Ausbruch aus dem Nischendasein?

Industrieller 3D-Druck im Mittelstand

Der industrielle 3D-Druck spielt eine immer größer werdende Rolle für Industrieunternehmen – das betrifft auch den deutschen Mittelstand. War die Umsetzung additiver Fertigungen hier bislang recht schwach, müssen 2018 nun endlich Taten folgen, um die Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu sichern.

  • Additives Fertigungsverfahren 3D-Druck

    Additive Fertigungsverfahren wie 3D-Druck stärken die Innovationskraft der Unternehmen.

  • 3D-Druck-Technologie mit hoher Variantenvielfalt

    Einen besonders großen Nutzen leistet die 3D-Druck-Technologie in Branchen mit einem starken Bedarf an Individualisierung in ihren Produkten und einer hohen Variantenvielfalt.

  • 3D-Drucker Druckgeschwindigkeit

    Herausforderungen verbergen sich hinter der Druckgeschwindigkeit sowie Materialentwicklung, wobei in diesen beiden Komponenten zugleich das größte Potential stecken soll.

  • Christoph Lindner, HP

    „3D-Druck-Verfahren bieten ein bisher ungeahntes Maß an Produktionsfreiheit. Sie ermöglichen die Herstellung von Teilen, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht möglich waren. Im ersten Schritt gilt es daher, Erfahrungen mit der Technologie zu sammeln.“ Christoph Lindner, HP

  • Dietmar Frank, EOS

    „Organisationen auf der ganzen Welt stehen unter wachsendem Druck, neue und disruptive Produkte schneller und besser als ihre Wettbewerber zu entwickeln. Gleichwohl sind sie manchmal langsam darin, den 3D-Druck in ihre Organisation einzubinden, weil die nötige Expertise schwer zu finden ist.“ Dietmar Frank, EOS

  • Daniel Cohn, Proto Labs

    „Entdeckt ein Entwickler einmal die Möglichkeiten des 3D-Drucks, ist es sehr schwer, sich wieder mit den Einschränkungen konventioneller Technologien abzufinden.“ Daniel Cohn, Proto Labs

  • René Gurka, Bigrep

    „Unsere Innovationsabteilung Nowlab steht mit verschiedenen Industrien in Verbindung, um gemeinsam den Einsatz von 3D-Druck zu erarbeiten.“ René Gurka, Bigrep

Die Schnelllebigkeit der Märkte erfordert kurzfristige Fertigungen „on demand“ sowie die agile Entwicklung neuer Produkte für lokale Märkte –
das ist mit additiven Produktionsverfahren, sprich 3D-Druck, möglich. Um also in Zukunft wettbewerbsfähig zu bleiben, „muss sich die Industrie jetzt mit den Möglichkeiten der Technologie befassen und konventionelle Fertigungsverfahren um den 3D-Druck ergänzen“, betont Dietmar Frank, Regional Director Central Europe bei EOS. Vor allem Erstausrüster (OEM) würden verstärkt auf die Vorteile der Technologie setzen und dies auch von ihren mittelständischen Zulieferern erwarten. Für produzierende Unternehmen bedeutet das: Sie müssen sich dringend mit 3D-Druck befassen, um auch zukünftig führend am Markt agieren zu können.

Das sieht auch Christoph Lindner so. Laut dem Sales Manager bei HP Deutschland wird 3D-Druck „zu einem wichtigen Differenzierungsmerkmal gegenüber dem Wettbewerb und zu einem unverzichtbaren Wachstumstreiber für mittelständische Unternehmen“. Die fortschreitenden technischen Möglichkeiten des 3D-Drucks würden ihnen völlig neue Chancen eröffnen. Additive Fertigungsverfahren stärken die Innovationskraft der Unternehmen, denn sie setzen Entwicklungskompetenzen und Kreativität frei und ermöglichen in einer immer schnelllebigeren Zeit eine rasche Umsetzung in marktrelevante Produkte.

