Additive Fertigung Industrieller 3D-Druck: Die große Expertenumfrage

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Komplexe Geometrien und immer variantenreichere und kleinere Losgrößen: Wo konventionelle Verfahren durch kostenintensiven Formenbau oder Umrüstzeiten an ihre wirtschaftlichen Grenzen stoßen, bieten additive Produktionsverfahren wie industrieller 3D-Druck essenzielle wirtschaftliche Vorteile. Wir haben dazu Experten befragt.

Die Hersteller von industriellen 3D-Druckern bieten ihren Kunden immer komplexere Lösungen wie roboterbasierte 3D-Druck-Systeme für Kunststoffmaterialien, mit denen sich sogar ganze Boote drucken lassen. Auch im Metallbereich stellen die Additive-Manufacturing-Unternehmen unter Beweis, dass sich hochkomplexe und tonnenschwere Bauteile in einem Stück präzise additiv fertigen lassen. Und im Nano-Bereich präsentierten die Anbieter neue Lösungen, die zum Beispiel für den 3D-Druck von Elektronik-Bauteilen genutzt werden können und künftig zahlreiche neue Anwendungen und Produkte möglich machen.

Fragen an die Experten:

• Was sind die Hauptvorteile von additiven Produktionsverfahren in der Industrie?

• Welche Bereiche und Branchen sind prädestiniert für den industriellen 3D-Druck?

• Auf welche Herausforderungen müssen sich Unternehmen einstellen, die industrielle 3D-Drucker einsetzen wollen?

• Inwieweit können Dienstleister und Kollaborationsplattformen den Unternehmen hierbei helfen?

Industrieller 3D-Druck: Mehr als nur "ein" Verfahren

1. Additive Fertigungsverfahren bieten der Industrie vielfältige Vorteile, insbesondere im Bereich des Komplexitätsmanagements und der Designfreiheit. 

Komplexitätsmanagement: Komplexe Baugruppen lassen sich durch den 3D-Druck auf wenige Bauteile reduzieren, was den Montageaufwand verringert und die Kosten für teure Formen und Spezialwerkzeuge senkt. Zum anderen wird der teure, administrative Aufwand für die Artikelanlage und -pflege im ERP-System spürbar reduziert.

Designfreiheit: Der industrielle 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht oder nicht wirtschaftlich herstellbar sind. Die gewonnene Designfreiheit in der Konstruktion ermöglicht Innovationen und die Verbesserung bestehender Produkte und Komponenten.

2. Industrieller 3D-Druck ist mittlerweile in allen Branchen verbreitet. Ursprünglich waren die Luft- und Raumfahrt, sowie die Automobilindustrie und deren OEMs Vorreiter. Heute realisieren wir die meisten Projekte im klassischen (Sonder-)Maschinenbau.

3. Wenn Unternehmen an Herausforderungen denken, dann denken sie in erster Linie an die Auswahl der für sie richtigen Technologie, der passenden Materialien und des richtigen Herstellers. Dies sind jedoch nicht die eigentlichen Herausforderungen. Bei deren Bewältigung kann ein kompetenter Partner wie Bechtle schnell behilflich sein und eine passende Lösung erarbeiten. Für die Industrie liegt die Herausforderung auch nicht primär im Betrieb der 3D-Druck-Anlagen. Die eigentliche Herausforderung ist in der Entwicklung und Konstruktion zu sehen. Um die Vorteile des industriellen 3D-Drucks erfolgreich für das eigene Unternehmen zu nutzen, ist ein Paradigmenwechsel in der Entwicklung und Konstruktion notwendig. Dieser Paradigmenwechsel muss intern gewollt sein und bedarf in vielen Fällen externer Begleitung.

4. Ein 3D-Druck-Partner mit Know-how in den Bereichen PLM und ‚Design for Additive Manufacturing‘ kann von unschätzbarem Wert sein, indem er bei der Neuausrichtung der Entwicklung unterstützt, und hilft, Anwendungen für die additive Fertigung zu finden.

 1. Der 3D-Druck ist unglaublich vielseitig und kann auf unterschiedlichen Stufen des Innovations- und Produktionsprozesses eingesetzt werden – vom Prototypen- und Werkzeugbau bis hin zur Individualisierung von Bauteilen für Endanwendungen. 

Ein großer Vorteil des 3D-Drucks ist seine Wirtschaftlichkeit für die Kleinserien- und Ersatzteilproduktion. Ob Sie ein einzelnes Bauteil oder eine ganze Serie drucken, die Stückkosten sind die gleichen, da es keine größeren Vorabinvestitionen wie bei Spritzgusswerkzeugen gibt. Außerdem können Sie große komplizierte Geometrien mit einer Vielzahl von Materialien fertigen, die mit herkömmlichen Verfahren teilweise gar nicht herstellbar sind.

