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Automatisierung von morgen – How additive is your manufacturing footprint?

Die Vorteile additiver Fertigungsverfahren wurden schon in einer Vielzahl von Publikationen dargestellt: Komplexe Geometrien und Produkte können zu wettbewerbsfähigen Kosten in kleinen Stückzahlen gefertigt werden. Immer mehr Materialien, wie Metalle und Kunststoffe, Keramiken oder Glas können additiv gefertigt werden. Inzwischen hat sich vielerorts der Fokus verschoben. Diskutiert werden die Auswirkungen auf die Geschäftsmodelle und die Wertschöpfungsketten, ebenso wie die Frage, welche strategischen Schritte gegangen werden müssen, um die Vorteile voll ausschöpfen zu können.

Einige Grundlagen vorweg: Additive Fertigung bezeichnet hoch flexible Verfahren, bei denen ein Bauteil schichtweise ohne spezielle bauteilabhängige Werkzeuge aufgebaut wird. Durch die hohe Flexibilität ist es möglich, selbst eine Losgröße-1-Fertigung effektiv zu realisieren. Aufgrund des schichtweisen Vorgehens können komplexe Geometrien gefertigt werden, die mit formativen und subtraktiven Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht herstellbar sind. Da keine bauteilspezifischen Werkzeuge wie beispielsweise Gussformen benötigt werden, kann die Produktion direkt nach dem Design der CAD/CAM-Modelle starten.

Die Auswirkungen einer so simplifizierten Produktion sind ebenso vielfältig wie tiefgreifend. So ermöglicht dies etwa eine Produktion von Ersatzteilen am designierten Einsatzort – der Versand aus dem Produktionswerk entfällt, lange Lieferzeiten werden hinfällig, grundlegend anders aufgebaute Supply Chains möglich. Die Lieferung erfolgt digital und die Rohmaterialien rücken in den Fokus der Logistik.

Durch den Einsatz diverser additiver Fertigungsverfahren kann eine Vielzahl an Materialien zur Produktion eingesetzt werden. Neben Metallen und Polymeren können u.a. Keramiken und Kunstharze verarbeitet werden. Die Kombination der verschiedenen Materialien in einem Fertigungsprozess ermöglicht auf diese Weise selbst die Fertigung von hochkomplexen Bauteilen wie beispielsweise Leiterplatten.

Der Einsatzzweck bestimmt das Verfahren

Auch wenn sich alle additiven Fertigungsverfahren durch das schichtweise Vorgehen in der Fertigung auszeichnen, können die Verfahren anhand der angewendeten physikalischen Prozesse klassifiziert werden. Die gängigsten Verfahren lassen sich in vier Gruppen kategorisieren:

Material Extrusion

Material Extrusion stellt das bekannteste Verfahren der additiven Fertigung dar. Das Modell bzw. Bauteil wird durch das Extrudieren von aufgeschmolzenen Materialströmen – Filamente oder Granulate – hergestellt, die schichtweise aufgetragen werden und danach sofort erhärten. Das Verfahren ermöglicht die Fertigung von komplexen Strukturen mit hoher Stabilität und aus verschiedensten Materialien (nahezu alle industriellen Thermoplaste), allerdings ist die Prozessgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren eher gering. Zu den eingesetzten Technologien zählen Fused Deposition Modeling und Arburg Kunststoff-Freiformen.

Powder Bed Fusion

Die Pulverbettverfahren (Powder Bed Fusion) sind im industriellen Umfeld die am meisten genutzten additiven Fertigungsverfahren. Die Objekte werden durch selektive Wärme- oder Bindemitteleinbringung in pulverförmiges Material hergestellt. Dies kann durch Laserstrahlen erfolgen (Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting) oder durch Elektronenstrahlen (Electron Beam Melting). Es können auch sog. Fusing Agents über einen Druckkopf eingebracht werden, die ein späteres Verschmelzen mit einer Infrarot-Wärmequelle ermöglichen (Multi Jet Fusion) oder aber Bindemittel, die die Partikel verbinden (Binder Jetting). Das ungebundene Material im Pulverbett dient zusätzlich der Unterstützung feiner, noch instabiler Strukturen. Je nach Anforderungen an die Oberflächengüte sind Nachbearbeitungen erforderlich.

VAT Photopolymerisation

Bei diesen Verfahren werden Photopolymere, beispielsweise Harze, durch selektive Einwirkung von UV-Licht (z.B. Laser oder Projektor) durch Lichthärtung (Photopolymerisation) in einen Feststoff gewandelt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Präzision und der Möglichkeit zur Fertigung besonders komplexer Geometrien mit hoher Oberflächengüte aus. Während des Prozesses können allerdings, abhängig von den zu fertigenden Geometrien, tragende Strukturen erforderlich sein. Zu den eingesetzten Technologien zählen Stereolithographie und Continuous Digital Light Processing.

