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Additive Manufacturing

Additive Manufacturing für Serienbauteile

21 Juni 2017
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Lesezeit: 7 Minutes

Additive Manufacturing (AM, deutsch: Additive Fertigung), das einfache Herstellen von Serienbauteilen mit einem Drucker, ist der Traum vieler Ingenieure. „Complexity for Free„, „Unbegrenzte Designfreiheit“, „Serienproduktion ab Losgrösse eins“ – mit solchen und anderen Slogans wirbt die AM-Industrie auf Messen und in Fachzeitschriften. Damit wird AM grösser gemacht, als es ist; Ernüchterung ist bei solch vollmundigen Versprechungen vorprogrammiert. Denn wer sich intensiver mit AM auseinandersetzt, stellt bald fest: All den möglichen Chancen stehen noch immer zahlreiche Einschränkungen gegenüber. Daraus wächst bei den Anwendern Unsicherheit und Ablehnung.

Erst die Abkehr vom Hype führt zum Erfolg

Uns bei Zühlke wurde schnell klar: Um im Alltagsgeschäft profitieren zu können und keine Chancen für unsere Kunden zu verpassen, ist es wichtig, auch über die Grenzen der Technologie zu sprechen. Wir sind überzeugt: Die Situation ist vergleichbar mit dem Aufkeimen der Kunststoffindustrie in der Mitte des 20. Jahrhunderts.  Allen Zweifeln zum Trotz wird auch die Additive Fertigung zunehmend Erfolge feiern.

Um AM besser einordnen zu können, hinterfrage ich in diesem Beitrag wirtschaftliche und technische Gesichtspunkte kritisch und setze sie in Bezug zu konventionellen Verfahren. Der erste Teil erklärt, was Complextiy for Free bedeutet, welches heute die Kostentreiber sind und wie ein firmeninternes Bewusstsein für die Technologie geschaffen werden kann.

Im zweiten Teil hinterfrage ich die „unbegrenzte Designfreiheit“, zeige technische Grenzen auf und erkläre, warum AM bisher nur in wenigen Branchen und spezifischen Anwendungsfällen ein Game Changer sein kann.

Complexity for Free?

Complexity for free meint, dass das Drucken eines komplexen Teils genauso viel kostet wie das Drucken eines weniger komplexen Teils. Das steht im Gegensatz zu Fräs- wie auch zu Spritzguss oder Schmiedeteilen. Bei Frästeilen treiben primär die Anzahl der Aufspannungen aber auch das zerspante Volumen die Kosten. Bei Spritzgussteilen sind es die Investition in das Werkzeug, bestimmt durch seine Komplexität durch Schieber, notwendige Kühlungen usw.

Tatsächlich lässt sich eine Kostenersparnis mit Additive Manufacturing meist nur dann erzielen, wenn sich mehrere Bauteile zu einem zusammenfassen lassen und die Herstellungskosten über die ganze Baugruppe hinweg gesenkt werden können. Solange sich ein Teil jedoch auch konventionell fertigen lässt, ist dies meist die günstigste Fertigungsart – das gilt insbesondere bei höheren Stückzahlen und grossem Teilevolumen. Für die hohen Kosten von AM sind drei Faktoren ausschlaggebend: Hohe Rohmaterialkosten, geringe Produktivität der Drucker sowie die Notwendigkeit der Nacharbeit.

Heute gelten folgende Faustregeln für AM:

  • Beschaffungskosten SLS (Selectice Laser Sintering) Kunststoffteile ~1-5CHF/ccm, SLM (Selective Laser Melting) Metallteile ~5-25CHF/ccm. Bei Serienprodukten muss teils mit dem Hüllvolumen gerechnet werden.
  • Metallteile, die aufgrund ihrer Grösse diagonal in den Bauraum gelegt werden müssen, verursachen durch den notwendigen Support zusätzliche Kosten. Üblich sind Bauräume von 250x250x250mm3, die grössten Maschinen bieten bis zu 800x800x800mm3.

