Entwicklung eines Konzeptes zur Bewertung des 3D-Drucks in der Serienfertigung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Anhangverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung und Problemstellung
1.2 Forschungsfragen und Zielsetzung
1.3 Aufbau und methodisches Vorgehen

2 Begriffsdefinitionen
2.1 Subtraktive und Additive Fertigungsverfahren
2.2 3D-Drucken
2.3 Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing

3 Additive Fertigungsmethoden
3.1 Erfindung des 3D-Drucks
3.2 Verfahrensarten und Kategorisierung
3.3 Entstehung eines 3D-Drucks
3.4 Gegenüberstellung Additiver und Subtraktiver Fertigungsmethoden
3.5 Ist-Situation: Einsatz des 3D-Drucks in der Industrie

4 Entwicklung und praktische Anwendung des Bewertungskonzepts
4.1 Anforderungen und Grenzen des Bewertungskonzepts
4.2 Einführung in das Schichtmodell als Bewertungskonzept
4.3 Erste Schicht: Notwendigkeitsanalyse
4.3.1 Bewertung der Unternehmensanforderungen
4.3.2 Konkurrenzanalyse
4.3.3 Kundenanalyse
4.3.4 Überblick Beschaffungsmarkt 3D-Druck-Materialien
4.3.5 Erstes Gate: Bewertung der NotwendigkeitChancen und Risiken
4.4 Anwendung der Notwendigkeitsanalyse in der Praxis
4.4.1 Bewertung der Unternehmensanforderungen
4.4.2 Durchführung der Konkurrenzanalyse
4.4.3 Durchführung der Kundenanalyse
4.4.4 Bewertung des Beschaffungsmarkts für 3D-Druck-Materialien
4.4.5 Erstes Gate: Bewertung der Notwendigkeit
4.5 Zweite Schicht: Möglichkeitsanalyse
4.5.1 Bauteilauswahl und Bewertung der Qualitätsmerkmale und technischen Eigenschaften 4.5.2 Anforderungsanalyse der Unternehmensbereiche
4.5.3 Zweites Gate: Bewertung der Möglichkeit - Chancen und Risiken
4.6 Anwendung der Möglichkeitsanalyse
4.6.1 Durchführung der Bauteilauswahl und Qualitätsmerkmalsbewertung
4.6.2 Durchführung der Anforderungsanalyse der Unternehmensbereiche
4.6.3 Zweites Gate: Bewertung der Möglichkeit
4.7 Dritte Schicht: Wirtschaftlichkeitsanalyse
4.7.1 Kostenbetrachtung
4.7.2 Kennzahlenbetrachtung
4.7.3 Drittes Gate: Bewertung der Wirtschaftlichkeit - Chancen und Risiken
4.8 Anwendung der Wirtschaftlichkeitsanalyse
4.8.1 Durchführung der Kostenbetrachtung
4.8.2 Durchführung der Kennzahlenbetrachtung
4.8.3 Drittes Gate: Bewertung der Kosten- und Kennzahlensituation

5 Zusammenfassung der Ergebnisse und Handlungsempfehlung

6 Kritische Schlussbetrachtung und Ausblick

Anhang

Literatur- und Quellenverzeichnis

Eidesstattliche Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kategorisierung der Additiven Fertigungsverfahren.

Abbildung 2: Anforderungen und Grenzen des Konzepts.

Abbildung 3: Übersicht des Schichtmodells.

Abbildung 4: Ergebnisse der Notwendigkeitsanalyse im Netzdiagramm.

Abbildung 5: Beispielhafte Darstellung des Ishikawa-Diagramms.

Abbildung 6: Ergebnisse der Möglichkeitsanalyse im Netzdiagramm.

Abbildung 7: Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsanalyse im Netzdiagramm.

Abbildung 8: Netzdiagramm zur Notwendigkeitsanalyse - Gate 1.

Abbildung 9: Vorlage Mind-Map.

Abbildung 10: Vorlage Ishikawa-Diagramm.

Abbildung 11: Mind-Map Arbeitssicherheit.

Abbildung 12: Mind-Map Lager und Logistik.

Abbildung 13: Mind-Map SCM.

Abbildung 14: Mind-Map Entwicklung.

Abbildung 15: Mind-Map Personal.

Abbildung 16: Mind-Map Vertrieb.

Abbildung 17: Mind-Map Fertigung.

Abbildung 18: Mind-Map QM. LIV

Abbildung 19: Mind-Map Wareneingang.

Abbildung 20: Mind-Map Informatik.

Abbildung 21: Mind-Map Recht.

Abbildung 22: Ishikawa-Diagramm des Beispielunternehmens.

Abbildung 23: Netzdiagramm zur Möglichkeitsanalyse - Gate 2.

Abbildung 24: Legende zur Investitionskostenberechnung.

Abbildung 25: Preisinformation der M2 cusing.

Abbildung 26: Technische Daten der M2 cusing.

Abbildung 27: LaserCusing Werkstoffe (für M2 cusing).

Abbildung 28: Emailauszug zum Wartungsvertrag der M2 cusing.

Abbildung 29: Emailauszug Mitarbeiteranzahl und Weiterbildungskosten

Abbildung 30: Netzdiagramm zur Wirtschaftlichkeitsanalyse - Gate 3.

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Strategische Unternehmensanforderungen.

Tabelle 2: Auszug aus den Fragestellungen zur Konkurrenzanalyse.

Tabelle 3: Bewertung der Unternehmensanforderungen am Beispielunternehmen.

Tabelle 4: Unternehmensanforderungen.

Tabelle 5: Konkurrenzanalyse.

Tabelle 6: Bewertung des Beschaffungsmarkts von 3D-Druck-Materialien.

Tabelle 7: Auszug aus der Checkliste zur Bauteilauswahl.

Tabelle 8: Beispiel Kategorie "Methode" zur Mind-Map-Erstellung.

Tabelle 9: Auszug aus der Bewertung des Bauteils „ABC“.

Tabelle 10: Bewertung der priorisierten Qualitätsmerkmale und Eigenschaften des Bauteils „ABC“.

Tabelle 11: Formelabkürzungen mit deren Bedeutungen und Einheiten.

Tabelle 12: Prozesszeiten und -kosten zur Herstellung des Bauteils.

Tabelle 13: Gründe und Voraussetzungen zum Einstieg in die Additive Serienfertigung.

Tabelle 14: Verfahrensarten der Additiven Fertigungsmethoden.

Tabelle 15: Vor- und Nachteile Additiver Fertigungsverfahren.

Tabelle 16: Vor- und Nachteile Subtraktiver Fertigungsverfahren.

Tabelle 17: Bewertungstabelle der Unternehmensanforderungen.

Tabelle 18: Checkliste "Konkurrenzanalyse".

Tabelle 19: Checkliste "Kundenanalyse".

Tabelle 20: Überblick des Beschaffungsmarkts für 3D-Druck-Materialien.

Tabelle 21: Nutzwertbetrachtung zur Notwendigkeitsanalyse - Gate 1.

Tabelle 22: Chancen und Risiken der Notwendigkeitsanalyse.

Tabelle 23: Bewertung der Unternehmensanforderungen.

Tabelle 24: Konkurrenzanalyse von Unternehmen A.

Tabelle 25: Konkurrenzanalyse von Unternehmen B.

Tabelle 26: Konkurrenzanalyse von Unternehmen C.

Tabelle 27: Konkurrenzanalyse von Unternehmen D.

Tabelle 28: Auswertung der Ergebnisse der Konkurrenzanalyse.

Tabelle 29: Kundenanalyse des Kundenstamms

Tabelle 30: Auszug aus der Bewertung des Beschaffungsmarkts.

Tabelle 31: Ergebnis der Notwendigkeitsanalyse - Gate 1.

Tabelle 32: Checkliste zur Bauteilauswahl.

