IPL-Magazin 28 | Juli 2014 | Autor: Theo Muffert


Neue Technologie für zukunftsweisende Strategien

Es gibt wenig technische Entwicklungen, die im Moment so kontrovers diskutiert werden, wie der 3D-Druck.


Autor: Dipl.-Ing. Theo Muffert

Das Verfahren wurde von dem Amerikaner Chuck Hull bereits 1983 erfunden und im Jahr 1986 patentiert. Unter 3D-Druck versteht man den Fertigungsprozess des Urformen. „Innerhalb der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren stellen die 3D-Drucker die wichtigste Teilklasse der additiven, also anhäufenden, aufbauenden Fabrikatoren dar“ (Quelle: Wikipedia).

Mit 3D-Druckern können dreidimensionale Teile hergestellt werden, die aus unterschiedlichen Werkstoffen wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken oder Metallen bestehen. Bislang konnten Werkstoffe nur sortenrein aufgetragen werden. Zwischenzeitlich gibt es aber bereits Drucker, die Werkstoffkombinationen verarbeiten können. Jeder Werkstoff erfordert eine besondere Technik, die Material verflüssigt, um es schichtweise aufbauen zu können.
Die wichtigsten Techniken des 3D-Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Deposition Modeling für Kunststoffe.

Der Genauigkeitsgrad der produzierten (gedruckten) Teile liegt zurzeit im Bereich von hundertstel Millimeter.

Die Drucktechnik erlaubt die Herstellung sehr filigraner Teile, die bei der Verwendung anderer Fertigungsverfahren wie Drehen, Bohren, Fräsen wesentlich aufwändiger wären. Darüber hinaus gibt es praktisch keinen Materialabfall. So z. B. werden Antriebswellen bei Rennwagen verwendet, die eine ca. 75 %ige Gewichtseinsparung haben.

In der Flugzeugindustrie werden aufgrund der enormen Gewichtsreduzierung immer mehr 3D-Teile eingesetzt, ohne Konzessionen an die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer machen zu müssen.

Die Firma GE will in ihrem neuen LEAP-Triebwerk Düsen einsetzen, die in der 3D-Drucktechnologie hergestellt werden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass es sich nur noch um ein Teil gegenüber 20 Einzelteilen bei früheren Fertigungsverfahren handelt. Bei jeweils 19 Düsen pro Triebwerk wird eine erhebliche Kosteneinsparung erreicht.

Auswirkungen der 3D-Drucktechnologie auf die Supply Chain
Der Ablauf der Prozesse bei der Entwicklung und Herstellung neuer Produkte hat mit dem Einsatz der 3D-Drucktechnologie teilweise erhebliche Änderungen erfahren. Mussten früher z. B. Formen für Gussteile hergestellt werden, wird heute lediglich ein Softwareprogramm in das Druckgerät eingegeben, das der Konstrukteur kostengünstig verändern kann. Darüber hinaus steht das Werkstück wesentlich schneller zur Verfügung.

Die gesamte innerbetriebliche Logistik wird sich mit der Verschlankung von Fertigungsabläufen ändern. Zwischenläger und damit notwendige Transporte können reduziert werden oder sogar entfallen. Im Bereich des Ersatzteilwesens sind erhebliche Kosten einzusparen. Es gibt vorzugsweise im deutschen mittelständischen Maschinenbau Unternehmen, die aus Imagegründen eine Ersatzteilversorgung für Produkte anbieten, die 20 Jahre und älter sind. Man sieht dies einerseits als besonderen Service an, andererseits ist man stolz darauf, dass die eigenen Produkte so lange ihren Dienst getan haben.

Unabhängig davon, inwieweit diese Einstellung volks- oder betriebswirtschaftlich sinnvoll ist, kann auch hier der 3D-Druck kostengünstig helfen. Statt ein Ersatzteillager mit tausenden von Teilen vorzuhalten, benötigt man nur eine CAD-Datei, mit deren Hilfe das gefragte Teil im Bedarfsfall gedruckt wird. Und dies kann „vor Ort“ durch den Kunden selbst erfolgen. Alles was der Kunde braucht, ist die entsprechende Druckdatei via Internet. Natürlich sind – wie immer – auch diesem Verfahren Grenzen gesetzt. Die Kosteneinsparungen sind trotzdem erheblich.

Ausblick

Das 3D-Druckverfahren hat, obwohl es bereits 30 Jahre alt ist, Teile von Industrieproduktionen revolutioniert. Immer wenn es darum geht, kleine Stückzahlen für individuelle Anwendungen herzustellen, bietet diese Technologie große Vorteile. Speziell bei großen Anforderungen an das Design der Produkte, z. B. bei Zahnersatz oder orthopädischen Implantaten, ist die Drucktechnik konkurrenzlos.

Bei der Herstellung größerer Stückzahlen hat der 3D-Druck jedoch erhebliche Nachteile. Hier sind die klassischen Produktionsverfahren wie fräsen, drehen, hobeln, bohren im Vorteil, selbst wenn letztendlich vom Stahlrohling im Endprodukt fast nichts übrig bleibt. Experten sind sich einig, dass in wenigen Jahren in vielen Fabriken neben den klassischen Dreh- und Fräsmaschinen auch 3D-Drucker für Spezialaufgaben stehen. Einer Studie von Roland Berger zufolge werden sich die weltweiten Umsätze von heute 2,2 Mrd. € bis zum Jahr 2023 auf 7,7 Mrd. € mehr als verdreifachen. Dann hätten sie allerdings erst zirka ein Zehntel des heutigen Marktvolumens klassischer Werkzeugmaschinen erreicht.

Die Entwicklung der 3D-Technologie ist in einer Phase, die für den Normalbürger nicht mehr nachvollziehbar ist. Man spricht davon, dass Lebensmittel mit 3D-Druckern produziert werden und gipfelt darin, dass in absehbarer Zeit Organe hergestellt werden, die in den menschlichen Körper transplantiert werden können. In diesem Fall wird der weltweite Jahresumsatz nach einer Mc Kinsey-Studie für 2025 auf 230 – 550 Mrd. Dollar geschätzt. Die fertigungstechnologischen und logistischen Untersuchungsbereiche bei der Planung einer wirtschaftlichen Fertigung, die den ganzheitlichen Rahmen von der Entwicklung über die Produktion bis hin zum Ersatzteil abdeckt, ist durch die 3D-Drucktechnologie noch facettenreicher geworden.