    Grosse Bauteile liegen mitunter quer im Bauraum des 3D-Druckers und brauchen Stützstrukturen. (Frederick Waldern / Zühlke)

    Grosse Bauteile liegen mitunter quer im Bauraum des 3D-Druckers und brauchen Stützstrukturen. (Frederick Waldern / Zühlke)

  • Rohmaterialien für Drucker sind je nach Material 50-100x teurer als Spritzgussmaterialien oder Halbzeuge.

    Die Baukosten für AM sind noch hoch. (Frederick Waldern / Zühlke)

    Die Baukosten für AM sind noch hoch. (Frederick Waldern / Zühlke)

  • Die schnellsten Drucker sind ca. 50x langsamer als Spritzgussmaschinen. Im SLS-Verfahren können bis zu 500ccm Teile pro Stunde generiert werden, den Abkühlvorgang mit einberechnet. Im SLM Verfahren sind es nur 50ccm. Nach dem Druck müssen die Teile ausserdem von Hand gereinigt werden, um Pulver oder Stützstrukturen zu entfernen.
  • Funktions- und optische Flächen müssen aufgrund der Rauigkeiten und geringen Toleranzen oft nachbearbeitet werden. Mit konstanten Maschinenparametern kann eine Wiederholgenauigkeit bis +/-0.05mm erreicht werden.

    Teile aus dem 3D-Drucker weisen eine höhere Abweichung auf. (Frederick Waldern / Zühlke)

    Teile aus dem 3D-Drucker weisen eine höhere Abweichung auf. (Frederick Waldern / Zühlke)

  • Flächige SLS- und SLM-Teile neigen zu Verzug und müssen ggf. gerichtet werden.

    AM-Teile neigen zum Verzug. (Frederick Waldern / Zühlke)

    AM-Teile neigen zum Verzug. (Frederick Waldern / Zühlke)

AM Challenge

So abschreckend diese Fakten klingen, ist ein regelmässiger Kostenvergleich doch absolut sinnvoll. Nur so kann man ein Gefühl entwickeln, wann sich AM trotzdem lohnt. Denn vielen Entwicklern fehlen Erfahrungswerte oder sie orientieren sich an alten Offerten, die womöglich längst überholt sind.

Zum raschen Know-How-Aufbau haben wir ein Screening alter Projekte durchgeführt und haben das Beispiel einer lösbaren Rohrschelle gefunden. Ursprünglich bestand diese aus zwei Fräs- und neun Zukaufteilen. In einer Kleinserie wurden ca. 40 Einheiten gefertigt. Heute ist eine vollintegrierte Variante mit Schnappern und konstruktivem Toleranzausgleich mit AM technisch umsetzbar. Sogar bei der Produktion von über 50 Einheiten wäre die AM-Variante kostengünstiger in der Herstellung. Daneben liessen sich zudem die Ergonomie verbessern und das Gewicht reduzieren.

Beim Bau einer Rohrschelle ergeben sich mit AM entscheidende Vorteile. (Frederick Waldern / Zühlke)

Beim Bau einer Rohrschelle ergeben sich mit AM entscheidende Vorteile. (Frederick Waldern / Zühlke)

Die Hürden, ein gedrucktes Teil erstmals in Serie einzusetzen, sind vielfältig. Um Prototypen herzustellen, ist der Einsatz von 3D-Druckern nicht mehr wegzudenken. Die Erfahrung mit der Entwicklung von AM-Serienteilen, welche das ganze AM-Potential ausreizen, fehlt dagegen oftmals. Aber es fehlt nicht nur an Erfahrung. Auch explizite Designregeln und Berechnungsmethoden sowie Normen für die Materialspezifikationen der gedruckten Teile sind erst in Arbeit. Schnell tauchen etliche Fragen auf: Wie gross ist das Mindestspaltmass für mein Gelenk? Spielt die Aufbaurichtung eine Rolle? Wie viele Zyklen hält mein Schnapper? Kann ich den mechanischen Kennwerten der Materiallieferanten vertrauen?