Tabelle 33: Bewertung der Qualitätsmerkmale und Eigenschaften.

Tabelle 34: Leitfragen zur Mind-Map-Erstellung.

Tabelle 35: Nutzwertbetrachtung zur Möglichkeitsanalyse – Gate 2.

Tabelle 36: Chancen und Risiken aus der Möglichkeitsanalyse.

Tabelle 37: Bauteilauswahl.

Tabelle 38: Bewertung der Qualitätsmerkmale und Eigenschaften für das Bauteil „ABC“.

Tabelle 39: Auswertung Ishikawa-Diagramm des Beispielunternehmens.

Tabelle 40: Ergebnis der Möglichkeitsanalyse – Gate 2. LX

Tabelle 41: Kalkulationsblatt zur Investitionskostenberechnung.

Tabelle 42: Kalkulationsblatt zur Berechnung der Prozesszeiten und -kosten.

Tabelle 43: Kalkulationshilfe zur Ermittlung der 3D-Druck-Prozesszeit.

Tabelle 44: Kalkulationsblatt zur Kennzahlenbetrachtung.

Tabelle 45: Nutzwertbetrachtung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse – Gate 3.

Tabelle 46: Chancen und Risiken aus der Kostenperspektive.

Tabelle 47: Maschinenstundensatzrechnung M2 cusing

Tabelle 48: Kalkulationsgrundlage „ABC“ (traditionell).

Tabelle 49: Kalkulation der Investitionskosten der M2 cusing.

Tabelle 50: Kalkulation der Prozesszeiten und -kosten der M2 cusing.

Tabelle 51: Kalkulationshilfe zur Ermittlung der 3D-Druck-Prozesszeit.

Tabelle 52: Kennzahlenbetrachtung für das Beispielunternehmen .

Tabelle 53: Wartung- und Instandhaltungskosten Hermle.

Tabelle 54: Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsanalyse - Gate 3.

Anhangverzeichnis

Anhang 1: Verfahrensarten der Additiven Fertigungsmethoden (Beispielhafte Darstellung)

Anhang 2: Vor- und Nachteile der Additiven und Subtraktiven Fertigungsverfahren

Anhang 3: Bewertungstabelle der Unternehmensanforderungen

Anhang 4: Checkliste „Konkurrenzanalyse“ XVII

Anhang 5: Checkliste „Kundenanalyse“ XVIII

Anhang 6: Auszug zum Beschaffungsmarkt für 3D-Druck-Materialien

Anhang 7: Nutzwertbetrachtung zur Notwendigkeitsanalyse - Gate 1

Anhang 8: Chancen und Risiken der Notwendigkeitsanalyse

Anhang 9: Bewertung der Unternehmensanforderungen des Beispielunternehmens

Anhang 10: Konkurrenzanalyse von Unternehmen A

Anhang 11: Konkurrenzanalyse von Unternehmen B

Anhang 12: Konkurrenzanalyse von Unternehmen C

Anhang 13: Konkurrenzanalyse von Unternehmen D

Anhang 14: Auswertung der Ergebnisse der Konkurrenzanalyse

Anhang 15: Kundenanalyse des Kundenstamms

Anhang 16: Auszug aus der Bewertung des Beschaffungsmarkts

Anhang 17: Ergebnis der Notwendigkeitsanalyse – Gate 1

Anhang 18: Checkliste zur Bauteilauswahl

Anhang 19: Bewertung der Qualitätsmerkmale und Eigenschaften

Anhang 20: Leitfragen zur Mind-Map-Erstellung

Anhang 21: Vorlage zur Mind-Map-Erstellung

Anhang 22: Vorlage zur Ishikawa-Erstellung

Anhang 25: Bauteilauswahl XLIV

Anhang 26: Bewertung der Qualitätsmerkmale und Eigenschaften für das Bauteil „ABC“ XLV

Anhang 27: Mind-Map Arbeitssicherheit

Anhang 28: Mind-Map Lager und Logistik

Anhang 29: Mind-Map SCM

Anhang 30: Mind-Map Entwicklung

Anhang 31: Mind-Map Personal

Anhang 32: Mind-Map Vertrieb

Anhang 33: Mind-Map Fertigung

Anhang 34: Mind-Map QM

Anhang 35: Mind-Map Wareneingang

Anhang 36: Mind-Map Informatik

Anhang 37: Mind-Map Recht

Anhang 38: Ishikawa-Diagramm des Beispielunternehmens mit Bewertung der Realisierungsmöglichkeit und des zeitlichen Aufwands

Anhang 39: Auswertung des Ishikawa-Diagramms des Unternehmens

Anhang 40: Ergebnis der Möglichkeitsanalyse – Gate 2

Anhang 41: Kalkulationsblatt zur Investitionskostenberechnung

Anhang 42: Kalkulationsblatt zur Berechnung der Prozesszeiten und -kosten

Anhang 43: Kalkulationsblatt zur Kennzahlenbetrachtung

Anhang 44: Nutzwertbetrachtung zur Wirtschaftlichkeitsanalyse – Gate 3

Anhang 45: Chancen und Risiken aus der Kostenperspektive

Anhang 46: Preisinformation der M2 cusing

Anhang 47: Technische Daten der M2 cusing

Anhang 48: LaserCUSING Werkstoffe (für M2 cusing)

Anhang 49: Emailauszug zum Wartungsvertrag der M2 cusing

Anhang 50: Maschinenstundensatzrechnung M2 cusing

Anhang 51: Kalkulationsgrundlage „ABC“ (traditionell)

Anhang 52: Kalkulation der Investitionskosten der M2 cusing

Anhang 53: Kalkulation der Prozesszeiten und -kosten der M2 cusing

Anhang 54: Kalkulationshilfe zur Ermittlung der 3D-Druck-Prozesszeit

Anhang 55: Emailauszug Mitarbeiteranzahl und Weiterbildungskosten

Anhang 56: Kennzahlenbetrachtung für das Beispielunternehmen

Anhang 57: Wartung- und Instandhaltungskosten Hermle

Anhang 58: Ergebnis der Wirtschaftlichkeitsanalyse – Gate 3

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Einführung und Problemstellung

Die Unternehmen stehen in der heutigen Wettbewerbssituation vor der Herausforderung, vermehrt individuelle Kundenwünsche zu erfüllen. Dies führt zu einem immer differenzierteren Angebot und einer steigenden Komplexität der Produkte. Infolgedessen erhöht sich die Anzahl der Produktvarianten im Unternehmen. Gleichzeitig verkürzen sich die Produktlebenszyklen. Der Druck, die Kundenanforderungen optimal und innerhalb kürzerer Zeit umzusetzen sowie gleichzeitig wirtschaftliche Losgrößen herzustellen, wächst.^[1] Die derzeitige Entwicklung der Additiven Fertigungsverfahren, als Technologietreiber auf dem Weg zur Industrie 4.0, eröffnet die Möglichkeit, maßgeschneiderte Produkte profitabel zu produzieren.^[2] Viele Unternehmen stellen sich die Frage, ob sich für sie die Investition und der Einsatz eines 3D-Druckers in der Serienfertigung lohnt. Sichert der 3D-Druck den Fortbestand des Unternehmens? Welche Risiken kommen auf das Unternehmen zu? Ist das Fertigungsverfahren für die Serie ausgereift?

Das Risiko hohe Investitionen in eine Fertigungsmethode zu tätigen, die bisher eher im Prototypenbau als in der Serie eingesetzt wird, ist Unternehmen aktuell zu hoch. Eine Studie mit 900 weltweit befragten Unternehmen aus dem Jahr 2016 der Ernst & Young GmbH zeigt die Hauptgründe für die Zurückhaltung gegenüber dem Einsatz des 3D-Drucks in der Serienfertigung. Speziell die hohen Einführungskosten geben 40% der Unternehmen als Grund an. Weiter hindert die mangelnde Expertise 28% der Unternehmen daran, 3D-Druck in ihrer Endproduktfertigung anzuwenden.^[3] Das Potential des 3D-Drucks eine variantenreiche Serienproduktion zu ermöglichen, als auch die mangelnde Erfahrung zur Bewertung innerhalb der Unternehmen, begründen den Bedarf den 3D-Druck aus verschiedenen unternehmerischen Blickwinkeln zu betrachten und zu beurteilen.

