Additive Fertigung 3D-Druck in der Produktion

Der 3D-Druck hat in die Produktion Einzug gehalten. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Vorteile des Verfahrens und stellt dar, was notwendig ist, um Fertigung wirklich transparent zu machen.

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Um ein Bauteil herzustellen, wird Material Schicht für Schicht aufgetragen – anstatt es wie bei den üblichen Verfahren wie Fräsen oder Bohren Material abzutragen. Wo andere Verfahren an ihre Grenzen stoßen, eröffnet das neue Möglichkeiten: Mehr Freiheiten bei der Konstruktion und dem Werkstoff-Einsatz, mehr Kosteneffizienz und weiterreichende Digitalisierung. Doch um das Potenzial voll auszuschöpfen, sind als Basis 3D-Modelle notwendig, die hohe Anforderungen an Konstruktions- und Simulationstools stellen.

Etwas treffender beschreibt der Begriff Additive Fertigung diese Technik, denn schließlich handelt es sich um ein Produktionsverfahren, das die gesamte Wertschöpfungskette betrifft. Das bedeutet, dass schon bei der Erstellung von 3D-Datensätzen mit softwaregestützten Methoden additive Fertigung mitgedacht werden muss und sich weiter über die Bauteiloptimierung, den Druckvorgang selbst sowie die Nachbearbeitung der gedruckten Teile erstreckt. Ob dabei ganz klassisch auf Polymere gesetzt wird oder sich der Einsatz neuer Materialen im 3D-Druck wie Carbon oder metallische Stoffe lohnt, muss jedes Unternehmen auf Basis der individuellen Anforderungen entscheiden. Zuerst werden die 3D-Modelle am Bildschirm in Schichten zerlegt, um später die dreidimensionalen, physischen Teile aus sehr dünnen Schichten aufeinander drucken zu können. Daraus wird ein Code generiert, der die Druckmaschine steuert. Der große Vorteil: Die neuesten Maschinen in der additiven Fertigung können schnell und ohne große Umrüstzeiten jede gewünschte Produktionsmenge herstellen – bis hin zu Losgröße 1. Momentan ist es besonders interessant, 3D-Druck bei kleineren Mengen einzusetzen, da die durchschnittlichen Stückkosten konstant bleiben.

Optimierte Teile aus dezentraler Fertigung

Bei großen Stückzahlen (Massenfertigung) dagegen bringen die üblichen Fertigungsverfahren weiter Skalenerträge mit sich – zumindest noch für eine gewisse Zeit. Es zeichnet sich aber ab, dass der technologische Fortschritt und sein Optimierungspotenzial die Gewinnspanne der additiven Fertigung auch bei einer großen Produktionsmenge maximiert. Denn da die Stückkosten beim 3D-Druck kontinuierlich reduziert werden, kann ab einer bestimmten Menge zu den gleichen Kosten produziert werden wie heute mit der traditionellen Massenfertigung.

Massen-Individualisierung wird schon heute einfacher. Individuelle Teile oder Kleinserien können auf Kundenwunsch in kürzester Zeit gefertigt, die Produktion einer schwankenden Marktnachfrage schnell angepasst werden. Durch 3D-Druck wird es möglich, die Fertigung in gewissem Umfang zu dezentralisieren: Bauteile und auch Ersatzteile können je nach Bedarf und vor Ort gefertigt werden, was sowohl Lager- als auch Transportkosten reduziert.

Mit dem 3D-Druck lassen sich jetzt auch komplexe und schwierige Geometrien realisieren, da es kaum Restriktionen durch das Herstellungsverfahren gibt. So werden organische Formen möglich, die sich an der Natur orientieren und optimal auf die Anforderungen der Konstruktion angepasst werden können. Kombiniert mit 3D-Druck reduziert diese bionische Konstruktionsmethodik Materialgewicht und Gesamtmaterialverbrauch einzelner Teile laut einer Bitkom-Studie aus dem Jahr 2017 um bis zu 90 Prozent. Insgesamt lassen sich dabei durch additive Fertigung bis zu 70 Prozent der Produktionszeit und 80 Prozent der Herstellungskosten einsparen.

Zusammenspiel neuer Technologien und Tools

Um alle Potenziale der additiven Fertigung zu nutzen, ist eine moderne Konstruktionssoftware alleine allerdings nicht mehr ausreichend. Die Vernetzung verschiedener Tools ist unbedingt notwendig, denn für ein agiles Gesamtsystem ist eine durchgängige Datenbasis wichtig, die den gesamten Prozess digital und dreidimensional abbilden kann. Über eine Plattform wie beispielsweise die 3D-Experience-Plattform von Dassault Systèmes können alle Akteure vernetzt und Konstruktionsdaten unternehmens- und abteilungsübergreifend verwaltet werden. Das bedeutet: Sie alle haben Zugang zu denselben Daten. Kombiniert mit additiver Fertigung können weltweit an unterschiedlichen Standorten die gleichen Hochleistungsbauteile in einheitlicher Qualität hergestellt werden.

Diese optimierten Teile wären ohne die Verzahnung der CAD- und Simulationswerkzeugen mit dem Produktionsprozess nicht möglich: Simulationen helfen Ingenieuren dabei, neue, kreative Produkte zu entwickeln. Das funktioniert, in dem die 3D-Simulationsanwendung direkt auf die Konstruktionsdaten aus dem bestehenden CAD-Programm zugreift und auf Knopfdruck errechnet, ob verschiedenste physikalische Kriterien wie Festigkeit, Wärmeleitung, Rheologie erfüllt werden. Ist das nicht der Fall, wird die Konstruktion so lange innerhalb der Simulation verändert, bis die genannten Eigenschaften stimmen. Die Simulation begleitet den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess und ermöglicht eine schnelle Analyse.

Während moderne Maschinen und Prozesse bereits digitalisiert sind, lassen sich auch älterer Maschinen auf den neuesten Stand bringen. „Retrofit“ heißt diese Nachrüstung mit Sensoren, Kommunikations-Servern oder modernerer Software. So lässt sich schließlich die gesamte Produktion in die Cloud bringen und über die Plattform einbinden. Mit geringem Kostenaufwand ist es dadurch möglich, eine durchgehend transparente Fertigung zu schaffen, in der Probleme und Fehler sofort erkannt werden können. Unternehmen, die all diese Voraussetzungen geschaffen haben, können mit Ideen experimentieren und auch mal ein Risiko eingehen. Nur so bleiben sie handlungsfähig und werden in der Lage sein, herauszufinden, welche Lösungen in Zukunft für sie funktionieren und wie sie neue Fertigungsverfahren wie die additive Fertigung gewinnbringend einbinden können – das ist ein wesentlicher Schritt zur Fabrik der Zukunft.

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