Serienfertigung mit 3D-Druck – ein Megatrend

Serienfertigung mit 3D-DruckDer Fertigungsprozess einer Zahnkrone aus Metall. Foto: EOS

Vom Protoypenbau zur Serienfertigung mit 3D-Druck: Vor allem in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, aber auch in der Automobilindustrie und im Maschinenbau setzen immer mehr  Firmen auf diese Technologie.

Bernhard Langefeld, Partner von Roland Berger und Experte für das landläufig als 3D-Druck bezeichnete Additive Manufacturing, spricht von einem „Sprung nach vorn“, weil die Technologie nicht mehr nur im klassischen Prototypenbau zum Einsatz komme, sondern mehr und mehr bei der Fertigung von Bauteilen Einzug halte. Interessant sei die Technologie vor allem dort, wo es um Kleinserien und Bauteile mit besonderen Eigenschaften oder komplexen Strukturen gehe. Auch im Motorsport wie in der Formel 1 oder der DTM sowie in der Schmuckindustrie kämen viele Teile aus dem 3D-Drucker. Da die Technologie mit steigenden Stückzahlen nicht günstiger werde, müsse man die Kosten im Auge behalten, sagt Langefeld. „Das erste Bauteil zu drucken, kostet genauso viel wie das Tausendste.“ Das schränkt die Serienfertigung mit 3D-Druck auf Spezialbereiche ein.

In wenigen Jahren, sind sich die Experten einig, werden in vielen Fabriken neben klassischen Dreh- und Fräsmaschinen auch 3D-Drucker für Spezialaufgaben stehen. Daimler etwa produziert schon seit fast einem Jahr etliche Lkw-Ersatzteile mit 3D-Druckern – vom Abstandshalter bis zum Kabelkanal, bislang aus Kunststoff. Seit Anfang August werden auch Teile aus Metall gefertigt und zwar Termostatabdeckungen für ältere Lkw und Unimog, die nicht mehr gebaut werden. Der Konzern verspricht sich davon eine Reduzierung der Lagerkosten bei verbessertem Service für die weltweite Bereitstellung selten benötigter Fahrzeugersatzteile.

Medizintechnik als wichtiges Feld

Auch Siemens nutzt den 3D-Druck in der Produktion und druckt etwa so genannte Brennerspitzen aus Stahlpulver als Ersatzteile für Gasturbinen. Das reduziert die Reparaturzeit bestimmter Modelle um 90 Prozent, die Reparaturkosten um 30 Prozent. Flugzeugbauer Airbus setzt auf das additive Verfahren sogar zur Produktion von Kabinenteilen in Passagierflugzeugen. Gerade im Flugzeugbau spielen Gewicht und Komplexität eine wichtige Rolle. Passgenaue Prothesen aus dem Drucker Interessant sei die Technologie auch beim Thema Individualisierung, sagt Langefeld. Damit meint er nicht nur Spielereien wie Manschettenknöpfe mit den eigenen Initialen, sondern auch die Medizintechnik. Das reicht vom Hüftgelenk über die Kniescheibe bis zu Prothesen, wo via Körperscan das Teil passgenau gedruckt werden kann.

Beim Zahnersatz etwa können die Zahntechniker Geometriedaten dem Scan des Kiefers entnehmen und am 3D-Drucker individuell die jeweilige Krone ohne Werkzeug herstellen.Zahnkronen können so etwa zu einem Zehntel des Preises der konventionellen Fertigung hergestellt werden, heißt es bei EOS in Krailling bei München, einem führenden Anbieter im industriellen 3D-Druck von Metallen und Kunststoffen. EOS arbeitet wie andere Hersteller von additiven Fertigungsverfahren – darunter auch SLM, Concept-Laser oder der Ditzinger Maschinenbauer Trumpf – intensiv daran, die Druckprozesse zu optimieren.

