In dieser Abschlussarbeit wird untersucht, unter welchen Voraussetzungen industrielle Metall-3D-Drucker von KMU wirtschaftlich betrieben werden können. Die erarbeitete Entscheidungsgrundlage soll Unternehmen dabei helfen, eine erste Selbsteinschätzung vorzunehmen, geeignete Verfahren zu bestimmen und entsprechende Maßnahmen abzuleiten.
Dazu werden zunächst die theoretischen Grundlagen rund um den Bereich der additiven Fertigung näher beleuchtet. Darüber hinaus werden die Unterschiede zwischen den derzeit gängigsten Fertigungsverfahren erörtert und die Einsatzmöglichkeiten aufgezeigt. Der in dieser Arbeit durchgeführte Praxistransfer dient dazu, die Machbarkeit der entwickelten Entscheidungsgrundlagen zu testen.
Das Ergebnis zeigt unter anderem, wie signifikant die Herstellungskosten letztlich von den Materialpreisen abhängen. Obwohl die Preise insbesondere für Metallpulver in Zukunft weiter sinken werden, bleiben sie aufgrund der aufwändigen Herstellung immer weit über dem Niveau des Metallgusses. Grundsätzlich gilt für ein Bauteil: je kleiner das Volumen und die Höhe, desto weniger Material wird benötigt und desto weniger Schichten müssen gedruckt werden, was die Stückkosten effektiv senkt. Daher ist die Nutzung geometrischer Freiheiten in Form von Hohlkörpern und Netzstrukturen entscheidend.
Ein einfacher Wechsel von konventioneller zu additiver Fertigung für Standardteile ist selbst bei einer Kleinserie nicht wirtschaftlich, wenn diese bereits integriert ist. Dies gilt nicht nur für die Investition in eine eigene Anlage, sondern auch für die Inanspruchnahme eines externen 3D-Druck-Dienstleisters. Damit der industrielle 3D-Drucker rentabel wird, müssen im Vorfeld speziell für den 3D-Druck konzipierte Komponenten entwickelt werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau und Vorgehensweise
2 Unternehmensvorstellung
3 Grundlagen und Definitionen
3.1 Definition von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU)
3.2 Additive Fertigung im Kontext von Industrie 4.0
3.3 Einordnung additiver Fertigungsverfahren
3.4 Prozesskette der additiven Fertigung
4 Additive Fertigungsverfahren für Metalle
4.1 Pulverbettbasierte Verfahren
4.1.1 Selektives Laserschmelzen (SLM™)
4.1.2 Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)
4.1.3 Elektronenstrahlschmelzen (EBM™)
4.1.4 Metal Binder Jetting (MBJ)
4.2 Extrusionsbasierte Verfahren
4.2.1 Bound Metal Deposition (BMD)
4.2.2 Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM)
4.2.3 Nano Particle Jetting™ (NPJ)
4.3 Auftragsverfahren
4.3.1 Laserauftragschweißen (LMD)
4.3.2 Extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragsschweißen (EHLA)
4.3.3 Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)
4.4 Zusammenfassung der Additiven Fertigungsverfahren
5 Materialien für den Metalldruck
5.1 Aluminium
5.2 Werkzeugstahl
5.3 Edelstahl
5.4 Kobalt-Chrom
5.5 Nickel
5.6 Titan
5.7 Kupfer
6 Einsatzbereiche in der Produktion
6.1 Rapid Prototyping
6.2 Rapid Tooling
6.3 Rapid Repair
6.4 Rapid Manufacturing
7 Vorreiterbranchen der additiven Metallfertigung
7.1 Medizin
7.2 Luft- und Raumfahrt
7.3 Werkzeug- und Maschinenbau
7.4 Automobil
7.5 Sonstige
8 Entscheidungsgrundlage über additive Metallfertigung
8.1 Schlüsselfaktoren für die Produktentwicklung
8.2 SWAT-Analyse über additiven Metalldruck
8.3 Bewertungsmodelle zur Entscheidungsgrundlage
8.4 Praxistransfer mit der Firma bilstein group Engineering
8.5 Handlungsempfehlung zum Praxistransfer
9 Schlussbetrachtung
9.1 Beantwortung der Forschungsfragen
9.2 Zusammenfassung
9.3 Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Master-Thesis zielt darauf ab, kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) im produzierenden Gewerbe eine fundierte Entscheidungsgrundlage für Investitionen in die industrielle additive Metallfertigung zu bieten. Angesichts hoher Anschaffungskosten und technischer Komplexität untersucht die Arbeit, welche Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Betrieb gegeben sein müssen, und leitet mittels einer Potenzialanalyse sowie technischer Bewertungsmodelle konkrete Handlungsempfehlungen für Anwendungsfälle ab.