1.2 Forschungsfragen und Zielsetzung

Wann ist die Umstellung auf die Additive Fertigungsmethode in der Serienfertigung für ein Unternehmen technisch, wirtschaftlich, zeitlich und qualitativ interessant? Welche Voraussetzungen, Chancen und Risiken sollten Unternehmen bei der Entscheidungsfindung betrachten? Das Finalziel ist es, ein Bewertungskonzept zu entwickeln, um Unternehmen bei der Entscheidung für oder gegen die Additive Fertigungsverfahren in der Serienfertigung zu unterstützen. Es soll eine fundierte Entscheidungsgrundlage erarbeitet werden, die diese neue Fertigungstechnologie für den Serieneinsatz aus verschiedenen unternehmerischen Blickwinkeln betrachtet. Zu analysieren sind die Aspekte Notwendigkeit, Realisierungsmöglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Ferner sollen die jeweiligen Chancen und Risiken ermittelt werden. Den Betrachtungen ist eine zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse anzuschließen, die Transparenz schafft. Das Unternehmen sollte aufgrund der Ergebnisse des Konzepts in der Lage sein, eine Entscheidung für oder gegen eine Investition in Additive Fertigungsverfahren für die Serie zu treffen.

1.3 Aufbau und methodisches Vorgehen

In Kapitel 2 werden zunächst die Begriffe Additive und Subtraktive Fertigungsverfahren, 3D-Drucken sowie Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing erläutert. Der Grundlagenteil des dritten Kapitels beschreibt die Erfindung, die Verfahrensarten sowie die Entstehung eines 3D-Drucks, um ein Verständnis für die Additiven Methoden zu entwickeln. Zudem werden die Vor- und Nachteile der Additiven und Subtraktiven Fertigungsverfahren gegenübergestellt. Dies verdeutlicht die Möglichkeiten und Grenzen dieser neuen Technologie. Anschließend ist die Ist-Situation der Additiven Verfahren in der Serienfertigung nach Industrien dargestellt. An einem Beispielunternehmen wird das entwickelte Konzept angewendet. Zu Beginn des vierten Kapitels sind, als Basis zur Konzeption eines Bewertungsmodells, die Anforderungen und Grenzen definiert. Anschließend wird das Schichtmodell entwickelt. Es gliedert sich in drei Schichten: Notwendigkeitsanalyse (Kapitel 4.3), Möglichkeitsanalyse (Kapitel 4.5) und Wirtschaftlichkeitsanalyse (Kapitel 4.7). Jede Schicht ist identisch aufgebaut. Zunächst werden die jeweiligen Analysemethoden vorgestellt. Dann erfolgt die Erläuterung der Nutzwertbetrachtung, die als Gate fungiert, in der die Ergebnisse zusammenfassend dargestellt und bewertet werden. Anschließend werden die Chancen und Risiken herausgearbeitet. Mit dieser Vorgehensweise erhalten die Unternehmen eine transparente und umfassende Entscheidungsgrundlage. Der Abschluss jeder Schicht bildet die Anwendung der Analysemethoden und Nutzwertbetrachtungen anhand des Beispielunternehmens. In Kapitel 5 sind die Ergebnisse der drei Schichten zusammenfassend dargestellt und die Entscheidung des Unternehmens dokumentiert.

Zudem runden die aufgestellten Handlungsempfehlungen das Konzept ab. Abschließend werden in Kapitel 6 die konzeptionellen Ergebnisse im Hinblick auf die Forschungsfragen und Zielsetzung zusammengefasst und kritisch beurteilt sowie einen Ausblick der Additiven Fertigungsverfahren gegeben.

2 Begriffsdefinitionen

2.1 Subtraktive und Additive Fertigungsverfahren

Die Subtraktiven Fertigungsverfahren (Synonym: Konventionelle/traditionelle Fertigungsverfahren) formen die Werkstückgeometrie durch das Abtragen von definierten Materialbereichen. Fertigungsverfahren wie das Drehen, Fräsen, Bohren zählen zu dieser Kategorie. Die Additiven Fertigungsverfahren (Synonym: Generative Fertigungsverfahren oder Additive Manufacturing (AM)) dagegen, erreichen die Geometrie durch Aufbau und Aneinanderfügen einzelner Schichten eines Ausgangsmaterials. Dieses Schichtbauprinzip ist computergesteuert und verläuft automatisiert. Es werden keine weiteren bauteilspezifischen Werkzeuge (Bohrer, Fräser) verwendet. Sowohl die Geometrie als auch die Material-/Stoffeigenschaften entstehen während des Herstellprozesses.^[4] Gem. der DIN 8580 wird dieses Fertigungsverfahren als ein Urformverfahren eingeordnet.^[5] Zusammengefasst sind die Additiven Fertigungsverfahren als „[…] ein automatisierter Prozess zur Herstellung maßstäblicher dreidimensionaler physischer Objekte unmittelbar aus einem 3D-CAD-Datensatz […]“^[6] zu definieren.

2.2 3D-Drucken

Das 3D-Drucken ist ein Verfahren der Additiven Fertigung und wird in der VDI 3405 als Prozess des Schichtaufbaus durch „[…] Punkt-für-Punkt-Auftragen von Binder oder Copolymerisierung von pulverförmigem Material“^[7] unter Anwendung eines Druckkopfs, -düse oder anderen Druckverfahren verstanden.^[8]

Sowohl in der VDI 3405 als auch in der ISO/ASTM 529000 wird zu der Begriffsdefinition darauf hingewiesen, dass unter 3D-Drucken häufig alle Additiven Fertigungsverfahren gegliedert werden.^[9] Die Bezeichnungen 3D-Druck, Additive Fertigungsverfahren, Additive Manufacturing, Generative Fertigungsverfahren oder Schichtbautechnologie werden in der Literatur meist synonym verwendet. Sie beschreiben den allgemeinen Prozess des Schichtaufbaus (Hinzufügen, Ablagern, Auftragen) von Materialien durch physikalischer oder chemischer Schmelz- oder Härtungsverfahren zur Produktion eines 3D-Bauteils.^[10] In dieser Arbeit wird der 3D-Druck ebenfalls als Synonym für die Additiven Fertigungsverfahren zu Grunde gelegt, da dieser Begriff in der Praxis derzeit alle diese Verfahren einschließt und generisch verwendet wird.^[11]

2.3 Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing

Rapid Prototyping beschreibt den beschleunigten Prozess der kreativen Produktentwicklung mit dem Ergebnis einen Prototypen zu erhalten, der als Grundlage für Versuche dient.^[12] Der Begriff wurde stark durch den 3D-Druck geprägt. Mit Hilfe dieser Technologie ist es möglich, innerhalb kürzester Zeit, einfache und aussagefähige Prototypen zu produzieren, um die Produkteigenschaften frühzeitig abzusichern.^[13]

Mit den Additiven Fertigungsverfahren ist bereits auch die serienreife Produktion von Endprodukten möglich, deren Eigenschaften, Genauigkeiten und Preise die Kunden überzeugen.^[14] N. Hopkinson definiert Rapid Manufacturing als „[…] the use of a computer aided design (CAD)-based automated additive manufacturing process to construct parts that are used directly as finished products or components.“^[15]

3 Additive Fertigungsmethoden

3.1 Erfindung des 3D-Drucks

Der Erfinder des 3D-Drucks ist Charles W. Hull. Seine innovative, Additive Fertigungsmethode Stereolithographie (SLA) wurde am 11. März 1986 in den USA patentiert (Patent Nr. 4,575,330)^[16].

