IPL-Magazin 38 | Januar 2017 | Autor: Dr. Matthias Pfeffer

Von Rapid Prototyping zur Serienfertigung - 3D-Druck von Heute

3D-Druck war einst ein Fertigungsverfahren für den Prototypenbau. Heute wird der 3D-Druck als das Fertigungsverfahren betrachtet, das die Zukunft der industriellen Produktion gestalten wird.   

 

Dr. Matthias Pfeffer

Nach den Angaben der Marktforschungsfirma IDC werden die weltweiten Ausgaben für 3D-Druck 2020 den geschätzten Umsatz des Jahres 2016 von 14,2 Mrd. € verdoppeln und auf 31,5 Mrd. € steigen.

Der Unternehmensberater Roland Berger prognostiziert eine Verdopplung des Marktes für professionellen 3D-Druck alle 5 Jahre bis 2023. 

 

Einer Umfrage der Firma Freudenberg IT aus 2015 zufolge sind 45 % der befragten mittelständischen Unternehmen davon überzeugt, dass durch 3D-Druck Kosten- und Effizienzvorteile in der Produktion realisiert werden können.

 

 

Einsatzgebiete

3D-Druck ist weiterhin ein wichtiges Fertigungsverfahren für den Prototypenbau. Mit Hilfe dessen wird die Dauer der Produktentwicklung durch eine schnelle Produktgestaltung und Prototypenfertigung erheblich verkürzt. 

Darüber hinaus wird der 3D-Druck heute auch bei der Herstellung von Werkzeugen sowie in der Serien- und  Ersatzteilproduktion eingesetzt. 

Die Vorteile wie die Gewichtsersparnis durch Hohlbauten und komplexer Geometrien sowie die Eliminierung der Montagevorgänge durch Fertigung hochkomplexer Bauteile stellen für die Industrieunternehmen Potentiale hinsichtlich der Produktionsoptimierung dar. 

 

Von heutigen Anwendern des 3D-Drucks werden folgende Zahlen zur Serien- und Werkzeugproduktion bekannt gegeben:

  • Die Produktionszeit von Montagewerkzeugen wird bis zu 94 % verkürzt.
  • Das Gewicht der Werkzeuge wird bis zu 70 % verringert.
  • Die Materialkosten der Werkzeuge werden bei Volvo von 100 €/cm3 auf 1 €/cm3 reduziert.
  • Die Montagewerkzeuge werden bei BMW durch Neugestaltung um 1,3 kg reduziert.
  • Die Produktionskosten von Werkzeugen werden bei Opel um 90 % reduziert.
  • Die Materialkosten werden für Bauteile aus gleichem Material durch Veränderung der Produktgeometrie bis zu 50 % reduziert.
  • Boeing hat bis heute über 22.000 Bauteile mit 3D-Druck gefertigt, die in unterschiedlichen Flugzeugen verbaut werden.

 

Potenziale und Trends im 3D-Druck
Potenziale und Trends im 3D-Druck | Foto: © prescott09 / Fotolia

Nicht zuletzt stellt die Ersatzteilproduktion ein wichtiges Einsatzgebiet für die 3D-Drucker dar. Die Hersteller sind verpflichtet, dem Kunden nach Ablauf der Serienproduktion bei Bedarf für mehrere Jahre Ersatzteile zu liefern. Diese Mindermengen führen entweder zu hohen Fertigungskosten aufgrund suboptimaler Losgrößen oder zu hohen Lagerhaltungskosten im Falle einer Endbevorratung.

Mit den 3D-Druckern können die Ersatzteile selbst Jahre nach Ablauf der Serienproduktion nach Kundenbedarf zu den gleichen Kosten wie in der Serienproduktion produziert werden. Deutsche Automobilhersteller sehen das Potential bereits und investieren daher in diesen Fertigungsverfahren. 

Seit September 2016 bietet Mercedes-Benz 30 Ersatzteile, die mit 3D-Druck „on demand“ gefertigt werden. Der Konzern legt viel Wert auf diese Technologie und die Zahl der Artikel wird kontinuierlich wachsen.