Gitterstrukturen in Objekten lassen sich inzwischen dank Plug-Ins schnell erstellen. (Frederick Waldern / Zuehlke)

Gitterstrukturen in Objekten lassen sich inzwischen dank Plug-Ins schnell erstellen. (Frederick Waldern / Zuehlke)

Wenn das Bauchgefühl fehlt, setzt man im Projektalltag lieber auf die bekannte und sichere Variante. Ohnehin fehlten bislang CAD-Tools, um die gegebenen Designfreiheiten effizient nutzen zu können. Der Workflow gängiger Programme ist voll auf konventionelle Fertigungsverfahren ausgelegt – Modelle werden am einfachsten durch Extrudieren, Rotieren, Bohren und Fräsen erzeugt. Eine hohe Komplexität ins Bauteil einzubringen, bedeutet also einen hohen Aufwand für den Konstrukteur. Das beginnt sich dieses Jahr zu ändern: PTC führt mit Creo 4.0 ein kostenpflichtiges Plug-In ein, mit dem man automatisiert Gitterstrukturen in Bauteile einbringen kann. 3DS implementiert mit Catia R2017X erstmals Funktionen zur Topologie-Optimierung und Siemens NX11 bietet unterstützende Tools zur Konstruktion von Bauteilen für Hybrideverfahren.

ALPA kann dank AM ein breites Spektrum an Kamerablenden anbieten. (Frederick Waldern / Zühlke)

ALPA kann dank AM ein breites Spektrum an Kamerablenden anbieten. (Frederick Waldern / Zühlke)

In meinen Augen sind Schulungen wichtig, aber nur bedingt tauglich, diesen Kreis zu durchbrechen. Erst die erfolgreiche Umsetzung eines Pilotprojekts hätte die nötige Signalwirkung, um das Mindset in einem Betrieb zu ändern. Dafür ist Durchhaltewillen und das Commitment des Managements gefragt. Die Streulichtblende des Zürcher Kamerahersteller ALPA ist hierfür ein Musterbeispiel. Lange wurden Streulichtblenden angeboten, welche für eine Vielzahl von Kombinationen aus Objektiven und Sensoren einen akzeptablen Kompromiss boten. Heute erhält der Kunde eine Blende, die Optimal auf sein Kamera-Setup angepasst ist. Dazu wird auf Basis eines Computermodells die optimale Blendengeometrie errechnet und schliesslich als Einzelstück mit SLS gefertigt. Obwohl die Blenden eine eher einfache Geometrie aufweisen, hat die Umsetzung über zwei Jahre gedauert. Zahlreiche Iterationen waren notwendig, bis die Einstellungen des Druckers und die geometrischen Parameter optimal zueinander passten. Dennoch hat sich am Ende die Investition gelohnt. Nur mittels AM konnte ALPA die kundenspezifische Blende als Alleinstellungsmerkmal aufbauen, denn die Spritzgusswerkzeuge für derart viele Varianten wäre wirtschaftlich nicht tragbar gewesen.

Blick in die Glaskugel

Die Rentabilität von AM steigt kontinuierlich. Die Rohstoffkosten von Titanpulver beispielsweise haben sich in den letzten fünf Jahren halbiert. Allerdings sind aktuell keine grossen Sprünge zu erwarten. Denn die Rohstoffkosten lassen sich auf zwei Faktoren zurückführen: Zum einen ist die Nachfrage immer noch verhältnismässig klein. Zum anderen sind aktuelle AM-Drucker für die Serienanwendung – ähnlich wie Tintenstrahldrucker – geschlossene Systeme. Der Lieferant der Drucker ist in der Regel auch der Materiallieferant. Bislang wird der Markt für Produktionsanlagen von einigen wenigen Anbietern dominiert. Wenn in den kommenden Jahren wichtige Patente auslaufen, könnte der Markt in Bewegung kommen.

Angelehnt an: Roland Berger Strategy Consultants, 2013, ”Additive manufacturing A game changer for manufacturing industry?” München (Frederick Waldern / Zühlke)

Angelehnt an: Roland Berger Strategy Consultants, 2013, ”Additive manufacturing A game changer for manufacturing industry?” München (Frederick Waldern / Zühlke)

Arburg arbeitet mit dem Freeformer seit längerem an einem offenen System, welches Standardgranulate verarbeiten soll. Die hohen Erwartungen der Anwender wurden jedoch gedämpft, da sich die Prozesskontrolle als äusserst schwierig erweist und die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Teile immer noch hinter denen anderer Druckverfahren zurückliegen. Auch HP hat nun mit Multijet Fusion ein vielversprechendes offenes System auf den Markt gebracht. Bislang kann es nur schwarzes Nylon verarbeiten, doch grosse Chemiekonzerne wie BASF, Lehman&Voss&Co und Evonik arbeiten an der Entwicklung weiterer Materialien für die Plattform. Sollte solch ein offenes System erfolgreich werden, könnten die Rohstoffkosten deutlich sinken.