Dieses Verfahren ermöglicht aus 3D-Computermodellen Objekte aus flüssigem Kunststoff herzustellen. Im Jahr 1989 wurde das Selektive Lasersintern (SLS), als weiteres neuartiges 3D-Druckverfahren mit Kunststoffpulver, von C. Deckard erfunden und patentiert (Patent Nr. 4,863,538).^[17] Im Verlauf der letzten 30 Jahre wurden weitere 3D-Druck-Verfahren wie das Fused Deposition Modeling (FDM) entwickelt sowie neue Materialien für den 3D-Druck qualifiziert.^[18] Die Unterschiede zwischen den Verfahren liegen in der Art des Werkstoffs (z.B. Pulver, Laminate oder Drähte), in der Art der Schichtaufbringung sowie dem formgebenden Element (wie Druckkopf, Extruder, Laser).^[19]

3.2 Verfahrensarten und Kategorisierung

Heute existieren sowohl eine hohe Vielfalt an Additiven Fertigungsverfahren als auch an 3D-Druck-Materialien. Ebenso vielfältig sind die Begrifflichkeiten, die hierfür verwendet werden. Dies liegt daran, dass die 3D-Druck-Hersteller eigene, produktspezifische Begriffe für ihre 3D-Drucker wählen, um sich von Wettbewerbern zu unterscheiden. Dadurch entsteht eine unübersichtliche Begriffsvielfalt, die teilweise dieselben Verfahren beschreibt. Die Autoren in der Fachliteratur sowie das American Society for Testing and Materials (ASTM) International Committee kategorisieren die Verfahren nach unterschiedlichsten Gesichtspunkten.^[20] In Anlehnung daran, wird in Abbildung 1 die Gliederung der Verfahren vorgestellt. (Eine ausführliche Darstellung der Verfahrensarten und -materialien des 3D-Drucks inklusive zusätzlicher Informationen wie das formgebende Element, mögliche Druckmaterialien, Hersteller sowie verfahrensspezifische Vor- und Nachteile befindet sich in Anhang 1, Tabelle 14.)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Kategorisierung der Additiven Fertigungsverfahren.^[21]

Interessiert sich ein Unternehmen z.B. für das Selektive Laserschmelzen (SLM) erhält es folgende Informationen aus den beiden Darstellungen in Abbildung 1 und Tabelle 14: Das Selektive Laserschmelzen ist eine Ausprägung des Sinter- und Schmelzverfahrens, bei dem die Schicht durch Aufschmelzen und Erstarren des Materials gebildet wird. Der Aggregatzustand des Ausgangsmaterials ist fest; Metallpulver aus Titan, Edelstahl oder Aluminium sind übliche Druckmaterialien. Mittels eines UV-Laserstrahls wird die Kontur gegeben. Bekannte 3D-Druck-Hersteller für SLM-Verfahren sind die Unternehmen EOS GmbH oder Concept Laser GmbH. Dieses Verfahren bietet die Vorteile einer hohen mechanischen und thermischen Belastbarkeit, einer großen Materialpalette, einer hoher Recyclingrate des Materials und je nach Produktanforderung einer direkten Verwendung ohne Nacharbeit.^[22] Die gedruckten Bauteile weisen inzwischen eine annähernd gute Qualität wie die Subtraktiven Verfahren auf.^[23] Nachteilig am SLM-Verfahren hingegen ist die limitierte Bauteilgenauigkeit. Diese ist abhängig von der Größe der Pulverteilchen und dem Durchmesser des Laserstrahls. Weiter kann es zu Ungenauigkeiten der Maße und Bauteilgeometrie kommen, da durch ungewolltes Anheften loser Pulverpartikel (durch Wärmeleitung aktiviert) die Bauteile „wachsen“.^[24]

3.3 Entstehung eines 3D-Drucks

Zunächst wird das 3D-CAD-Modell des Bauteils erstellt und anschließend z.B. in ein Standard Triangle Language (STL)-Format konvertiert. Die Oberflächengeometrie des 3D-Modells wird dabei durch Dreiecksfacetten angenähert (triangulierte Oberfläche). Bei gekrümmten Flächen und Rundungen kann es daher zu Triangulationsfehlern kommen.^[25] Nach dem Konvertieren wird die STL-Datei für den Druck vorbereitet, indem die Software das 3D-Modell in sehr viele dünne Schichten (bis zu wenige hundert Mikrometer dick) zerlegt. Im nächsten Schritt wird der 3D-Drucker für den Druck vorbereitet, z.B. durch die Bestückung mit dem entsprechendem Ausgangsmaterial und Berücksichtigung von Vorheizzeiten, Auswahl der Verfahrensgeschwindigkeit und Kalibration.^[26] Der 3D-Drucker baut das herzustellende Teil schichtweise auf. Dies erfolgt entweder durch Aneinanderfügen eines festen Materials oder durch Ausnutzung des Phasenübergangs eines flüssigen oder pulverförmigen Materials in eine feste Form.^[27] Falls Stützmaterial mitgedruckt wurde, ist dieses im Nachhinein zu entfernen. Zum Teil sind weitere Nachbearbeitungsschritte wie Sandstrahlen, Beschichten etc. notwendig, bevor die Bauteile endgültig verwendet werden können.^[28]

3.4 Gegenüberstellung Additiver und Subtraktiver Fertigungsmethoden

Nachfolgend sind die wichtigsten Vor- und Nachteile der Additiven und Subtraktiven Fertigungsmethoden erläutert. Ein Überblick weiterer Vor- und Nachteile ist in den Tabellen 15 und 16 im Anhang 2 dargestellt.

Mit den Additiven Fertigungsmethoden sind komplexe Geometrien realisierbar, welche mit konventionellen Verfahren bisher nicht möglich waren. Diese Geometriefreiheit bietet neue Möglichkeiten im Produktdesign.^[29] Je komplexer das Bauteil, desto vorteilhafter sind die Additiven Fertigungsverfahren.^[30] Sie sind daher für Unternehmen interessant, deren Produktportfolios sich durch große Produktvielfalt in geringen Stückzahlen auszeichnen. Eine Anpassung der bisherigen CAD-Daten ist nicht notwendig, die Bauteile können direkt konvertiert und anschließend gefertigt werden (wie in Kapitel 3.3 beschrieben).^[31] Während der Entwicklung und auch Produktion sind individuelle Kundenanforderungen realisierbar. Innerhalb eines Fertigungsvorgangs lassen sich gleichzeitig mehrere kundenindividuelle Bauteile herstellen.^[32] Somit ist es für Unternehmen möglich, die Strategie des „Customizing“ zu verfolgen. Nachteilig sind jedoch die geringere Oberflächengüte, Genauigkeit und mechanische Belastbarkeit im Vergleich zu Bauteilen die mit den Subtraktiven Fertigungsmethoden hergestellt werden. Der sogenannte Stufeneffekt, der durch den schichtweisen Aufbau entsteht, verringert die Qualität der Oberfläche. Dieser Effekt verstärkt sich mit der Größe der Schichtdicke.^[33] Die mechanische Beanspruchbarkeit der Bauteile unterscheidet sich in deren Ausrichtung im Bauraum. Innerhalb der Schichtebenen ist die Festigkeit hoch, senkrecht zu den Schichten geringer. Dies gilt es beim Produktdesign zu berücksichtigen.^[34] Da die Technologie der Additiven Fertigung noch sehr jung ist, sind die Innovationszyklen relativ kurz. Die Maschinen unterliegen einer ständigen Verbesserung und Aufrüstung, daher sind neben den Anschaffungskosten auch entsprechend hohe Wartungs- und Modernisierungskosten einzukalkulieren.^[35] Die Technologie erlaubt es aktuell noch nicht, über einen längeren Produktionsablauf eine konstante Qualität zu garantieren. Ferner fehlen hierzu internationale Standards, an denen jedoch das ASTM International Committee und das ISO Technical Committee derzeit arbeiten.^[36]

