14.06.2017 Additive Fertigung

So kommen Innovationen aus dem 3D-Drucker

Von: Andreas Saar*

Im Rahmen der Additiven Fertigung sollen 3D-Drucker den Maschinenbau revolutionieren, was wiederum große Auswirkungen auf die eingesetzten IT-Tools hat.

3D-Drucker in der Produktion

Revolutionieren 3D-Drucker bald den Maschinenbau?

Das Thema „Additive Fertigung“ bewegt die produzierende Industrie derzeit wie kaum ein anderes: Mit dem 3D-Druck eröffnen sich Möglichkeiten, die die Welt der Produktion in den kommenden Jahren vollkommen verändern werden. Entsprechend stark ist das Wachstum: Nach Schätzungen von Gartner wurden im vergangenen Jahr mehr als 490.000 3D-Drucker ausgeliefert. Auch bei den für das Verfahren verwendeten Kunststoffen und Metallen deutet alles auf große Fortschritte hin.

General Electrics zum Beispiel konnte die Komplexität einer Kraftstoffdüse für eines seiner Triebwerksmodelle von 20 auf ein einziges Bauteil reduzieren. Dieser Schritt war möglich, weil nun die komplette Düse einfach gedruckt wird. Die Produktion ist wesentlich schneller und preiswerter. Siemens Power and Gas wiederum hat einen neuen Brennkopf für große Gasturbinen vorgestellt, der aus dem 3D-Drucker kommt. Er verfügt über sehr feine Kanäle, die es erlauben, den Brennkopf besser zu kühlen und so die Temperatur deutlich zu sinken. Das verlängert die Lebensdauer beträchtlich, während die Wartungskosten sinken.

3D-Druck „on demand“

Auch in Bereichen, in denen bislang mit Gussverfahren gearbeitet wurde, leitet der 3D-Druck einen Paradigmenwechsel ein. Das zeigt sich beispielsweise bei der Konstruktion und Fertigung von Motoren. Dank Additiver Fertigung ist es möglich, die kühlende Oberfläche eines Aggregats deutlich zu vergrößern, so dass es insgesamt kleiner und leichter konstruiert werden kann. Außerdem ist die Fertigung selbst winziger Serien heute sehr kosteneffizient möglich.

Ein weiterer gewichtiger Treiber für die Additive Fertigung ist der 3D-Druck „on demand“. Das gilt besonders für die Produktion von Ersatzteilen. Schließlich ist es für Unternehmen ausgesprochen wichtig, fehlerhafte Komponenten schnell und unkompliziert austauschen zu können. Vor allem aber wollen sie sich von den hohen Kosten befreien, die mit der Lagerung von Ersatzteilen verbunden sind. Bereits heute besitzt Siemens Mobility deshalb eine eigene Abteilung, die „on demand“ Ersatzteile für Züge per 3D-Druck fertigt.

Besonders interessant ist der 3D-Druck auch dann, wenn für die Lieferung von Ersatzteilen große logistische Hürden überwunden werden müssen. Das klassische Beispiel dafür sind Ölplattformen. Bricht dort ein Bohrkopf, ist es für den Betreiber der Anlage wesentlich unkomplizierter und kostengünstiger, den Kopf mit Hilfe von 3D-Druck vor Ort neu zu produzieren. Die US Navy betreibt aufgrund solcher Überlegungen bereits auf einigen Schiffen 3D-Drucker, mit denen Ersatzteile auf hoher See produziert werden.

Diese und viele weitere Anwendungsfälle aus der Praxis scheinen erst der Anfang einer umfangreichen Revolution zu sein. Denn fallende Preise für Drucker in Verbindung mit einer höheren Druckgeschwindigkeit sorgen in den kommenden Jahren vermutlich dafür, dass der Wandel zu dieser Art der Fertigung noch mehr an Fahrt gewinnt.

Neue IT-Tools sind gefragt

Mit dem Wandel zur Additiven Fertigung sind auch auf Seiten der IT-Systeme gänzlich neue Applikationen und Funktionen gefragt. Für den Hersteller eines PLM-Systems (Product Lifecycle Management) bedeutet das Anpassungen in allen Bereichen: die Konstruktion mit CAD-Systemen, das Engineering über Computer Aided Engineering (CAE) und die Fertigung mit Hilfe von Computer Aided Manufacturing, das Manufacturing Operations Management (MOM) und Manufacturing Execution Systeme (MES).

Konstruktions-Tools müssen in Zukunft auf die spezielle Geometrie von 3D-Modellen (Facettenstrukturen) und das hybride Modellieren ausgerichtet sein. Die Tools sollten außerdem in der Lage sein, gewichtsoptimierte Strukturen oder auch Gitterstrukturen zu erzeugen und abzubilden und die Arbeit mit verschiedenen Materialien ermöglichen. Bei der Fertigung muss sich das additive Hinzufügen von Material, wie es beim 3D-Druck geschieht, auch in den IT-Werkzeugen widerspiegeln.

Im Bereich CAE wiederum kommt es nicht nur darauf an, die Konstruktion der finalen Komponente zu bedenken, sondern auch den speziellen Prozess, bei dem Schicht für Schicht Material aufgetragen wird. Auch der Blick auf thermische Aspekte und die strukturelle Komponente ist von größerer Relevanz als bei der klassischen Fertigung.

Beim 3D-Druck steigt die Bedeutung des Wechselspiels zwischen Konstruktion, Fertigung und CAE. Das gilt insbesondere mit Blick auf die enge Verzahnung zwischen CAE und CAM. Dabei wird CAE-Technik aller Voraussicht nach die größte Rolle als Differenziator beim End-to-End-Prozess spielen. Insbesondere PLM-Anbieter, die bereits Erfahrung auf dem Gebiet der hybriden Fertigung haben, werden bei der Erweiterung auf 3D-Druckprozesse im Vorteil sein.

Die Fertigung der Zukunft

Additive Fertigung findet schon heute in vielen Bereichen statt. Mehr und mehr Unternehmen entdecken die schier grenzenlosen Möglichkeiten dieser Technologie für sich. Schließlich erstrecken sich die Vorteile gleich über mehrere Bereiche hinweg. Von der Produktentwicklung über die Konstruktion und die Fertigung bis hin zu den Geschäftsprozessen.

Zugleich wird die Additive Fertigung Konstrukteure zu Innovationen treiben, die heute noch völlig undenkbar sind. Parallel dazu vereinfachen Unternehmen ihre Produktionsprozesse und holen einzelne Bereiche der Produktion durch „In-Sourcing“ zurück. Damit haben sie die Möglichkeit, bessere Qualitätskontrollen zu betreiben und ihre Lagerhaltung zu reduzieren. Aufgrund dessen werden 3D-Drucker bereits innerhalb weniger Jahre zur Standardausrüstung in der Fertigung gehören.

* Der Autor Andreas Saar ist Vice President Manufacturing Engineering Solutions bei Siemens PLM Software.

Bildquelle: Thinkstock/iStock

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