2. Industrieller 3D-Druck, also großformatige additive Fertigung eignet sich für alle Branchen, die maßgeschneiderte Poly­merteile in kleinen bis mittleren Stückzahlen benötigen. Unsere Lösungen kommen unter anderem in der Automobil-, sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Einsatz. Auch Universitäten und Forschungseinrichtungen nutzen den großformatigen 3D-Druck für agile Projekte, die mit herkömmlichen Methoden nur deutlich langsamer realisierbar wären.

3. Unternehmen, die 3D-Drucktechnologie einsetzen möchten, sollten sich einiger Randbedingungen bewusst sein. Zum einen arbeiten einige Hersteller mit geschlossenen Systemen, das heißt, sie sind an die Materialien oder die Software des Herstellers gebunden, was die Breite der Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Es setzen sich zunehmend offene Systeme durch, die dem Nutzer bei entsprechender Qualifikation große Freiheitsgrade lassen.

Zum anderen sind für den erfolgreichen Betrieb industrieller 3D-Drucker einige Fachkenntnisse erforderlich – von der Opti­mierung des Teiledesigns bis zur Wartung der Maschine. Mit­arbeiterschulungen sind ein wesentlicher Erfolgsfaktor.

4. Hersteller von 3D-Druckern können diese Lücke schließen, indem sie flexible Gesamtlösungen anbieten. Die Systeme von BigRep basieren auf der Extrusion von thermoplastischen Polymeren und sind offen, sodass unsere Kunden ein weites Spektrum von kompatiblen Materialien verdrucken können. Wir bieten den Kunden alles, was sie brauchen, um erfolgreich und produktiv zu sein: zuverlässige 3D-Großformatdrucker, passende Softwarelösungen, eine große Auswahl an qualitätsgeprüften Materialien sowie umfassende Dienstleistungen und Schulungen durch unsere Experten.

Wer Flexibilität möchte, muss auch flexibel sein

1. Die additive Fertigung bietet die Flexibilität, Produkte zu produzieren, die sich mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht ohne weiteres herstellen lassen. Sie verleiht mehr Kontrolle über den Produktentwicklungsprozess dank mehr und schnellerer Iterationsschritte vor der Produktion.

2. Elektronik, Optik, Medizintechnik, Robotik, Pharmazie und Fluid-Handling sind einige Branchen, die sehr vom industriellen 3D-Druck profitieren werden. Da Produkte und Komponenten immer kleiner sein müssen, wird die additive Fertigung ein Schlüssel zur Miniaturisierung sein. Davon sind wir bei BMF überzeugt.

3. Wer den 3D-Druck für die Produktion nutzen will, muss seine Prozesse ändern – und den Übergang schaffen. Dies könnte zunächst eine Menge Arbeit bedeuten, die sich aber später durch mehr Flexibilität, Innovation und kürzere Markteinführungszeiten auszahlt.

4. Unternehmen, die nicht sofort in einen eigenen 3D-Drucker investieren wollen, können Dienstleister mit den ersten 3D-gedruckten Teilen beauftragen, was den Einstieg erleichtert.

1. Bereits in der Produktentwicklungsphase sind dank Additive Manufacturing (AM) Bauteilanpassungen digital und physisch einfach umsetzbar. Damit reduzieren sich Entwicklungszyklen auf ein Minimum, und nachhaltige Produktinnovationen lassen sich schnell und zu geringeren Kosten realisieren. Komplexe Strukturen kann man ohne Werkzeug herstellen, und die Anzahl der Subkomponenten lässt sich stark reduzieren. Designfreiheit, Individualisierung, Nachhaltigkeit, schnelle Produktentwicklungen und die damit verbundenen Kosteneinsparungen sind Hauptvorteile von AM.

2. Die EOS-Technologie findet in diversen Branchen Anwendung, zum Beispiel Medizin, Luft- und Raumfahrt, Werkzeugbau und Automotive. Besonders dort, wo Gewichtsreduk­tion, Individualisierung und schnelles Prototyping essenziell sind, kommt das Potenzial dieser Technologie zur Geltung.

3. EOS geht mit den Herausforderungen, wie Schulungsbedarf oder Qualitätskontrolle, bewusst um und bietet umfassende Unterstützung durch Schulungen in der Additive Minds Academy oder durch unsere technischen Berater, die beim Aufbau einer Serienproduktion helfen. Des Weiteren verfügt EOS über Produktzertifizierungen und -validierungen für alle Komponenten des AM-Prozesses, einschließlich der fertigen Bauteile auf Kundenseite sowie der behördlichen Zertifizierungen/Registrierungen in den globalen Märkten.