Aus den genannten Nachteilen der Additiven Fertigungsverfahren leiten sich die entsprechenden Vorteile der Subtraktiven Methoden ab. Als Hauptvorteile sind die Homogenität der Bauteileigenschaften, Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit der Bauteilqualität zu nennen. Die Fertigungsprozesse sind ausgereift und die Prozessparameter und Einflussfaktoren ausreichend bekannt. Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in der Genauigkeit und Maßhaltigkeit der produzierten Produkte. Des Weiteren sind insbesondere Bauteilen mit einfachen Geometrien in ihrer Herstellung schneller als mit der Additiven Methode. Die Produktionsgeschwindigkeit ist höher, da sich Material schneller ab- als auftragen lässt.^[37] Nachteile gegenüber den Additiven Methoden entstehen besonders im Vergleich mit der Herstellung komplexer Bauteile. Lange Rüstzeiten, häufige und aufwändige Maschinen-Setups (Programmierungen) sowie der Einsatz verschiedener Bearbeitungsmaschinen und zahlreiche Montageschritte sind notwendig, um die gewünschte komplexe Endgeometrie zu erhalten. Hinzuzufügen sind die Kosten für Werkzeuge, Vorrichtungen, Formen und Befestigungen.

3.5 Ist-Situation: Einsatz des 3D-Drucks in der Industrie

Aus einer Studie der Ernst & Young GmbH aus dem Jahr 2016 geht hervor, dass 5% der 900 weltweit befragten Unternehmen die Additiven Fertigungsmethoden für die Produktion von Endprodukten nutzen. In Deutschland wenden 5,5% der 200 befragten Unternehmen 3D-Druck für die Serienproduktion an.^[38] Gemäß Wohlers Report 2016 wächst die Serienanwendung der Additive Fertigungsverfahren weltweit rapide an. Dies begründet sich vor allem in der stetigen Weiterentwicklung der 3D-Drucker, welche deren Einsatz in der Serie interessanter macht.^[39] Die in diesem Kapitel vorgestellten Branchen nutzen 3D-Druck bereits intensiv, sowohl für Rapid Prototyping als auch für Rapid Manufacturing. Die Unternehmen sind beispielhaft aufgeführt, da sie Vorreiter in ihrer Branche sind und diese Fertigungsmethode in der Serienfertigung bereits erfolgreich einsetzen.

Luftfahrtindustrie:

Das Unternehmen GE Aviation fertigt jährlich über 30.000 Einspritzdüsen für den LEAP Motor (Leading Edge Aviation Propulsion) des Flugzeugtriebwerks und plant bis 2020 über 100.000 Teile mit 3D-Druck herzustellen. Avio Aero produziert Niederdruckturbinenschaufeln mit der Additiven Fertigungsmethode in Serie.^[40] Der Luftfahrtgigant Airbus nutzt das 3D-Druck-Verfahren seit 2016 als Standardmethode in der Serienfertigung. Bauteile für den A350 XWB werden mit dem Fused Deposition Modelling hergestellt. Die Bauteile sind besonders robust, leicht und senken die Produktionskosten und -zeiten.^[41] Das Tochterunternehmen von Airbus, Premium Aerotec GmbH, startete im Januar 2016 die Serienproduktion von doppelwandigen Rohrkrümmern aus Titan. Diese bestanden zuvor aus mehreren einzelnen Gussteilen, die durch Schweißen zusammengefügt wurden. Mit dem Einsatz des 3D-Drucks, speziell des SLM-Verfahrens, wird dieses komplexe Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Dies verkürzt und vereinfacht den Fertigungsprozess wesentlich.^[42] Weiter nutzt das Unternehmen MTU Aero Engines das SLM-Verfahren um Boroskopaugen für das A320neo-Triebwerk additiv in Serie herzustellen.^[43]

Textil- und Bekleidungsindustrie:

Repräsentativ für die Textil- und Bekleidungsindustrie steht der Sportschuhhersteller Adidas, der 2015 den ersten, mittels 3D-Druck hergestellten Schuh, vorstellte. Seitdem hat Adidas zusammen mit dem Unternehmen Carbon die Additive Fertigungsmethode weiterentwickelt. Mit dem Digital Light Synthesis-Prozess können durch Licht, Sauerstoff und programmierbare Harze die Zwischensohlen auf die speziellen Bedürfnisse der Sportler angepasst und gefertigt werden. Das erste Los von 5.000 Paaren soll im Herbst 2017 auf den Markt eingeführt werden und im Jahr 2018 soll die Produktion der High-Performance-Schuhe auf 100.000 Paare ansteigen.^[44]

Medizintechnik:

Die meisten der Hörgerätehersteller setzen inzwischen den 3D-Druck zur Herstellung ihrer Produkte ein. Das Unternehmen Sonova AG war eines der ersten Hörgerätehersteller die auf die 3D-Drucktechnologie umstellten. Bereits seit 2001/2002 fertigen sie Schalen von Im-Ohr-Hörgeräten in Serie. Heute werden alle Produkte der Sonova AG mit dem 3D-Druck hergestellt – maßgefertigte Hörgeräte in Massenproduktion.^[45] Ebenso wird die Additive Fertigungsmethode in der Zahntechnik erfolgreich für die Serie angewendet. Seit 2007 ist das SLS bzw. das SLM-Verfahren zur Herstellung von Kronen, Brücken, Prothesen und Zahnspangen im Einsatz.^[46]

Automobilindustrie:

Bereits 2010 hat die BMW Group ein Wasserpumpenrad für DTM Fahrzeuge additiv in Kleinserie gefertigt, das bis heute verbaut wird. Es wird mit dem SLM-Verfahren hergestellt. Mehr als 10.000 Bauteile, wie Kunststoffhalterungen für Warnblinker, Parkbremsen und Steckdosen sowie Tasten für die Türentriegelung werden seit 2012 für den Rolls-Royce Phantom im 3D-Drucker hergestellt. Für den Rolls-Royce Dawn produziert BMW seit 2016 Halterungen für den Lichtleiter. Auch hier sollen über die Produktlaufzeit mehrere tausende Bauteile in die Autos eingebaut werden.^[47] Die Automobilindustrie setzt für die Zukunft stark auf die 3D-Druck-Technologie in der Serie. Derzeit werden dazu annähernd täglich neue Schlagzeilen zum Thema 3D-Druck veröffentlicht. Renault Trucks arbeitet an einem Metall-3D-Drucker zur Produktion effizienterer Motoren und Bauteile für die Kleinserie. Mercedes Benz bietet Ersatzteile aus dem 3D-Drucker an und Delphi Automotive setzt in der Zukunft ebenfalls auf Additive Fertigungsverfahren für die Kleinserienproduktion von Kabeldurchführungen, Steckverbindungen und Abschirmungen. Zahlreiche Automobilhersteller wie Ford, Audi oder Peugeot sowie Automobilzulieferer gehen derzeit Partnerschaften mit namhaften 3D-Druck-Herstellern ein, um serienreife 3D-Druck-Lösungen für ihre Produkte zu entwickeln.^[48]

Verteidigungsindustrie:

