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Additive Fertigung Am Anfang steht der Plan

| Autor / Redakteur: Klaus Löckel* / Joscha Riemann

Komplexe Geometrien kundenspezifisch gefertigt, kostengünstig und standortunabhängig: 3D-Druck bringt neue Freiheiten in die produzierende Industrie. Um das volle Potenzial der Technologie auszuschöpfen, müssen Unternehmen abwägen, ob sich AM für ihre Bedürfnisse überhaupt eignet und welche Tools erfolgskritisch sind.

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Klaus Klöckel ist Managing Director EuroCentral bei Dassault Systèmes, und verantwortet die Geschäftstätigkeiten sowie das strategische Wachstum.
Klaus Klöckel ist Managing Director EuroCentral bei Dassault Systèmes, und verantwortet die Geschäftstätigkeiten sowie das strategische Wachstum.
(Bild: Dassault Systèmes)

Wo traditionelle Herstellungsverfahren an ihre Grenzen stoßen, eröffnet die neue Fertigungstechnik ungeahnte Möglichkeiten: Mehr Freiheiten bei der Konstruktion, mehr Kosteneffizienz und weiterreichende Digitalisierung. Laut einer Bitkom-Studie aus dem Jahr 2017 sind Wachstumsmärkte für die additive Fertigung vor allem Luftfahrt, Medizin und Konsumgüter. Hier kommen die Vorteile des Verfahrens besonders zum Tragen. Mit der additiven Fertigung lassen sich jetzt auch hochkomplexe Geometrien realisieren, die sich an der Natur orientieren, beispielsweise Spinnennetz- und Spiralformen, selbsttragende Gitteranordnungen und Zellenkonstruktionen, die von Waben oder Knochen inspiriert sind.

Damit können Leichtbau-Konstruktionen kosteneffizienter umgesetzt werden. Die bionische Konstruktionsmethodik, kombiniert mit 3D-Druck, reduziert laut der Bitkom-Studie Materialgewicht und Gesamtmaterialverbrauch einzelner Teile um bis zu 90 Prozent. Doch erst eine an die additive Fertigung angepasste, vollständig virtuelle Produktentwicklung ermöglicht es, von all diesen Vorteilen zu profitieren und gleichzeitig kostspielige Probe- bzw. Fehldrucke zu vermeiden.

Da es sich um ein Produktionsverfahren handelt, das die gesamte Wertschöpfungskette betrifft, muss es schon früh im Prozess mitgedacht werden. Das beginnt bei der Erstellung von 3D-Datensätzen mit softwaregestützten Methoden und kann sich dann weiter über die Bauteiloptimierung, den Druckvorgang selbst sowie die Nachbearbeitung der gedruckten Teile erstrecken. Unternehmen, die den Einsatz von 3D-Druck in Erwägung ziehen, sollten in ihren Überlegungen sogar noch weiter zurückgehen. Sie sollten sich zunächst die Frage stellen, ob es überhaupt sinnvoll ist, das neue Fertigungsverfahren einzusetzen. Das ist beispielsweise davon abhängig, ob und mit welchen Materialien sich die benötigten Komponenten und Produkte fertigen lassen. Die Anforderungen sind je nach Branche unterschiedlich.

Materialien und Verfahren

Gerade in der Automobilbranche und der Luft- und Raumfahrt werden leichte, robuste Teile immer stärker nachgefragt, da Verbraucher, Regierungen und Hersteller zunehmend auf den ökologischen Fußabdruck achten. Hier kommen Verbundwerkstoffe ins Spiel: Kombiniert man Kohlefaser und technischen Kunststoff können extrem starke und dennoch leichte Produkte gefertigt werden, gerade wenn sie aus komplexen geometrischen Formen bestehen. Durch Fused Deposition Modeling (FDM) werden die Materialien geschmolzen und schichtweise von unten nach oben aufgetragen. Bei dieser Form des 3D-Drucks wird erhitztes Thermoplast durch eine Düse gespritzt. Mit diesen „dünnen Fäden“ werden die einzelnen Schichten eines zerlegten CAD-Modells nachgezeichnet. Beim Aufspritzen verbindet sich das Material vor dem Aushärten mit dem darunterliegenden und angrenzenden Material, bis die gewünschte Anzahl an Schichten zur Fertigstellung erreicht ist.

Bei der Wahl des Materials gibt es noch andere Möglichkeiten: Es lassen sich auch super leichte Konstruktionen mit Metall drucken. Das ist vor allem für die Serienproduktion in der Luft- und Raumfahrt interessant. Hier wurde beispielsweise ein neuer, virtueller Prozess entwickelt, der alle Parameter entlang des Wertschöpfungsprozesses digital validiert und speichert. So wird der gesamte Fertigungsprozess replizierbar und skalierbar. Für die Konstruktion bedeutet das eine erhebliche Erleichterung: Konzeptionelle Entwürfe können optimiert und während jeder Phase virtuell validiert werden. Das vereinfacht auch die Einhaltung von Normen und Zertifizierungsstandards, denn eine End-to-End-Lösung stellt eine zentrale Datenbank zur Verfügung, die standardisierte Parameter für vorgelagerte Prozesse wie Materialauswahl und Design und nachgelagerte wie Fertigung und Tests definiert. Wer in der additiven Fertigung also 3D-Design mit Engineering und Simulation verbindet, kann Bauteile wesentlich optimieren.