Material Jetting

Material Jetting kombiniert Druckköpfe, die Photopolymere tröpfchenweise auftragen (ähnlich wie die Tinte in Tintenstrahldruckern) und UV-Licht, das zur Photopolymerisation und damit Verfestigung der Tröpfchen führt. Die Verfahren zeichnen sich durch eine interessante Materialvielfalt aus, wodurch auch flexible Teile produziert werden können, Teile aus Materialkombinationen, durchscheinend oder in Vollfarbe. Zu den Material-Jetting-Verfahren gehören PolyJet (Stratasys) und MultiJet (3D Systems). Neue Verfahren ermöglichen das Drucken von Leiterplatten aus einer Materialkombination aus Photopolymeren und Silber-Nano-Tinte: Additively Manufactured Electronics (Nano Dimension).

Vorurteile gegenüber additiver Fertigung sind überholt

Vorurteile gegenüber der additiven Fertigung halten sich hartnäckig. Additive Fertigungsverfahren wären nur für Prototypen und Spielzeug und schon gar nicht für die Großserienproduktion geeignet. Außerdem seien diese Herstellungsverfahren viel zu teuer. Doch diese Vorurteile sind überholt – die additive Fertigung ist reif für den produktiven Einsatz. Dies beweist Boeing bereits mit den 304 additiv hergestellten Teilen im GE9X-Triebwerk. Dieses gilt als eines der leistungsstärksten Triebwerke der Welt, das im Einsatz höchsten Druckverhältnissen und Temperaturen ausgesetzt ist. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz bei Align Technology, Marktführer für Kunststoffschienen in der Kieferorthopädie, mit Millionen Kunden weltweit. Align Technology setzt in der Produktion auf additive Fertigung und fertigt täglich mehr als 320.000 einzigartige Kunststoffschienen additiv. Darüber hinaus gibt es weitere additive Fertigungsverfahren, wie beispielsweise den 3D-Siebdruck, wodurch Bauteile mit komplexen Geometrien in siebenstelliger Stückzahl problemlos produziert werden können.

Auch die Kostenentwicklung ist mehr als positiv. In den letzten fünf Jahren sind die Kosten beispielsweise pro additiv verarbeitetem Kilogramm Aluminium bereits um mehr als 50 Prozent gefallen. Und wir erwarten weiter sinkende Preise, analog zu der bereits erlebten Entwicklung für Industrieroboter. Hier haben sich seit den 90er Jahren die Kosten um 80 Prozent reduziert. Was früher teurer Luxus war, ist heute in vielen Produktionen Standard.

Anwendungsfälle zeigen: Additive Fertigung ist erfolgreich in der Industrie angekommen

Es gibt einige Beispiele, die das große Potenzial der Herstellungsverfahren für unterschiedliche Einsatzzwecke untermauern:

  • Procter & Gamble: Herstellung optimaler Werkzeuge für die Produktion (Link)
  • Toolcraft: Hochpräzise, komplexe Leichtbauteile aus dem 3D-Metalldrucker (Link)
  • Mercedes Benz LKW: Gedruckte Kleinserien-, Ersatz- und Sonderteile (Link)
  • General Electric: Konsolidierung der Einzelteile für ein Triebwerk von 855 auf nur 12 (Link)
  • SMS Group: Produktionssystem für die Serienfertigung – von der Pulverfertigung bis zum Endprodukt (Link)
  • Miele: Kostenfreier Download von Zubehörinformation für den privaten 3D-Drucker (Link)

Diese Anwendungsfälle zeigen einerseits jetzt schon eindrucksvoll das enorme Potenzial, das diese Produktionstechnik beherbergt, andererseits unterstreichen sie die Bedeutung für die produzierende Industrie. Was uns zu der folgenden strategischen Hypothese führt.

Additive Fertigung wird die klassische Fertigung verändern wie das Internet den Einzelhandel verändert hat.

Die strategische Hypothese

Für Unternehmen der Automatisierungs- und Antriebstechnik verteilt sich der Impact auf drei Ebenen:

1. Produkt

Stichwort Mass Customization: Eine flexible und werkzeuglose Produktion begünstigt die Herstellung individueller Produkte für jede Losgröße bei einer reduzierten Anzahl an Produktionsschritten enorm und minimiert so langfristig Auslastungsrisiken. Hinzu kommen die völlig neuen Möglichkeiten, welche sich durch die Realisierbarkeit komplexer Geometrien und möglicher Materialeinsparungen ergeben. Gerade im Bereich des Leichtbaus können so weitere Potenziale gehoben werden.

2. Value Chain

Halbfabrikate entfallen, Ersatzteile werden digital vorgehalten, Sicherheitsbestände sinken. Die virtuelle Datenübertragung vereinfacht nicht nur grundlegend die Optimierung des Working Capitals, sondern ersetzt einen großen Teil der Logistik (Virtual Delivery) und unterstützt so eine Dezentralisierung von Produktionsstätten. Dabei ermöglicht der hohe Automatisierungsgrad in der additiven Fertigung eine Reevaluierung des globalen Fertigungs-Footprints hinsichtlich einer Lokalisierung auch in Hochlohnländern.