4. EOS setzt auf die Weiterentwicklung von Dienstleistern und Kollaborationsplattformen. Hierzu wurden EOS-Netzwerke wie das ‚Contract Manufacturing Network‘ und das ‚End-to-End Production Network‘ ins Leben gerufen. Potenziellen Kunden bieten sie umfassende Unterstützung von der Konzeption bis zur Realisierung – für Kleinserien ebenso wie für Serienproduktionen. Netzwerke wie diese erhöhen die Flexibilität, reduzieren das finanzielle Risiko und erleichtern somit den Einstieg in AM.

Fragen an die Experten:

• Was sind die Hauptvorteile von additiven Produktionsverfahren in der Industrie?

• Welche Bereiche und Branchen sind prädestiniert für den industriellen 3D-Druck?

• Auf welche Herausforderungen müssen sich Unternehmen einstellen, die industrielle 3D-Drucker einsetzen wollen?

• Inwieweit können Dienstleister und Kollaborationsplattformen den Unternehmen hierbei helfen?

Industrieller 3D-Druck erfordert Umdenken und bietet Chancen

 1. Mit additiven Verfahren lassen sich zum einen Produkte in bislang nicht erzielbarer Form, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit herstellen und zum anderen auch bestehende Lösungen aus deutlich weniger Einzelteilen produzieren, als dies bei herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Gleichzeitig ermöglicht Additive Manufacturing sowohl hohe Stückzahlen herzustellen als auch Bauteile dann zu fertigen, wenn sie tatsächlich benötigt werden, Stichwort Just-in-Time-Produktion.

Hinzu kommt, dass industrieller 3D-Druck nachhaltig ist. So wird beispielsweise bei einem pulverbasierten Verfahren das nicht verdruckte Pulver bei der HP-Technologie immer wiederverwertet. Unternehmen haben sich in punkto Nachhaltigkeit ehrgeizige Ziele gesetzt – und HP kann die Kunden mit seinen Lösung dabei unterstützen, diese zu erreichen.

2. Vom industriellen 3D-Druck profitieren besonders Branchen, die einen hohen Personalisierungsgrad erfordern oder neue Bauteile und Lösungen benötigen, um entweder effizientere Produktionsprozesse zu etablieren oder Produkte herzustellen. Dazu gehören beispielsweise die Automobil- und Fertigungsindustrie, aber auch das Gesundheitswesen.

3. Wie bei allen neu eingeführten Technologien sollten Unter­nehmen zunächst einmal die Bereiche identifizieren, in denen der industrielle 3D-Druck sie bestmöglich unterstützen kann. Ebenso wichtig ist es herauszufinden, von welchen Verbesserungen sie durch den 3D-Druck am meisten profitieren können. Die größte Herausforderung ist allerdings nach wie vor der Umdenkprozess im eigenen Unternehmen – speziell bei den Konstrukteuren. ‚Design for additiv‘ ist hier die Devise.

4. Eine Reihe von Dienstleistern produziert nicht nur Bauteile, sondern berät Unternehmen auch bei der Entwicklung der Teile. Ingenieurbüros mit angeschlossener additiver Fertigung sind dabei wesentliche Vorreiter, dieses Verfahren zu etablieren. Gerade wenn Firmen erstmals in Richtung additive Fertigung denken, können Dienstleister sie mit ihrer Expertise unterstützen. HP arbeitet mit einer Vielzahl von namhaften Dienstleistern zusammen, um Unternehmen die passenden Leistungen und Lösungen im Polymer- wie auch im Metallsegment zur Verfügung zu stellen.

1. Verfügbarkeit, Unabhängigkeit und Innovation! Was nützt das beste Bauteil, wenn es nicht verfügbar ist? Additive Fertigungsanlagen können abends gestartet werden, und am nächsten Morgen ist das mechanisch belastbare Bauteil verfügbar. Unternehmen werden unabhängig von internen oder externen Lieferanten. Bauteile werden dann gefertigt, wenn man sie benötigt – oft auch dort, wo sie zum Einsatz kommen. Lieferzeiten lassen sich massiv reduzieren, und oft fällt die Logistik komplett weg. 

Additive Fertigung ist eine innovative Fertigungstechnologie, welche die Fertigung von Bauteilen ermöglicht – mit großer Designfreiheit, Gewichtsoptimierung, Kosteneffizienz, individuell und nachhaltig.