- Marktübersicht und Klassifizierung industrieller Metall-3D-Druckverfahren (pulverbettbasiert, extrusionsbasiert, Auftragsverfahren)
- Analyse der Eignung und wirtschaftlichen Rentabilität für spezifische Produktionsszenarien in KMU
- Erstellung eines Bewertungsmodells zur Potenzialanalyse und Technologieauswahl
- Praxistransfer der entwickelten Checklisten am Beispiel der Firma bilstein group Engineering inkl. Kostenkalkulation
- Gegenüberstellung von Eigeninvestition, Mietmodellen (HaaS) und dem Einsatz externer Dienstleister
Auszug aus dem Buch
4.1 Pulverbettbasierte Verfahren
Insbesondere der pulverbettbasierte 3D-Druck von Metallen mittels Laserstrahlschmelzen erlangt derzeit eine stark wachsende Relevanz, denn er erfüllt industrielle Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und Festigkeit. Werden die Vorteile der Flexibilität, der einfachen Individualisierbarkeit sowie der geometrischen Gestaltungsfreiheit richtig genutzt, können schon heute Serienbauteile trotz der zunächst vermeintlich hohen Anschaffungs- und Herstellungskosten wirtschaftlich produziert werden, was bereits in diversen Anwendungen unter Beweis gestellt wurde. Die Qualität und Zusammensetzung vom Metallpulver sind entscheidend für das Endergebnis. Um einen sauberen Materialverlauf und eine dichte Verteilung zu gewährleisten, müssen Metallpartikel eine Größe zwischen 15 und 45 Mikrometern aufweisen. Um diese zu erreichen, werden üblicherweise Verfahren wie Gas- oder Plasmazerstäubung eingesetzt. Da die Herstellungskosten für diese Pulver sehr hoch sind, verursachen sie einen Großteil der Gesamtkosten beim pulverbettbasierten Metalldruck.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Relevanz der additiven Fertigung angesichts aktueller Trends und definiert die Problemstellung für KMU.
2 Unternehmensvorstellung: Stellt die bilstein group Engineering als Praxisbeispiel zur Anwendung der Entscheidungsgrundlage vor.
3 Grundlagen und Definitionen: Erläutert KMU-Definitionen, Industrie 4.0-Kontexte und die grundlegende Prozesskette der additiven Fertigung.
4 Additive Fertigungsverfahren für Metalle: Kategorisiert und analysiert verschiedene Drucktechnologien wie Pulverbett-, Extrusions- und Auftragsverfahren.
5 Materialien für den Metalldruck: Gibt einen Überblick über die Eigenschaften gängiger Werkstoffe wie Aluminium, Stahl und Titan.
6 Einsatzbereiche in der Produktion: Unterscheidet die Anwendungsfelder Rapid Prototyping, Tooling, Repair und Manufacturing.
7 Vorreiterbranchen der additiven Metallfertigung: Zeigt Praxisbeispiele aus Medizin, Luft- und Raumfahrt, Fahrzeugbau und anderen Sektoren.
8 Entscheidungsgrundlage über additive Metallfertigung: Entwickelt ein Modell zur Potenzial- und Technologiebewertung und validiert es durch den Praxistransfer.