Der süddeutsche Mittelständler Wehl & Partner, der projekt- und kundenspezifische Muster und Prototypen baut, setzt z.B. schon seit einigen Jahren auf die Vorteile des 3D-Drucks und die Lösungen von EOS. Aktuell verfügt das Unternehmen über fünf Systeme zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen und ein System zur additiven Fertigung von Metallteilen. Im September 2017 investierte Wehl & Partner dann mit dem Kauf eines neuen Metallsystems weiter in den 3D-Druck-Einsatz.

Kombi aus Leichtbau und komplexen Geometrien

Generell können alle Branchen von den Möglichkeiten des 3D-Drucks profitieren. Einen besonders großen Nutzen leistet die Technologie allerdings in Branchen mit einem starken Bedarf an Individualisierung in ihren Produkten und einer hohen Variantenvielfalt. „Das kann sich vom klassischen Maschinenbau über Medizintechnik, die Automobilbranche bis hin zu Entwicklungsbüros oder auch Architekturbüros erstrecken, um nur einige wenige zu nennen“, so Daniel Cohn, Geschäftsführer der Proto-Labs-Standorte in Deutschland. „Aber auch für Produktdesigner, Künstler und Konsumgüterhersteller ist es eine lukrative Technologie, die neue Möglichkeiten in Design, Innovation und Prototyping birgt“, ergänzt René Gurka, CEO der Bigrep GmbH. Nicht zuletzt investieren auch die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Transportbranche in die Forschung mit 3D-Druck.

Nehmen wir das Beispiel „Deutsche Bahn“: Sie testet, „wie viele ihrer Ersatzteile durch 3D-Druck produziert werden können“, weiß Gurka zu berichten. Das Unternehmen habe die Herausforderung, einige Ersatzteile nur sehr schwer zu bekommen oder hohe Stückzahlen abnehmen zu müssen, die wiederum gelagert werden müssten. Kann man diese Teile je nach Bedarf innerhalb kurzer Zeit im 3D-Druck-Verfahren gewinnen, spart man letztlich nicht nur an den Produktions-, sondern auch an den Lagerkosten.

Für eine additive Fertigung eignen sich laut Dietmar Frank am besten Teile, die eine hohe Designkomplexität sowie eine geringe Gewicht-zu-Volumen-Ratio haben. „Damit meine ich die Kombination von Leichtbau und komplexen Geometrien. Sind diese Anforderungen erfüllt, kann die Technologie ihr Potential voll ausspielen.“ Eine weitere Grundlage für den Erfolg sei die Möglichkeit, Bauteile Schicht für Schicht aus unterschiedlichen Metallen, Kunst- und Verbundwerkstoffen aufzubauen. So entstünden dann jene Teile mit höchst komplexen Strukturen, die gleichzeitig extrem leicht und stabil seien.

Nicht zuletzt sind schnelle Durchlaufzeiten für die additive Fertigung typisch: Das heißt, von der Idee über die Vorserie bis zum Serienprodukt muss es nicht mehr Monate dauern – das Ganze funktioniert auch in wenigen Wochen. Damit unterstützt der 3D-Druck den allgemeinen Trend zu immer größerer Produktindividualisierung und immer kürzeren Produktlebenszyklen.

Neues Denken erforderlich

Entgegen dem wohl allgemein verbreiteten Glauben soll der industrielle 3D-Druck allerdings nicht so einfach umzusetzen sein. Das geringste Problem stellt laut Daniel Cohn die Integration in die vorhandene IT-Infrastruktur eines Unternehmens dar. Anspruchsvoller werde es bei der tatsächlichen Nutzung, denn um das Potential jener Technologie auszuschöpfen und qualitativ hochwertige Teile reproduzierbar herzustellen, „ist ein erheblicher Aufwand erforderlich“. Das fängt bei der Datenaufbereitung und der Vorbereitung der Abläufe für die Maschine an, geht über die enge Prozesskontrolle der eingesetzten Materialien, Maschinenparameter, Maschinenwartung etc. und endet in den nachgelagerten Prozessen, die beispielsweise im Stereolithografie-Bereich (technisches Prinzip des Rapid Prototyping) auch einiges an Sachverstand in der Anwendung von chemischen Lösungsmitteln abverlangen. „Daher wird es meines Erachtens nur wenigen, sehr großen Firmen vorbehalten sein, 3D-Druck innerbetrieblich im größeren Maßstab umzusetzen“, meint Cohn. Viele Unternehmen müssen also erst einmal auf spezialisierte Dienstleister setzen, welche eine durchgängige Qualität bezüglich der Materialgüte, Toleranzen, Eigenschaften usw. sicherstellen können.