Bei der Druckgeschwindigkeit warten Anwender weiterhin auf einen technologischen Quantensprung. Peter Sander, Vizepräsident der Abteilung „Neue Technologien und Konzepte“ bei Airbus, prophezeite auf der Rapidtech 2015 einen Zuwachs der Prdouktivität der Drucker um den Faktor 100-1000, und zwar in naher Zukunft. Als Carbon3D zeitgleich das CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production für Modelle aus Photopolymeren) präsentierte, dürften einige den Atem angehalten haben – der Drucker ist um ein Vielfaches schneller als die verwandten STL-Drucker (Stereolithographie für Modelle aus Photopolymeren). Ausserdem sorgt der kontinuierliche Druckprozess für isotrope Materialeigenschaften und deutlich verbesserte Oberflächenqualität. Doch auch diese Technologie wird den Markt vorerst nicht umkrempeln. Technologiebedingt können nur Photopolymere wie PUR- oder EP-Harze verarbeitet werden. Inwieweit sich diese für den Dauereinsatz eignen, muss sich noch zeigen. Im Vergleich zu konventionellen Druckverfahren sind die Materialpreise nochmals höher, die Toleranzen mit +/-0.4mm geringer und die Designfreiheit ist durch Schrumpfvorgänge beim Aushärten deutlich eingeschränkt.

Der richtige Eintrittszeitpunkt

Manch einer kontert die Aussage „Complexity for free“ mit dem plakativen Statement „Wenn du ein Teil fräsen kannst, dann fräse es!“. Beide Aussagen greifen aber zu kurz.

Für die Entscheidung sollte man sich nach dem gesamten Produktezyklus richten. (Frederick Waldern / Zühlke)

Für die Entscheidung sollte man sich nach dem gesamten Produktezyklus richten. (Frederick Waldern / Zühlke)

Heute werden immer noch viele Teile – auch komplexe – am günstigsten konventionell gefertigt. Langfristig wird sich das ändern. Höhere Produktionskosten können ausserdem durch einen Produkt-Mehrwert oder gesenkte Betriebskosten ausgeglichen werden. Daher müssen bereits in den frühen Phasen der Entwicklung, wenn nicht schon beim Aufsetzen neuer Geschäftsmodelle, AM-basierte Konzepte berücksichtigt werden.  Wer hier eine gute Idee hat und den passenden Eintrittszeitpunkt abpasst, wird sich von seinen Mitbewerbern absetzen können. Den richtigen Zeitpunkt zu bestimmen ist nicht einfach – denn für einen erfolgreichen Einsatz von AM sollte man die Technologie nicht einfach als Produktionsmethode für komplexe Teile, sondern ganzheitlich im Produktlebenszyklus betrachten.

Daher lohnt es sich schon heute, einen kontinuierlichen Know-How-Aufbau sicherzustellen und unter den Mitarbeitern ein Bewusstsein für die Stärken und auch die heutigen Schwächen von AM zu schaffen.

Kommentare (1)

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Thomas Weber

22 Juni 2017 um 11:07

Klasse Zusammenstellung, danke Fred dafür! Ich frage mich manchmal, wieviel Potential durch einen Experten zur Topologieoptimierung zusätzlich gehoben werden kann. Dass sich der Ersatz von existierenden Baugruppen rechnet, scheint mir mit zunehmenden Stückzahlen unrealistischer. Das Beispiel der Rohrschelle zeigt schön, wie sehr man in der Topologie und nicht in Fertigungsverfahren denken muss. Expertise für Topologieoptimierung ist aber leider nicht allzu weit verbreitet (so mein Fazit der Bewerber der letzten 5 Jahre).

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