38 Prozent sehen Serienfertigung mit 3D-Druck bis 2021

Wo es um Individualisierung oder komplexe Strukturen gehe wie in der Luft- und Raumfahrt, wo auch Einspritzdüsen für Triebwerke oder Luftkanäle von Flugzeugklimaanlagen additiv hergestellt werden, wird 3D-Druck immer häufiger genutzt. Die Fertigung komplexer Strukturen, funktional integrierter Bauteile und Leichtbaustrukturen seien klare Vorteile des 3D-Drucks, sagt Stefana Karevska, 3D-Expertin bei Ernst & Young. Sie spricht von einem enormen Anstieg des 3D-Druck-Marktvolumens – mit Wachstumsraten von 28 Prozent. „Wir erwarten, dass sich dieser Trend mit einer jährlichen Wachstumsrate von mindestens 25 Prozent bis 2020 fortsetzen wird.“

In den letzten fünf Jahren hätten Unternehmen vermehrt Erfahrungen mit 3D-Druck gesammelt. Einer Umfrage von EY zufolge fertigen bereits heute fünf Prozent der Firmen Endprodukte und Bauteile mittels 3D-Druck. Befragt wurden hier 900 Unternehmen in ausgewählten Ländern, davon 200 in Deutschland. Der Anteil werde sich in den kommenden Jahren deutlich erhöhen. 38 Prozent der Firmen sehen Serienfertigung mit 3D-Druck bis 2021. Insgesamt wird laut Schätzungen weltweit zehn Milliarden Euro Umsatz mit 3D-Druck gemacht. Allein die deutschen Unternehmen setzen knapp eine Milliarde Euro damit um.

  • 3D-Druck ist inzwischen mehr als nur Spielrerei. Foto: EOS

3D-Drucker galten lange als Spielerei für Hobbytüftler. So wurden in den Anfangsjahren etwa kleine Spielzeuge aus Plastik gedruckt. Denkbar ist vieles, vom eigenen Selfie nach einem Körperscan bis zu individualisierten Nudeln – je nach Material. Mittlerweile kann alles Mögliche mit 3D-Druckern hergestellt werden. In China und Russland kamen sogar ganze Schnäppchen-Häuser aus der Tube – wie Sahne aus der Spritztüte eines Konditors fließt dabei Mörtel aus dem Druckkopf der Maschine, so dass Schicht für Schicht die Außenhülle entsteht. „Unternehmen aus fast jeder Branche testen die Technologie und versuchen Anwendungen und Vorteile für sich zu identifizieren“, sagt Expertin Karevska. Die Fertigung von ganzen Häusern werde mittelfristig zu teuer und aufwendig bleiben, auch wenn das Verfahren zu revolutionären, disruptiven Entwicklungen in der Baubranche führen könne. Es gehe hier aber zunächst um Bauteile.

Das Verfahren taugt nicht  für Massenprodukte

Ähnlich sieht es auch Langefeld. Serienfertigung mit 3D-Druck sei realistisch, doch gegen eine Massenverbreitung spricht der Preis. Eine Anlage, um Metallteile zu drucken, beziffert er auf rund eine Million Euro. Zudem ließen sich damit keine großen Teile drucken. „Für Massenprodukte ist der 3D-Druck zurzeit nicht die geeignete Technologie“, sagt Experte Langefeld – auch nicht für Autos oder Häuser. Dagegen sprechen nicht nur der Preis und die Größe, sondern auch die Tatsache, dass nie das gesamte Auto oder Haus gedruckt wird, sondern immer nur Teile.

3D-Druck sei auch für die deutschen Maschinenbauer ein spannendes Thema bei dem es viel zu entdecken gebe, formuliert es Rainer Gebhardt, Projektleiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau. Das können etwa Werkzeuge oder Formen sein oder gar der individualisierte Laufschuh, bei etwa dem Maschinenbauer Manz und Adidas zusammenarbeiten. Bisher wird bei der Herstellung von Produkten Material durch Bohren, Schleifen oder beispielsweise Fräsen abgetragen, bis das Endprodukt übrig bleibt.

Beim 3D-Druck wird dagegen Material Schicht für Schicht aufgetragen (daher der Begriff „Additive Manufacturing“) – im Gegensatz zu bisherigen Verfahren praktisch ohne Abfall. Die Schichten – Werkstoffe wie Titan, Kunststoff oder Keramik – werden mit Hilfe von Lasern oder Infrarotlicht Schicht für Schicht verschmolzen. Sie sind nur hundertstel Millimeter dick und daher ist das Verfahren äußerst präzise. Auch komplizierte Wabenstrukturen sind möglich, die durch Bohren oder Spritzen nicht herstellbar wären. Konstrukteure haben mehr Freiheit, weil sich dabei so gut wie jede beliebige Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit erreichen lässt.

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