9 Schlussbetrachtung: Führt die Ergebnisse zusammen, beantwortet Forschungsfragen und gibt einen Ausblick auf technologische Trends.
Schlüsselwörter
Additive Fertigung, Metalldruck, KMU, Industrie 4.0, 3D-Druck, Investitionsentscheidung, Wirtschaftlichkeit, Prozesskette, Pulverbettverfahren, Materialeigenschaften, Rapid Prototyping, Fertigungsdienstleister, Kosten, Bilstein Group, Technologieanalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Master-Thesis primär?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Entscheidungsgrundlage für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) im produzierenden Gewerbe, um die Wirtschaftlichkeit und Machbarkeit einer Investition in additive Metallfertigungsverfahren zu bewerten.
Welche Fertigungsverfahren werden schwerpunktmäßig analysiert?
Die Arbeit analysiert zehn metallbasierte Additivverfahren, unterteilt in die Hauptgruppen pulverbettbasierte Verfahren, extrusionsbasierte Verfahren und Auftragsverfahren.
Was ist das Ziel der erarbeiteten Entscheidungsgrundlage?
Das Ziel ist es, KMU eine einfache Methode an die Hand zu geben, um mittels eines Fragebogens und Flussdiagrammen eine erste Selbsteinschätzung vorzunehmen, geeignete Technologien zu identifizieren und letztlich eine Investitionsentscheidung zu objektivieren.
Welche wissenschaftliche Methodik wurde für den Praxistransfer angewandt?
Es wurde eine angepasste SWOT-Analyse durchgeführt, ergänzt durch quantitative Berechnungen zur Potenzialbewertung, um die Umsetzbarkeit in einem realen Fallbeispiel bei der Firma bilstein group Engineering zu demonstrieren.
Welche Faktoren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit maßgeblich?
Die Arbeit identifiziert insbesondere die Materialkosten für Metallpulver, die hohen Anschaffungskosten der Anlagen sowie den Bedarf an spezialisiertem Know-how für die Bauteilentwicklung und Prozessnachbearbeitung als entscheidende Faktoren.
Welche Rolle spielt die Materialwahl?
Die Materialwahl bestimmt die mechanischen Eigenschaften (z.B. Festigkeit, Hitzebeständigkeit) und ist massiv von der gewählten Drucktechnologie abhängig. Die Arbeit beleuchtet hierzu Materialien wie Aluminium, Werkzeugstahl, Edelstahl und legierte Metallpulver.
Warum wird im Praxistransfer von einer Direktanlageneigeninvestition abgeraten?
Das Fallbeispiel bilstein group Engineering zeigt, dass für die betrachteten Ersatzteile das Potenzial aufgrund der aktuell zu hohen Materialkosten und der mechanischen Anforderungen nicht ausreicht, um die hohen Investitionssummen kurzfristig zu amortisieren.
Welche Alternativen zur eigenen Anlage werden diskutiert?
Neben der Option des Kaufs werden "Hardware-as-a-Service" (HaaS)-Mietmodelle sowie die Inanspruchnahme externer 3D-Druck-Dienstleister als Einstiegsmöglichkeiten für KMU evaluiert.
Inwiefern ist das Ergebnis der Thesis auf andere Unternehmen übertragbar?
Die entwickelte Entscheidungsgrundlage und Methodik sind universell anwendbar, das spezifische Ergebnis des Praxistests ist jedoch eng an die individuelle Produktauswahl und das Budget des untersuchten Unternehmens gebunden.
Welchen Stellenwert hat die "Nacharbeitung" in diesem Kontext?
Nachbearbeitungsschritte wie Sintern oder mechanisches Entfernen von Stützmaterialien sind essenziell für die Bauteilqualität, verursachen aber oft erhebliche Zusatzkosten, die bei der Investitionsplanung zwingend berücksichtigt werden müssen.
- Citar trabajo
- Lucas Saretzki (Autor), 2022, Entwicklung einer Entscheidungsgrundlage für KMU im produzierenden Gewerbe für die Investition in die industrielle additive Fertigung von Metallteilen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1324408
