Design und Innovation sind noch beinahe unerschlossen. Doch schon heute zeigen praktische Anwendungen, wie sich die Geschäftsmodelle künftig verschieben könnten. Das Werk von Volkswagen Autoeuropa in Portugal druckt zum Beispiel seine Werkzeuge, Montagevorrichtungen und Halterungen selbst. Das Resultat: 91 Prozent geringere Werkzeugentwicklungskosten und 95 Prozent kürzere Entwicklungszeiten. Das Werk sparte im Jahr 2016 geschätzt 150.000 Euro, für 2017 rechnen die Verantwortlichen mit einer Ersparnis von 325.000 Euro. Hinzu kommt, dass sich Werkzeuge ergonomischer gestalten lassen, da sich Feedback von Arbeitern viel leichter in Design-Iterationen einbringen lässt.

Voraussetzung für 3D-Druck

Die Druckqualität bei Kunststofffilamenten hat längst ein Niveau erreicht, dass auch industriellen Qualitätsansprüchen genügt. Ultimaker, ein niederländischer Anbieter von Desktop-3D-Druckern kann etwa bis zu 0,02 Millimeter feine Schichten auftragen. Für Menschen sind die einzelnen Schichten praktisch nicht mehr zusehen oder zu fühlen. Das Verfahren selbst – also die Hardware-Anforderungen der Drucker- ist weiterhin sehr wichtig, mittlerweile jedoch nicht mehr das zentrale Kriterium für den Einsatz von 3D-Druck. Oft fehlt es den produzierenden Unternehmen schlicht an Erfahrungen auf diesem Feld, die sich aber durch die Zusammenarbeit mit einem externen Anbieter kompensieren ließe. Neben dem Knowhow der Mitarbeiter ist die Software der entscheidende Faktor. Zum einen muss der 3D-Drucker Daten aus den gängigen CAD-, CAM– und PLM-Lösungen verarbeiten können. Das heißt eine 3D-Zeichnung muss in Scheiben (Slices) geschnitten werden, die ein 3D-Drucker verarbeiten kann. Gängige Formate sind heute STL, 3MF und OBJ. Neben den Schnittstellen muss sich eine Slicing-Software im professionellen Betrieb einfach bedienen lassen und die Hardware präzise steuern. Die mechanischen Bewegungen des Extruders zu kontrollieren, ist komplex und Unterbrechungen beim Druckvorgang sind kritisch. Da die Herstellung von komplexen Werkstücken mehrere Stunden dauern kann und so oft über Nacht geschieht, muss die Software derartige Herausforderungen bewältigen, ohne dass es zu Qualitätsverlusten kommt oder der Druck gar abgerochen wird. Die verschiedenen Kunststofffilamente verhalten sich im Druckverfahren unterschiedlich und Kriterien wie Schichtstärke sowie Masse des aufgetragenen Materials beeinflussen den Druckvorgang und müssen gesteuert werden. Die Software sollte also erkennen, mit welchen Materialien ein Drucker bestückt ist und die Aufträge entsprechend konfigurieren. Für den industriellen Einsatz sollten zudem mehrere Drucker über eine Oberfläche gesteuert werden können: Netzwerkfunktionen müssen Drucker auswählen, gruppieren, in der Warteschlange organisieren und Druckvorgänge überwachen sowie Wartungsaufträge planen können. Zudem können aktuelle Systeme Mitarbeiter benachrichtigen, wenn sie gewartet werden müssen.

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Innovationen aus Kunststoff

Die additive Fertiung von Metall spielt schon heute eine wichtige Rolle und gilt vielen als der Erfolgsfaktor dieser Technologien für den industriellen Einsatz. Aber noch werden am häufigsten Polymere im 3D-Druck verwendet und es gibt Szenarien, in denen Kunststoffe konstruktionsbedingt Metalle ablösen könnten. Zudem kommen auf der Werkstoffforschung immer wieder polymere Innovationen, die sich statt Metall verwenden lassen, ohne die Funktionalität einzuschränken. Und nicht zuletzt lassen sich über 3D-Druck bisher unmögliche Geometrien und Strukturen realisieren. So könnte ein ausgeklügeltes Kunststoffteil die leichtere, stabilere oder einfach die günstigere Alternative zu einem Metallteil sein.

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