Anwendungstools

Dazu reicht eine moderne Konstruktionssoftware alleine allerdings nicht mehr aus. Um alle Potenziale der additiven Fertigung zu nutzen, ist eine Vernetzung verschiedener Tools notwendig. Für ein agiles Gesamtsystem ist eine durchgängige Datenbasis wichtig, die den gesamten Prozess digital und dreidimensional abbilden kann. Über eine Plattform können alle Akteure vernetzt und Konstruktionsdaten unternehmens- und abteilungsübergreifend verwaltet werden. Das bedeutet: 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 Simulationswerkzeuge mit dem Produktionsprozess nicht möglich. Das funktioniert, indem die Simulationsanwendung direkt auf die Konstruktionsdaten aus dem bestehenden CAD-Programm zugreift und auf Knopfdruck errechnet, ob 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 und eine für die Fertigung sinnvolle Konstruktion und Produktionsart entstanden ist. Die Simulation begleitet den gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozess und ermöglicht eine schnelle Analyse. Mit ihrer Hilfe sind Unternehmen in der Lage, unterschiedliche Anforderungen der Märkte und Kunden zu berücksichtigen.

Implementierung in die Produktion

3D-Druckteile sind längst nicht mehr nur für den Einsatz und die Erprobung in Forschung und Entwicklung oder Innovationsteams gedacht, sondern finden heute tatsächlich Anwendung – immer mehr auch im kommerziellen Bereich. Da immer mehr Anwendungen finanziell und technologisch realisierbar werden, müssen Maßnahmen eingeleitet werden, um die Komplexität bestehender Fertigungsprozesse für die Dokumentation kritischer Variablen, Prozesseigenschaften, Materialien und Inspektionen abbilden zu können.

Bei der Implementierung der additiven Fertigung in die Produktion gilt es deshalb, drei wichtige Schritte zu beachten:

1. Prüfen Sie die Startbedingungen sehr genau: Sind erst einmal viele Tausende Euro in eine Maschine investiert, folgt schnell die Erkenntnis, dass diese allein nicht ausreicht, um den 3D-Druck sicher und effektiv nutzen zu können. Weitere Kostenpunkte sind beispielsweise Material, Nachbearbeitungsgeräte, Sicherheitsausrüstung und Schulungen. Das gilt insbesondere für den 3D-Druck mit Metall. Denn hier müssen die Teile nach Herstellung noch wärmebehandelt, von der Platte gelöst, oberflächenbehandelt und poliert werden. Dabei entscheidet die Flexibilität und Agilität eines Unternehmens darüber, ob das Projekt schnell anläuft oder teure Verzögerungen entstehen. Achten Sie auch auf wichtige Themen wie Geschäftsstrategie, Personal- und Organisationsstruktur, Prozesse, Materialien, Software und Anlagen.

2. Überdenken Sie das Design und Ihre Ausrüstung: Der größte Vorteil des 3D-Drucks gegenüber anderen Fertigungstechnologien ist, dass sich Teile komplexer gestalten lassen, ohne dass zusätzliche Kosten entstehen. Um 3D-Druck effektiv und mit allen Vorteilen nutzen zu können, müssen Sie in der Lage sein, Teile problemlos umzugestalten und neu zu erfinden. Unternehmen, die dafür weder technisch noch kreativ gerüstet sind, werden damit zu kämpfen haben, den Return on Investment zu erreichen. Denn dann müssen sie im wahrsten Sinne des Wortes auf das Reißbrett zurückgreifen.

3. Entwickeln Sie einen ausgeklügelten Workflow: Sobald Unternehmen beginnen, den 3D-Druck in die Produktion einzugliedern, stehen sie vor der Herausforderung, einen Workflow zu etablieren, der sowohl Effizienz als auch Qualität der Teileentwicklung gewährleistet. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die Teilequalität während des gesamten Prozesses beeinflussen – etwa Konstruktion, Materialeinsatz, Verarbeitung, Nachbearbeitung und Inspektion. Innerhalb jeder dieser Rubriken gibt es Dutzende von Variablen, die dokumentiert und kontrolliert werden müssen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Entwicklung von Branchenspezifikationen und -standards noch in den Kinderschuhen steckt. Unter dem Strich beginnen Unternehmen gerade erst, die additive Fertigung in ihre Produktionsprozesse zu integrieren.

Fazit

Wir befinden uns mitten in einem Wandel. Die Renaissance der Industrie wird von digitalen Technologien wie der additiven Fertigung vorangetrieben, die Unternehmen ganz neue Möglichkeiten eröffnen und neue Lösungen für neue Kunden zutage bringen. Bevor Unternehmen aber auf neue Technologien setzen, sollten sie ihr geplantes Geschäftsmodell genau prüfen.

* Klaus Löckel ist Managing Director EuroCentral bei Dassault Systèmes, und verantwortet die Geschäftstätigkeiten sowie das strategische Wachstum. Vor seinem Wechsel war der M. Sc. für Luft- und Raumfahrt in verschiedenen leitenden Positionen bei Daimler und SAP tätig.

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