 

Zukunft des 3D-Drucks

Geschwindigkeit

Heute braucht ein 3D gedrucktes Bauteil je nach Größe bis zu 12 Stunden, in Extremfällen auch länger, bevor es fertig ist. Damit weisen die 3D-Drucker eine hohe Durchlaufzeit auf und bilden schnell einen Engpass, wenn die Produktionszahl steigt. Die Tendenz zeigt, dass die Geschwindigkeit der Anlagen sich in naher Zukunft erheblich erhöhen wird. 

Es gibt bereits Prototypen im Bereich des Metall-Drucks, die heutige Druckgeschwindigkeiten verzehnfachen und damit bis zu 110 cm3 Material pro Stunde drucken können. Sie sollen 2017 auf den Markt kommen.

 

Kosten 

Die 3D-Drucker, insbesondere die metallverarbeitenden Anlagen, können Investitionen in Höhe von über 1 Mio. € verlangen. Diese hohen Investitionssummen erschweren für einige Unternehmen den Übergang zum 3D-Druck. Marktforscher vermuten, dass die Beschaffungskosten mit der Reifung der Technologie sinken werden.

Neben den hohen Investitionen können diese Drucker auch hohe Energiekosten verursachen, denn gerade bei metallverarbeitenden Anlagen wird der gesamte Arbeitsraum des Druckers stark aufgeheizt. Sicherlich ist es zu erwarten, dass dank der Forschungen und Weiterentwicklungen die neueren Generationen der 3D-Druckern eine verbesserte Energieeffizienz ausweisen.

 

Produktvielfalt

Heute werden zwar noch überwiegend kleine Bauteile mit 3D-Druckern gefertigt aber die 3D-Drucker, die entweder mehrere kleine Bauteile gleichzeitig oder ein großes Bauteil fertigen können, sind schon am Markt erhältlich. In der Zukunft können die Druckköpfe an Robotern befestigt werden. Die Kombination der Freiheitsgrade eines Roboters und der Technologie des 3D-Drucks wird neue Anwendungsdimensionen ermöglichen. Ein aktuelles Forschungsprojekts „High Performance 3D-Druck“ untersucht dieses Potential und entwickelt die ersten Prototypen. 

3D-Drucker kommen auch zusammen mit Nanotechnologie zum Einsatz. So haben Jennifer Lewis und ihr Team aus Harvard University geschafft, eine Batterie in der Größe eines Sandkorns zu drucken. Der 3D-Druck wird in naher Zukunft die Entwicklung der Nanotechnologie beschleunigen und dazu beitragen, dass diese Technologie ihr Marktvolumen vergrößert.

Ziel der Industrie für den 3D-Druck ist es, komplexe, funktionstüchtige Produkte und Produktsysteme wie Sensoren, Batterien, elektronische Bauteile und vieles mehr möglichst ohne weiteren Montageaufwand zu fertigen. Durch die Reduzierung der Einzelteile wird der Lagerhaltungsaufwand für Unternehmen erheblich sinken.

 

Materialien

Während die ersten 3D-Drucker mit Kunststoff gearbeitet haben, kommen heute bei der industriellen Produktion viel mehr Metalle zum Einsatz. Laut der Experten aus der Industrie liegt die Zukunft des 3D-Drucks in der Verarbeitung verschiedener Materialien zu einem Produkt und wobei zunehmend Verbundwerkstoffe in der Produktion eingesetzt werden. Beispielweise können beim Drucken eines Bauteils aus kohlefaserverstärktem Kunststoff diese beiden Komponenten im Druckkopf zusammengesetzt werden.

Neben Kunststoff und Metall werden bereits heute auch ganz andere Materialgruppen in der Fertigung mit 3D-Druckern verarbeitet, die in Zukunft zunehmend zum Einsatz kommen werden. Beton ist hierfür ein gutes Beispiel. Es gibt bereits Anlagen, die in der klassischen Portalbauform ganze Hauswände drucken können. Auch Lebensmittel, wie z.B. Schokolade, können mit einem 3D-Drucker verarbeitet werden.