3. Business Model

Die Vermischung der klassischen und digitalen Geschäftsmodelle führt zu neuen Konzepten wie On-Demand Manufacturing, lokaler Vertrieb, Lizenzfertigung, aber auch zu neuen Playern wie beispielsweise Printshops. Exemplarisch für neue Geschäftsmodelle ist das Digital Inventory: Anstatt des physischen Produkts werden Daten plattformbasiert gehandelt und am Einsatzort gefertigt.

Unternehmen der Automatisierungs- und Antriebstechnik sollten additive Fertigung für sich bewerten…

Die folgenden fünf strategischen Prüffragen können Ihnen dabei helfen, den INSIGHT für das eigene Unternehmen einzuordnen:

  1. Kann mittels additiver Fertigung ein Produkt optimiert bzw. für weitere Einsatzzwecke befähigt werden oder ermöglicht die additive Fertigung sogar die Herstellung weiterer, technisch bisher nicht realisierbarer Produkte?
  2. Lässt sich Ihre Supply Chain durch den Einsatz additiver Fertigungsmethoden optimieren oder der Wertschöpfungsprozess effektiver gestalten?
  3. Liegt Ihr Wettbewerbsvorteil aktuell in Ihren Fertigungskompetenzen und könnten diese durch den Einsatz von additiver Fertigung in den Hintergrund treten?
  4. Könnten in Zukunft ernstzunehmende, additiv produzierende Konkurrenten auftauchen und Ihre etablierten Produkte aus dem Markt drängen?
  5. Könnten neue, digitale Konzepte Ihr bisheriges Geschäftsmodell gefährden oder sehen Sie Chancen in der eigenen Umsetzung dieser Konzepte für Ihre Firma?

... und Handlungen ableiten

Je nach Zustimmung oder Ablehnung der strategischen Prüffragen ergeben sich Handlungsempfehlungen für das Leistungsangebot und die eigene Fertigung.

OBSERVE – Sollten Sie die strategischen Prüffragen weitestgehend mit „Nein“ beantwortet haben, dann trifft auch die strategische Hypothese für Ihr Branchenumfeld nicht zu. Von entspanntem Zurücklehnen würden wir trotzdem abraten. Beobachten Sie aktiv bereits identifizierte Anwendungsfälle in der Fachpresse oder auf Messen und Kongressen. Prüfen Sie außerdem in regelmäßigen Abständen kritisch, ob die technische Entwicklung die Relevanz für Ihr Unternehmen verändert und inwieweit die Anforderungen Ihrer Kunden an die Individualisierung der eigenen Produkte zunehmen.

ACT – Stimmen Sie der strategischen Hypothese grundsätzlich zu, empfinden jedoch die Formulierung als etwas zu drastisch? Dann hatten Sie wohl auch gemischte Gefühle bei der Beantwortung der Prüffragen. Es empfiehlt sich, relevante Anwendungsfälle in der Produktion und Kundenanforderungen an Produkte zu identifizieren, um Klarheit zu schaffen. Prüfen Sie Ihr Produktportfolio auf einen wirtschaftlichen und technischen Fit möglicher Pilot-Produkte.

RUN – Sie stimmen allen gestellten Prüffragen klar und ohne Zögern zu? Dann sollte Ihr Unternehmen eher früher als später beginnen, den eigenen Wettbewerbsvorteil langfristig zu sichern und auszubauen. Suchen Sie Experten für den Aufbau einer ersten Testanlage, testen Sie dort konkrete Anwendungsfälle und produzieren Sie erste Prototypen. Bewerten Sie im Anschluss die Auswirkungen einer Skalierung auf Business Model und Value Chain und definieren Sie einen Rollout-Plan auf weitere Bauteile, Produkte und Produktgruppen.

Aktuell gewinnt das Thema additive Fertigung immer mehr an Bedeutung – gerade vor dem Hintergrund des aktuellen Abschwungs, um ein Vielfaches verstärkt durch die Covid-19-Pandemie. Bietet die additive Fertigung für Sie Lösungsmöglichkeiten? Ist sie für Ihren Einsatzzweck überhaupt serienreif? Wie verändert die Technologie Ihr Geschäftsmodell und Ihr Marktumfeld? Ob Sie unserer Hypothese zustimmen oder nicht, wir sind überzeugt, dass die additive Fertigung einen großen Umbruch für die Branche bedeutet und uns in den nächsten Jahren noch intensiv begleiten wird.

Wir führen derzeit eine Befragung zum Thema „Additive Fertigung in der produzierenden Industrie – Erwartungen und Nutzen für das Geschäftsmodell und die Supply Chain“ durch. Über diesen Link können Sie teilnehmen. In Kürze werden wir die Ergebnisse im Rahmen der AUTOMATION INISGHTS präsentieren.

Dinter, J. (series3d GmbH) / Storz, V. (series3d GmbH) / Kittelberger, D. / Weinrich, J.

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