Zumindest die Integration von 3D-Druckern stellt auch René Gurka als weniger kompliziert dar: „Der Vorteil unserer Drucker besteht darin, dass diese nach Anlieferung sofort einsatzfähig sind.“ Die großformatigen FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) verfügten über eine eigene Software und die Daten würden per Datenverbindung oder USB-Stick an den Drucker gegeben werden. Dahinter verberge sich letztlich das gleiche Prinzip wie bei einem handelsüblichen Dokumentendrucker.

Eine Schulung im 3D-Druck halte er dennoch immer für ratsam. Bekräftigt wird er von Christoph Lindner: „Wie bei jeder neuen Technologie sind auch bei der Einführung von 3D-Druckern Schulungen nötig“, so der HP-Sales-Manager. Ebenso halte er „ein neues Denken“ für wichtig, um das volle Potential des 3D-Drucks beim Einsatz im Produktionsablauf auszuschöpfen. Nicht zuletzt müssen bei der Nutzung der Geräte natürlich eine Reihe von Vorgaben eingehalten werden. Und vor allem die Prozesskontrolle ist ein entscheidender Faktor, welcher eben auch einen entsprechenden Aufwand und Anspruch an das Personal mit sich bringt. Nach Erfahrung von Proto Labs können sich hier Mitarbeiter mit einem Hintergrund in CAD, Werkzeug- und Modellbau, Industriemechanik oder Äähnlichem „sehr gut auf die Erfordernisse des 3D-Drucks einstellen“.

Systeme für den Industrieeinsatz bietet mitunter EOS. Das ganzheitliche Service- und Beratungsangebot decke dabei alle Unternehmensanforderungen ab: vom ersten Kontakt mit der additiven Fertigungstechnologie bis hin zu ausgereiften Lösungen im laufenden Betrieb. „Unsere Systeme sind außerdem IIoT-ready und können bereits heute in vorhandene IT-Infrastrukturen sowie vorhandene MES/ERP-Anwendungen integriert werden“, beschreibt Dietmar Frank das Produktportfolio. „Maschinen- und Produktionsdaten lassen sich damit nahezu in Echtzeit sammeln, auswerten und bereitstellen.“ Man hätte zudem eine intuitive App entwickelt, mit der sich Daten in einem Dashboard visualisieren ließen. Dies ermögliche eine benutzerfreundliche Überwachung des Maschinenparks. Nichtsdestotrotz stellen der Aufbau von Fachwissen sowie das Sammeln von Erfahrungen in der eigenen Organisation rund um die 3D-Technologie für viele Unternehmen zunächst einmal eine Herausforderung dar.

Vertretbare Kosten?

Weitere Herausforderungen verbergen sich hinter der Druckgeschwindigkeit sowie Materialentwicklung, wobei in diesen beiden Komponenten zugleich das größte Potential stecken soll. „Es ist noch nicht möglich, Objekte serienmäßig und kosteneffizient zu produzieren“, betont René Gurka. Kein bisheriges 3D-Druck-System schließe einen Serienkreislauf und produziere Produkte am laufenden „Fließband“. Gurka ist jedoch zuversichtlich: Sein Unternehmen arbeite derzeit an entsprechenden Lösungen und werde spätestens in zwei Jahren so weit sein, Serienproduktionen anbieten zu können.

Grundsätzlich lege man Wert darauf, industrielle Maschinen „zu vertretbaren Kosten“ zu produzieren, „um den Zugang zu 3D-Druck für fast jedes Unternehmen erschwinglich zu machen“, so der CEO. Konkrete Zahlen sollen das verdeutlichen: Zum Beispiel liegen die Anschaffungskosten für das Modell „One“ mit einem Druckvolumen von 1 m3 bei 50.000 Euro. Das kleinere Modell „Studio“ mit einem Druckvolumen von 500 x 1.000 x 500 mm sei für 31.000 Euro zu bekommen. Früher hätten solche Drucker noch das Zehnfache gekostet.