2. Sämtliche Bereiche, wo Bauteile heute oft aufwändig mechanisch gefertigt werden müssen: Betriebsmittel, Greiferfinger, Vorrichtungen, Ersatzteile und Kleinserien. Mit Faserverbund-Materialien wie Glasfaser, Carbon oder Kevlar lassen sich mechanisch und thermisch belastbare Bauteile mit Festigkeiten von Aluminium fertigen – und zwar zuverlässig und reproduzierbar. Wenn industrieller 3D-Druck richtig zum Einsatz kommt, ist er die ideale Ergänzung zur mechanischen Fertigung.

3. Die größte Herausforderung ist der notwendige Umdenkprozess. Wer sich dieser Herausforderung nicht stellt und bestehende Fertigungsverfahren nicht hinter­fragt, wird den großen Mehrwert des industriellen 3D-Drucks nicht nutzen können.  An den richtigen Stellen eingesetzt, kann der industrielle 3D-Druck das ganze Unter­nehmen nachhaltig prägen. In der Industrie sollte ein Plug & Play-System wie Markforged gewählt werden, bei dem Software, Hardware und Materialien Hand in Hand gehen und zuverlässig sowie reproduzierbar Bauteile liefert. Das falsche System kann das Vertrauen in die Technologie nachhaltig zerstören. Deshalb sollte man die Anforderungen im Vorfeld klar abstecken.

4. Die Beschaffung erster 3D-gedruckter Bauteile kann über einen 3D-Druck-Dienstleister laufen und sich so von einer Testphase zu einem entscheidenden Baustein im Auswahlprozess entwickeln. Diese Phase ermöglicht nicht nur den Wissensaustausch, sondern auch den gezielten Aufbau von Fachkenntnissen in der verfahrensgerechten Konstruktion, dem sogenannten Design für Additive Manufacturing (DfAM). Die Ergebnisse zeigen die mögliche Qualität, und die Erwartungen an die Technologie können so klar abgesteckt werden – ohne Risiko. Das gesamte Potenzial der Technologie lässt sich jedoch nur erschließen, sofern ein industrieller 3D-Drucker im Haus steht.

1. Neben der Herstellung komplexer Bauteile wie Leichtbauanwendungen lassen sich durch den 3D-Druck Kosten- und Lieferzeitersparnisse erzielen. Die Technik arbeitet gänzlich werkzeuglos und kann so Prototypen sowie kleine und mittlere Serien schnell und kosteneffizient produzieren. Der Verzicht auf Werkzeuge erhöht die Flexibilität, wodurch unterschiedliche Designvarianten auf Knopfdruck realisiert werden können. Neueste Automationslösungen ebnen auch den Weg hin zu einer vollautomatisierten, additiven Serienproduktion.

2. Nahezu jede Branche kann vom 3D-Druck profitieren. Das verfügbare Materialportfolio wächst technologieübergreifend und eröffnet immer mehr Anwendungsmöglichkeiten. Der 3D-Druck eignet sich vor allem für Branchen mit Kleinserien oder vielen Prototypen oder überall dort, wo Individualisierung und Leichtbau eine Rolle spielen. Dazu gehören die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt sowie die Architektur und der Schiffbau.

3. Der 3D-Druck ist keine Plug-and-Play-Lösung. Vor dem Einsatz müssen die Materialeigenschaften und Einsatzzwecke definiert werden. Es bedarf auch des Know-hows, um die richtige Technologie und geeignete Bauteile zu identifizieren. Deshalb ist ein Umdenken in Konstruktionsabteilungen erforderlich. Bauteile sollten gezielt für den 3D-Druck entworfen werden, um alle Vorteile der Technik zu nutzen. Generell kann man festhalten, dass sich 3D-Druck besonders dann eignet, wenn ein Bauteil komplex ist und/oder nur eine geringe Stückzahl davon benötigt wird. Nicht zuletzt hängen die Stückkosten stark davon ab, wie ein 3D-Drucker ausgelastet ist. Wir bei Voxeljet beobachten immer wieder, dass Anwender, die sich anfangs Gedanken über eine zu geringe Auslastung ihres 3D-Druckers gemacht haben, schnell über zusätzliche Fertigungskapazitäten nachdenken.

4. Besonders dann, wenn der Bedarf an 3D-gedruckten Teilen gering ist und sich daher eine Investition in ein eigenes 3D-Drucksystem nicht rechtfertigt, bieten Dienstleister einen einfachen und günstigen Einstieg in die Technologie. Mit zunehmender Erfahrung und wachsenden Anwendungsmöglichkeiten kann ein Übergang zur Beschaffung von internen Kapazitäten erfolgen.