Die Unternehmen in der Verteidigungsindustrie setzen 3D-Druck in der Serie bisher zurückhaltend ein. Dies liegt vor allem an den Themen Qualitätssicherung, Qualifizierung und amtliche Zulassungen/Zertifizierungen. Da die Materialeigenschaften erst durch den 3D-Druck-Prozess entstehen, sind bisherige Standards nicht anwendbar.^[49] Die Charakterisierung von Materialfehlern wird dadurch erschwert. Zudem fehlt es an Erfahrungen über deren Auswirkungen auf die Lebensdauer und Einsatztauglichkeit. Die Risiken sind aktuell für Unternehmen der Verteidigungsindustrie noch zu hoch.^[50] Für das Rapid Prototyping werden die Additiven Fertigungsmethoden jedoch häufig eingesetzt. Das Unternehmen Raytheon Missile Systems druckte bereits 2015 fast 80% der Bauteile eines Lenkflugkörpers mit dem Additiven Verfahren, jedoch als Prototyp für Testzwecke.^[51] Die US Armee testete Anfang 2017 erfolgreich den Abschuss einer Granate aus einem Granatwerfer, die beide aus einem 3D-Drucker entstanden sind. Damit wollte das US Army Armament Research, Development and Engineering Centre (ARDEC) demonstrieren, dass sich der 3D-Druck für die Prototypenentwicklung und -produktion von komplexen Waffensystemen durchaus eignet.^[52]

Ebenso wird 3D-Druck in den Bereichen Film- und Unterhaltung, Nahrungsmittel, Spielwaren, Architektur, Möbel und Schmuck zur Prototypen- und Serienfertigung eingesetzt. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie, Automobilbranche sowie in der Medizintechnik setzen bereits einige Unternehmen die Additive Fertigungsverfahren in der Serie ein und planen diese weiter auszubauen. Dagegen sind Unternehmen in der Verteidigungsindustrie für die Serienanwendung derzeit zurückhaltend.

4 Entwicklung und praktische Anwendung des Bewertungskonzepts

4.1 Anforderungen und Grenzen des Bewertungskonzepts

Als Basis zur Konzeption eines Bewertungsmodells sind nachfolgend die Anforderungen und Grenzen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Anforderungen und Grenzen des Konzepts.

Die vier Hauptanforderungen sind:

1) Transparenz über die Chancen, Risiken, Kosten, Realisierbarkeit, Notwendigkeit, Wirtschaftlichkeit sowie qualitativer Aspekte
2) Entscheidungsgrundlage schaffen
3) Einfache Handhabbarkeit, Bedienung ohne spezielle Softwaretools
4) Kein vorheriges Festlegen der Bauteile oder Additiven Verfahren notwendig

Des Weiteren sollte das Modell in seinem Umfang und Aufwand für Unternehmen realisierbar sein. Klar abzugrenzen ist dieses Konzept zu den bereits existierenden Wirtschaftlichkeitsanalysen und Kostenbetrachtungen aus der Literatur.^[53] Es sind keine detaillierten Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen im Sinne einer Total Cost of Ownership (TCO) oder Earned Value Analyse (EVA) durchzuführen. Abzugrenzen ist auch der Anspruch einer klaren „ja/nein“-Aussage zur Einführung des 3D-Drucks in der Serienfertigung. Diese Entscheidung ist von den Unternehmen selbst zu treffen, hierzu erfüllt das Konzept die Informationsfunktion und soll die Grundlagen und Voraussetzungen für diese Entscheidung vorstellen. Ebenso ist keine vollständige Transparenz der Beschaffungssituation sowie detaillierte technische Bewertung innerhalb des Konzepts zu erbringen.

4.2 Einführung in das Schichtmodell als Bewertungskonzept

Ein Unternehmen benötigt zur Entscheidungsfindung „Einsatz des 3D-Drucks in der Serie“ die Informationen darüber, ob es notwendig, realisierbar und wirtschaftlich ist, diese Methode einzusetzen. Daher ist das Konzept in drei Schichten aufgebaut:

1) Notwendigkeitsanalyse

2) Möglichkeitsanalyse

3) Wirtschaftlichkeitsanalyse

Sie sind durch sogenannte „Gates“ getrennt, die die Ergebnisse zum Abschluss jeder Schicht zusammenfassend darstellen und bewerten. Somit bietet sich dem Unternehmen nach jeder Schicht die Möglichkeit, abhängig vom Ergebnis, zu entscheiden ob es weitere Blickwinkel analysiert oder abbricht. Die erste Schicht (Notwendigkeitsanalyse) beschäftigt sich mit dem Umfeld eines Unternehmens. Analysiert werden die Unternehmensanforderungen, die Kunden, der Beschaffungsmarkt und die Wettbewerber, um folgende Frage zu beantworten: Ist es aus Sicht des Unternehmensumfelds notwendig und vorteilhaft auf 3D-Druck umzustellen? Die zweite Schicht (Möglichkeitsanalyse) untersucht, ob eine Realisierung des 3D-Drucks im Unternehmen möglich ist. Hierzu werden ein oder mehrere Bauteile ausgewählt und hinsichtlich der 3D-Druck-Eignung betrachtet. Anhand dieser werden die technischen und qualitativen Anforderungen sowie die Anforderungen an die Unternehmensressourcen analysiert. Nach dem Unternehmensumfeld und der technischen Realisierbarkeit werden in der dritten Schicht die wirtschaftlichen Aspekte des 3D-Drucks untersucht (Wirtschaftlichkeitsanalyse). Die möglichen Kosten, mit denen ein Unternehmen kalkulieren sollte und die Betrachtung von Kennzahlen unterstützen die Entscheidung aus betriebswirtschaftlichem Blickwinkel. Die Additiven Fertigungsmethoden sind vor allem für Neuentwicklungen von komplexen Bauteilen vorteilhaft. Dieser Aspekt sollte ein Unternehmen stets bei seinen Entscheidungen und Analysen be
rücksichtigen.

Abbildung 3: Übersicht des Schichtmodells.

Für die durchzuführenden Analysen innerhalb des Schichtmodells ist vom Unternehmen ein Team, entsprechend des Schichtthemas, zusammenzustellen.

Sinnvoll ist eine Zusammensetzung der Teammitglieder aus den folgenden Bereichen:

1) Notwendigkeitsanalyse: Geschäftsleitung/Management, Vertrieb, Marketing, Strategie & Organisationsentwicklung, Supply Chain Management (SCM)

2) Möglichkeitsanalyse: Kernteam aus Entwicklung/Konstruktion, Qualitätsmanagement (QM), Fertigung; Personen aus den jeweilig zu analysierenden Abteilungen

3) Wirtschaftlichkeitsanalyse: Controlling, Fertigung, SCM, Entwicklung

4.3 Erste Schicht: Notwendigkeitsanalyse

4.3.1 Bewertung der Unternehmensanforderungen

Als Einstieg in die Notwendigkeitsanalyse wird eine Bewertung der Unternehmensanforderungen durchgeführt. Die in Tabelle 1 aufgelisteten Unternehmensanforderungen leiten sich aus der vorangegangen Betrachtung der Vor- und Nachteile der Additiven und Subtraktiven Fertigungsmethoden (Tabelle 15 und 16 im Anhang 2), der Problemstellung sowie des heutigen Unternehmensumfelds ab.

Tabelle 1: Strategische Unternehmensanforderungen.

Die Anforderungen werden in der Bewertungstabelle im Anhang 3 in Fragen formuliert: „Wie wichtig ist für das Unternehmen …“. Die Unternehmen beurteilen diese hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Ziele und zukünftige Entwicklung ihrer Organisation. Dazu dient die Skala „sehr wichtig“, „wichtig“ und „weniger wichtig“. Hinter jeder Anforderung wird aufgezeigt, ob die 3D-Druck-Technologie einen Beitrag zur Erfüllung dieser Anforderung leistet. Somit erhält das Unternehmen erste Anhaltspunkte, ob und wenn ja, welche der für sie bedeutenden Unternehmensanforderungen, durch den 3D-Druck unterstützt werden.