Auch HP verspricht Kostenvorteile: „Mit der Jet-Fusion-3D-4210-Drucklösung ist uns ein wichtiger Schritt bei den Produktionskosten gelungen“, meint Christoph Lindner. Die neue Technologie verringere die Gesamtbetriebskosten und erlaube gleichzeitig erhöhte Produktionsvolumina. Dabei würden die Stückkosten bis zu 65 Prozent geringer ausfallen als bei anderen 3D-Druck-Methoden.

Um große Enttäuschungen zu vermeiden, sollten Firmen letztlich auf die Total Cost of Ownership (TOC) achten, wenn sie sich 3D-Technologie zulegen wollen. „Es ist meines Erachtens nur schwer möglich, als Mittelständler nebenbei ein wenig 3D-Druck für den Eigenbedarf zu machen“, zeigt sich Daniel Cohn realistisch. Man muss also die Gesamtkosten und die damit verbundenen Ressourcen genau abwägen. Welche sind überhaupt die richtigen Anwendungen und Bauteile, bei denen der industrielle 3D-Druck seine Vorteile voll ausspielen kann? Auch ist es wichtig, sich darüber zu informieren, welche Anforderungen in den Bereichen „Umweltmanagement“ oder „Arbeitsschutz“ mit einer solchen Anschaffung im Haus relevant werden. Im Speziellen wären das z.B. aufwendige Absauganlagen, die Handhabung von Chemikalien, Staubbelastungen etc.

Gut wäre es für Mittelständler, ein Partnerunternehmen zu finden, das nicht nur den passenden 3D-Drucker liefert, sondern darüber hinaus die Möglichkeit bietet, an einem Testgerät einen Durchlauf durchzuführen. „Bevor sich ein Unternehmen dazu entscheidet, einen 3D-Drucker zu kaufen, sollte definitiv genügend Zeit darauf verwendet werden, die individuellen Anforderungen zu hinterfragen und Testläufe durchzuführen“, bekräftigt Christoph Lindner, „um anschließend die beste Technologie für die eigenen Zwecke wählen zu können.“

Eher früher als später

Die Branche ist mehr denn je in Bewegung. Der Einstieg vieler „Big Player“ in den 3D-Markt wird die Entwicklung wohl beschleunigen, ist sich Daniel Cohn sicher. Schon jetzt könne man sagen, „dass in den letzten zwei Jahren im 3D-Druck mehr weiterentwickelt wurde als in den 15 Jahren davor“. Damit werde 2018 ein wichtiges Jahr sein, in dem der 3D-Druck aus seinem Nischendasein ausbrechen wird. Auch Dietmar Frank sieht die Entwicklungen positiv. Die Technologie werde stetig weiterentwickelt. „Ich denke hier vor allem an folgende Themen: Erweiterung des verfügbaren Werkstoffportfolios für den industriellen 3D-Druck, die Steigerung der Systemproduktivität in Verbindung mit deutlicher Reduktion der Teilekosten und eine zunehmende Automatisierung.“

Apropos „Automatisierung“: Im Zuge eines gemeinsamen Projekts wollen der Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec, Daimler sowie EOS den Gesamtprozess des industriellen 3D-Drucks weiter automatisieren. Dazu wird das Projektteam den gesamten additiven Fertigungsprozess auf Automatisierungspotentiale hin prüfen – von der Zuführung des Metallpulvers bis zu den Verarbeitungsschritten nach dem eigentlichen Bauvorgang. Davon versprechen sich die Partner Kostenvorteile und wichtige Grundlagen, um die Technologie zukünftig für Großserien nutzen zu können. Neben René Gurka und Christoph Lindner ist auch Daniel Cohn davon überzeugt, dass die Großserienproduktion kommen wird. „Bei dem Tempo, das die Technologie aktuell aufnimmt, eher früher als später“, so der Proto-Labs-Chef abschließend.

Bildquelle: Thinkstock/iStock/HP/Proto Labs/EOS/Bigrep

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