 

Einsatzorte

Bereits heute finden die 3D-Drucker sowohl im Alltag von Privatkunden als auch in der Industrie Einsatz. Während die großen, insbesondere die metallverarbeitenden Anlagen in den Fabriken eingesetzt und in industriellen Produktionsprozessen genutzt werden, kommen kleine Drucker, die in der Regel Kunststoff verarbeiten, in privaten Haushalten oder kleinen Geschäften zum Einsatz. 

Experten aus der Industrie erwarten, dass in Zukunft die Produkte viel mehr dort produziert werden, wo sie gebraucht werden. Viele Produkte werden demzufolge nicht mehr zum Kunden geschickt, sondern nur die Modelle, von denen der Kunde das Produkt selber druckt. PWC berichtet, dass die zukünftige „vor Ort“ Produktion für 40% des Luft- und Seefrachtvolumens eine Gefahr darstellt. Sicherlich wird der 3D-Druck in Zukunft das Thema des globalen Supply Chain Managements neu definieren. Laut Biz Stone, dem Mitgründer von Twitter, könnte Nike in 10 Jahren somit ein reines Softwareunternehmen werden.

 

Fälschung

Fälschung wird ein wichtiges Thema sein, wenn die Produkte von jeder beliebigen Person mit universellen 3D-Druckern hergestellt werden können. Daher müssen Unternehmen Maßnahmen ergreifen, einer unberechtigten Vervielfältigung ihrer Produkte vorzubeugen. 

Dabei können komplexe und individuelle Bauteile Produktpiraten daran hindern, die Produkte zu kopieren. Das Kopieren eines hochkomplexen Bauteils, das unter anderem eine komplexe Geometrie und eine Funktionsintegration aufweist, kann mit einem einfachen 3D-Scanner nicht erfolgen. Ein digitales Modell eines hochkomplexen Bauteils würde teures Equipment und vertieftes Know-how erfordern. 

Auch eine spezielle Markierung, die zum Teil auf biogenetische Stoffe zurückgeht, würden die Bauteile vor Produktpiraten schützen. 

 

Resumee - Potenziale des 3D-Drucks

Herstellung individueller Produkte, die den Kundenwünschen entsprechen, ist für die heutige Industrie eine sehr wichtige Voraussetzung. Das Streben nach individuellen Produkten für jeden Kunden treibt die Variantenzahl in die Höhe und verlangt damit ein hohes Maß an Flexibilität in der Produktion. 3D-Drucker ermöglichen eine Fertigung mit Losgröße 1. Dadurch wird die erforderliche Flexibilität in der Produktion seitens der Fertigungsanlage gewährleistet. Zusätzlich kann mit der Fertigung nach Kundenauftrag unter anderem eine kostenintensive Lagerhaltung vermieden werden.

3D-Druck ermöglicht auch die Fertigung hochkomplexer Produkte, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht produziert werden können. Diese hochkomplexen Produkte können mehrere Einzelteile in einem einzelnen Bauteil kombinieren. In der Industrie wird bereits von diesem Nutzen Gebrauch gemacht. So fertigt Boeing die Kanäle seiner Klimaanlage mit 3D-Druck als einzelner Bauteil, die mit traditionellen Fertigungsverfahren aus 20 Einzelteilen bestehen. General Electric ersetzt 20 Teile einer Einspritzdüse durch ein einziges Teil und Airbus gelingt es, ein Produkt mit 21 Einzelteilen als Einzelstück zu fertigen.

Die Fertigung hochkomplexer Bauteile beeinflusst die Montage und die Lagerhaltung. Die Montagezeiten werden verkürzt, indem mehrere Einzelteile durch hochkomplexe Bauteile ersetzt werden und damit gewisse Montageschritte eliminiert werden. Durch die Reduktion der Anzahl von Einzelteilen verringert sich der Lagerhaltungsaufwand eklatant. 

Es müssen erheblich weniger Teile lagerhaltig geführt werden, was wiederum in einer Verringerung der Lagerhaltungskosten resultiert.