4.3.2 Konkurrenzanalyse

Um langfristig mit den Wettbewerbern konkurrieren zu können, ist es notwendig, dass sich das Unternehmen über die eingesetzten Fertigungstechnologien der Konkurrenz informiert und die Entwicklung stets beobachtet. Es besteht das erhöhte Risiko, durch zu spätes Erkennen eines (Fertigungs-)Trends, Kunden zu verlieren und aus dem Markt verdrängt zu werden. Mögliche Quellen zur Informationsbeschaffung sind: Internetauftritte, Geschäftsberichte, Pressemitteilungen, Patentanmeldungen, Stellenanzeigen, Messeauftritte, Broschüren, Kooperationsgesuche mit 3D-Druck-Herstellern/Materiallieferanten, Mitwirkungen in Fachverbänden oder Normausschüssen zum Thema Additive Fertigungsverfahren sowie Händler und Kunden der Konkurrenz.^[54] Da sich diese Konkurrenzanalyse speziell auf die Additive Fertigungsmethoden und deren Einsatz in Wettbewerbsunternehmen bezieht, unterscheidet sie sich in ihrer Vorgehensweise und Umfang von denen in der Literatur beschriebenen Konkurrenzanalysen. Diese sind umfangreicher, da sie innerhalb von gesamtunternehmerischen Marktforschungsaktivitäten betrieben werden. Zunächst sind die Wettbewerber des Unternehmens zu identifizieren. Dies sind Unternehmen, die eine identische oder ähnliche Produktpalette anbieten oder dieselbe Zielgruppe mit ihren Produkten ansprechen. Dabei ist insbesondere auch auf neue, potentielle Anbieter zu achten.^[55] Dies können bestehende Unternehmen oder sogar Lieferanten sein, die durch Diversifikation oder neue Technologien zu Wettbewerbern werden.^[56] Anschließend sind sie anhand der Checkliste „Konkurrenzanalyse“, dargestellt in Anhang 4, zu analysieren. Diese ist in zwei Themenblöcke eingeteilt, die durch Fragestellungen detailliert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Auszug aus den Fragestellungen zur Konkurrenzanalyse.

Vollständige Version im Anhang 4.

Diese Konkurrenzanalyse sollten Unternehmen mit mindestens drei Wettbewerbern durchführen, um einen aussagefähigen Überblick zu erhalten.

4.3.3 Kundenanalyse

Die Kundenanalyse dient zum Sammeln und Darstellen von bereits vorhandenen Informationen über Kunden. Ferner zieht das Unternehmen Erkenntnisse daraus, ob oder inwiefern 3D-Druck vorteilhaft für die Erfüllung der Kundenanforderungen ist.

In der klassischen Marktforschung werden in der Kundenanalyse die Schwerpunkte auf das Kaufverhalten, den Kaufentscheidungsprozess, die Käufertypen, die Kundenzufriedenheit und die Werte und Bedürfnisse im Allgemeinen gelegt.^[57] Da Erkenntnisse zu Additiven Fertigungsverfahren gesammelt werden sollen, konzentriert sich die Kundenanalyse in dieser Arbeit auf die Themen Entwicklungszeit, Kundeneinbindung, Individualität und direkte Fragen zum 3D-Druck. Als Leitfaden dient die Checkliste „Kundenanalyse“, gemäß Anhang 5, innerhalb dieser sind zehn Fragen zu den Kundenanforderungen zu beantworten. Die Informationen hierfür können aus Verträgen, Bestellungen, bereits vorhandenen Kundenumfragen, -zufriedenheitsanalysen oder direkter Kundenbefragungen am Telefon oder vor Ort, stammen. Zu jeder Frage ist der jeweilige Vorteil, den der 3D-Druck zum Inhalt der Frage leistet, dargestellt. Das Team bewertet anschließend die Relevanz des Vorteils. Die Analyse bezieht sich nicht auf konkrete Kunden und deren Charakteristika und Wünsche. Sie fasst die Anforderungen des Kundenstamms in Gesamtheit zusammen.

4.3.4 Überblick Beschaffungsmarkt 3D-Druck-Materialien

Die Materialeigenschaften der additiv hergestellten Bauteile entstehen erst durch den Druckprozess und sind von mehreren Faktoren abhängig. Sie werden bestimmt durch das Zusammenwirken der Eigenschaften des Rohmaterials, des Additiven Fertigungsprozesses, der CAD-Konstruktion sowie der Orientierung im Bauraum.^[58] Unternehmen die in 3D-Drucker investieren wollen, benötigen Informationen zur Beschaffungssituation von 3D-Druck-Materialien. Diese Transparenz ist notwendig um langfristig eine optimale Versorgung sicherzustellen, mögliche Beschaffungsrisiken zu erkennen und Rückschlüsse auf ihre Beschaffungsaktivitäten zu ziehen.^[59] Besonders von Interesse sind die aktuellen Hersteller, deren Standorte und ihre Produktpalette. Im Anhang 6 ist ein Auszug der insgesamt 37 Materialherstellern und -lieferanten mit diesen Zusatzinformationen aufgelistet. Die Liste enthält Informationen, die aus einer Sekundärforschung durch Recherche in Broschüren, Internetauftritten, Fachartikeln und Pressemitteilungen beschafft wurden. Aufgrund der schnellen Entwicklungen im Bereich der Additiven Fertigungsverfahren und der stetigen Änderungen und Verbesserungen der Materialien, sind Materialeigenschaften und Preise bei den Lieferanten zu erfragen und daher nicht dargestellt.^[60] Die Liste ist mit zusätzlichen Spalten versehen, die es ermöglichen folgende Informationen zu ergänzen:

1) Sind uns die Lieferanten für 3D-Druck-Materialien bereits bekannt (Fachartikel, Erfahrung von Wettbewerbern, etc.)? Falls ja, sind die Erfahrungen positiv?

2) Haben wir selbst mit diesen Lieferanten bereits Erfahrungen gesammelt (mit unseren aktuellen Fertigungstechnologien, durch Dienstleister)?

3) Ist der Lieferant/Hersteller interessant aufgrund seines Standorts, Erfahrung, Image und Produktpalette?

Der Überblick des Beschaffungsmarkts für 3D-Druck-Materialien erleichtert die Suche nach Herstellern und Lieferanten. Es ist eine erste Einschätzung der Beschaffungssituation für das Unternehmen möglich. Die Liste zeigt, dass für die 3D-Druck-Technologien SLS, SLA und FDM viele Hersteller und Lieferanten existieren. Besonders für Filamente (Baumaterial für 3D-Drucker aus dünnem Kunststoffdraht, der auf Rollen kontinuierlich zugeführt wird^[61] ) findet sich eine große Auswahl an Lieferanten. Da die 3D-Drucker inzwischen auch die Privatnutzer erreicht hat, ist darauf zu achten, dass die Lieferanten die für die Industrieanwendungen entsprechenden Mengen liefern können. Eine weitere Übersicht, die in regelmäßigen Abständen aktualisiert wird, bietet „3D-Druck.com – Das Magazin für 3D-Drucktechnologien“. Sie stellt unter www.3druck.com/3d-druck-material-liste eine ausführliche Liste mit Filterfunktion (nach Hersteller, Material, Dicke, Eigenschaften und Farben) zur Verfügung. Unterteilt ist die Übersicht in die Bereiche „Filamente und Pellets“ (für Extrusionsverfahren), „Pulver“ (für Schmelzverfahren) und „Harze und Wachse“ (für Druckverfahren mit flüssigen Materialien). Des Weiteren enthält die Liste Angaben zum Preisbereich.^[62]

4.3.5 Erstes Gate: Bewertung der Notwendigkeit - Chancen und Risiken

Um die Ergebnisse der vorherigen Betrachtungen zusammenfassend darzustellen und hinsichtlich einer Notwendigkeit zu bewerten, wird die Nutzwertanalyse eingesetzt. Sie ist ein Werkzeug zur mehrdimensionalen Beurteilung der Vorteilhaftigkeit von Handlungsalternativen, in der auch nicht-monetäre Größen bewertet werden können.^[63] In dieser Arbeit wird die Nutzwertanalyse als Instrument verwendet, um zu beurteilen, ob eine weitere und detailliertere Beschäftigung mit der 3D-Druck-Technologie notwendig und sinnvoll ist. Somit stellt es das erste Gate und die Überleitung zur Möglichkeitsanalyse dar. Die Vorgehensweise zur Erstellung einer Nutzwertanalyse ist wie folgt (vereinfachte Darstellung):

