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Generative Fertigung

Ohne Rüsten in Losgröße Eins produziert

Wird ein Bauteil auf die Fertigung im 3D-Drucker optimiert, kann es im Einzelfall mit 90 Prozent weniger Material die gleiche Leistung bringen wie ein herkömmlich produziertes. Das ist einer der Gründe, warum die generative Fertigung in Branchen wie der Luftfahrt schon heute nicht mehr wegzudenken ist. Doch um das volle Potenzial dieser neuen Verfahren auszuschöpfen, braucht es anspruchsvolle und gut vernetzte Engineering-Software.

Generative Fertigung | Additive Manufacturing | Losgröße 1 | CAD | 3D-Druck | 3D-Drucker

Bild: Dassault Systemes Deutschland GmbH

Im Gegensatz zu den Material abtragenden Verfahren wie Fräsen oder Bohren wird beim 3D-Druck Material Schicht für Schicht aufgetragen, um ein Bauteil in Form zu bringen. Wo andere Verfahren an ihre Grenzen stoßen, eröffnet diese Fertigungstechnik neue Möglichkeiten: Mehr Freiheiten bei der Konstruktion, mehr Kosteneffizienz und nahtlose Digitalisierung. Für die Verfahren der additiven Fertigung sind 3D-Modelle von Bauteilen notwendig, die hohe Anforderungen an Konstruktions- und Simulationstools stellen. Um das Potenzial der auftragenden Fertigung auszuschöpfen, muss sie schon früh – also bei der Erstellung von 3D-Datensätzen mit softwaregestützten Methoden – mitgedacht werden und sich dann über die Bauteiloptimierung, den Druckvorgang sowie die Nachbearbeitung der gedruckten Teile erstrecken.

Wie gemacht für die Losgröße Eins

Zunächst werden die 3D-Modelle am Bildschirm in Schichten zerlegt, um dann die dreidimensionalen physischen Teile aus sehr dünnen Schichten aufeinander drucken zu können. Aus den Modellen wird ein Code generiert, der zum Steuern der Druckmaschine dient. Ein großer Vorteil: Die Maschinen in der additiven Fertigung glänzen ohne große Umrüstzeiten bei der Produktion in Losgröße Eins. Auch weil die durchschnittlichen Druckkosten konstant bleiben, ist es momentan besonders interessant, den 3D-Druck bei kleineren Mengen einzusetzen. Bei der Massenfertigung bringen die üblichen Fertigungsverfahren bislang unschlagbare Skaleneffekte mit sich. Auf lange Sicht gesehen zeichnet sich ab, dass der technologische Fortschritt und die Optimierungsmöglichkeiten von Bauteilen die Gewinnspanne der additiven Fertigung auch bei großen Produktionsmengen ausdehnt – denn die Stückkosten beim 3D-Druck werden kontinuierlich reduziert. Damit könnten sich die Produktionskosten im additiven Bereich den Stückkosten einer Massenfertigung zumindest annähern.

 

In vielen Branchen schon heute unersetzlich

In einigen Branchen ist die generative Fertigung schon heute nicht mehr wegzudenken: Gerade die Luftfahrt-, Medizintechnik- und Konsumgüterindustrie sind einer Bitkom-Studie aus dem Jahr 2017 zufolge die größten Wachstumsmärkte für die neuen Verfahren. Hier können sie mit einem weiteren Merkmal glänzen: Sie vereinfachen die Massen-Individualisierung deutlich. In kurzer Zeit können individuelle Teile oder Kleinserien auf Bestellung gefertigt und die Produktion einer schwankenden Marktnachfrage angepasst werden. Außerdem können mittels 3D-Druck Bau- und Ersatzteile je nach Bedarf und vor Ort gefertigt werden. Das reduziert Lager- und Transportkosten.

Materialverbrauch und Kosten sinken

Die traditionellen Herstellungsverfahren legen der Konstruktion eine Reihe von Beschränkungen auf. Einige davon spielen beim 3D-Druck keine Rolle mehr. Es werden beispielsweise organisch wirkende Formen möglich, die sich an der Natur orientieren und Anforderungen an das Bauteil besser erfüllen, als es mit regulär gefertigten Teilen möglich wäre. In der oben genannten Studie heißt es, dass sich durch eine bionische Konstruktionsmethodik Materialgewicht und Gesamtmaterialverbrauch einzelner Teile um bis zu 90 Prozent reduzieren ließe. Nach einem Rechenbeispiel kann bei einem Airbus A350 durch Leichtbau bis zu einer Tonne Gewicht gespart werden, was auch den CO2-Ausstoß verringert. Insgesamt lassen sich dabei durch additive Fertigung bis zu 70 Prozent der Produktionszeit und 80 Prozent der Herstellungskosten einsparen. Eine Studie zu Chancen und Risiken von Additive Manufacturing für die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie, vom VDW in Auftrag gegeben, zeigt, dass sich die Fertigungstechnik aus diesen Gründen auch immer mehr in die bestehende Wertschöpfungskette der Metallbearbeitung integrieren werde. Um das Potenzial der additiven Fertigung weitreichend zu nutzen, braucht es mehr als eine leistungsfähige Konstruktionssoftware. Für den französischen Softwarekonzern Systèmes Dassault ist die Vernetzung der verschiedenen Engineering-Werkzeuge der Schlüssel, um auf einer einheitlichen Datenbasis ein Gesamtsystem zu schaffen, das den Prozess der generativen Fertigung durchgängig digital abbilden kann. Für diese Aufgabe stellt Dassault seine 3D-Experience-Plattform zur Verfügung. Diese vernetzt Akteure und hilft, Konstruktionsdaten unternehmens- und abteilungsübergreifend zu verwalten. Auf diese Weise könnten so weltweit an unterschiedlichen Standorten die gleichen Bauteile in einheitlicher Qualität additiv hergestellt werden – der Einsatz gleicher Drucker und Pulver vorausgesetzt.

Mit CAD-Programm und Simulation verzahnt

Für die Produktion mittels 3D-Druck optimierter Teile sollten Hersteller ihre CAD- und Simulationsprogramme mit dem Produktionsprozess verzahnen: Simulationen helfen dem Konstrukteur, neue Entwürfe anzufertigen. Indem die 3D-Simulationsanwendung direkt auf die Konstruktionsdaten aus dem CAD-Programm zugreift, kann sie auf Knopfdruck errechnen, ob physikalische Kriterien wie Festigkeit, Wärmeleitung, Rheologie erfüllt werden. Ist das nicht der Fall, lässt sich die Konstruktion so lange innerhalb der Simulation verändert, bis die Eigenschaften stimmen und eine für die Fertigung sinnvolle Konstruktion entstanden ist. Wenn die Simulation den Entwicklungs- und Produktionsprozess dauerhaft begleitet, haben die Konstrukteure einen wertvollen Informationspool zur Verfügung. Dieser kann sie in die Lage versetzen, mit den vergleichsweise neuen Ansätzen der additiven Fertigung Versuche anzustellen, ohne zuviel Zeit aufwenden zu müssen. Und aus Experimenten neugieriger Ingenieure ist schon so manche Innovation entstanden.

Generatiive Fertigung - 3d-CAD-Modell

Bild: Dassault Systemes Deutschland GmbH

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