1) Bewertungskriterien definieren und präzisieren
2) Gewichtung der Kriterien je nach deren Bedeutung festlegen (z.B. 0-100)
3) Bewertungsskala und deren Ausprägungen festlegen (z.B. Skala von 1 bis 5 mit Ausprägungen von sehr hoch bis sehr niedrig)
4) Bewertung durchführen: Inwieweit werden die Kriterien erfüllt?
5) Erfüllungsgrade mit Gewichtung multiplizieren, daraus ergibt sich ein Teilnutzen je Kriterium
6) Addition der Teilnutzen zu einem Gesamtnutzen^[64]
7) Handlungsempfehlung ableiten

Für die Nutzwertanalyse sind zur Bewertung der Notwendigkeit (Formular siehe Anhang 7) insgesamt zehn Bewertungskriterien definiert. Sie sind aus den vorangegangenen Betrachtungen des Unternehmensumfelds abgeleitet und unveränderbar. Ebenso ist der Erfüllungsgrad (1-4) festgelegt, der an die Ausprägung der Kriterien (z.B. keine (1), gering (2), mittel (3), hoch (4)) gekoppelt ist. Die bewertenden Unternehmen können jedoch durch Vergabe der Gewichtung Einfluss auf die für sie bedeutendsten Kriterien nehmen. Zur Gewichtung können Werte zwischen 0 und 100 gewählt werden. Wichtige Kriterien erhalten eine höhere und weniger wichtige Kriterien eine geringere Gewichtung. Insgesamt darf die Summe von 100 nicht überschritten werden. Anschließend erfolgt die Bewertung der einzelnen Kriterien durch die Auswahl der Ausprägungen. Der Teilnutzen errechnet sich automatisch durch die Multiplikation von Gewichtung (G) und Erfüllungsgrad (EG). Die Addition aller Teilnutzen ergibt anschließend den Gesamtnutzen. Der maximal zu erreichende Gesamtnutzen liegt in dieser Nutzwertanalyse bei dem Wert 400. Dieser ergibt sich aus:

Max. Gesamtnutzen (400) = Maximale Gewichtung (100) x maximaler Erfüllungsgrad (4)

Aus dem erzielten Gesamtnutzen lässt sich nun die Notwendigkeit ableiten. Ab einem Wert von 200 ist eine weitere Betrachtung der 3D-Druck-Technologie für das Unternehmen empfehlenswert. Die Ergebnisse der vorangegangenen Analysen deuten mehrheitlich auf einen notwendigen Einsatz der Additiven Verfahren im Unternehmen hin. Erreicht er diesen Wert nicht, ist es aufgrund der derzeitigen Unternehmensanforderungen, Konkurrenz-, Kunden- und Beschaffungssituation nicht empfehlenswert, sich mit der neuen Fertigungstechnologie zu beschäftigen. Es ist jedoch von der Unternehmensentscheidung abhängig, ob es trotzdem weitere Ressourcen für die nächste Schicht „Möglichkeitsanalyse“ investieren möchte. Einen erheblichen Einfluss auf die Durchführung der Nutzwertanalyse und Bewertung des Ergebnisses hat die Subjektivität Desjenigen, der die Kriterien gewichtet und bewertet. Um dieser möglichen Verfälschung entgegenzuwirken, sollte die Nutzwertanalyse nicht von einer Person, sondern von einem Team (gemäß der in Kapitel 5.2 definierten Teammitglieder) durchgeführt werden.^[65]

Abschließend zur ersten Schicht des Konzepts werden die Chancen und Risiken zu den betrachteten Bereichen (Unternehmensanforderungen, Konkurrenz, Kunde und Beschaffungsmarkt) erläutert. Diese vervollständigen den Überblick zur Notwendigkeitsanalyse.

Darstellung der Chancen und Risiken zu den analysierten Bereichen (Anhang 8)

Durch den 3D-Druck entstehen neue Chancen, die Unternehmensanforderungen zu erfüllen. Jedoch gehen damit auch Risiken einher, die es zu berücksichtigen gilt.

Diese wurden bereits in Kapitel 3.4 als Vor- und Nachteile dargestellt und sind als Chancen und Risiken zu verstehen.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Konkurrenz entsteht durch die schnellere und kostengünstigere Verfügbarkeit komplexer Einzelteile. Außerdem eröffnet die Veränderung des Produktportfolios zu mehr Variantenvielfalt und Kundenindividualität eine Chance, sich von der Konkurrenz zu differenzieren und das Image zu verbessern.^[66] Der 3D-Druck birgt jedoch auch das Risiko der erleichterten Nachahmung von Produkten durch die Wettbewerber. Denn Produkte müssen nicht mehr länger nachgebaut werden, wofür Know-How über Fertigungsprozesse notwendig waren, sondern können nachgedruckt werden. Das Wissen über die Parametereinstellung des Druckprozesses wird bereits in der Entwicklung in die Druckdateien eingebracht.^[67]

Für die Kunden ergibt sich die Chance, das Gewicht der eigenen Produkte zu reduzieren. Denn durch 3D-Druck sind neue, gewichtsreduzierende Geometrien möglich. Weiter können Unternehmen mehr auf die individuellen Kundenwünsche eingehen und auch komplexe Bauteile herstellen. Die Komplexität erhöht dabei unwesentlich die Produktionskosten. Dadurch verstärkt sich die Kundenbindung und -zufriedenheit.^[68] Jedoch entspricht die aktuell mögliche Oberflächengüte, Genauigkeit und Festigkeit noch nicht den Werten der konventionell hergestellten Bauteile. Ebenso ist die Herstellung von Standardbauteilen mit dem 3D-Drucker für Kunden uninteressant, da diese nicht kosteneffizient und somit zu teuer ist. Hier sind weiterhin die traditionellen Methoden vorzuziehen.^[69]

Aus der Betrachtung des Beschaffungsmarkts ergeben sich die Möglichkeiten der Reduktion der zu beschaffenden Materialien. Da Funktionen wie Federungen oder Clips integriert werden können, wird lediglich ein Ausgangsmaterial anstelle von mehreren Komponenten beschafft. Außerdem wird durch die Verringerung der Montage- und Koordinationskosten, eine Rückverlagerung von Wertschöpfungsaktivitäten unterstützt.^[70] Der 3D-Druck erfordert jedoch die Beschaffung bei neuen, unbekannten Lieferanten. Das Risiko von höheren Kosten, Falschlieferungen und unterschiedlichen Qualitätsverständnissen steigt aufgrund mangelnder Erfahrungen und fehlenden Beziehungen. Ferner ist auf mögliche Gesundheitsrisiken, wie lungengängiges Pulver oder Entflammbarkeit der Materialien, bei der Beschaffung zu achten und die Informationen hierüber an die anzuwendenden Abteilungen weiterzugeben.^[71]

4.4 Anwendung der Notwendigkeitsanalyse in der Praxis

4.4.1 Bewertung der Unternehmensanforderungen

Das Team der Notwendigkeitsanalyse wird zunächst definiert, es setzt sich aus Mitarbeitern aus den Bereichen Vertrieb, Strategie & Organisationsentwicklung, SCM sowie aus dem Leiter des Qualitätsmanagements des Unternehmens zusammen^[72]. Die Bewertung der Unternehmensanforderungen führte der Leiter des Qualitätsmanagements und zwei Personen der Abteilung Strategie & Organisationsentwicklung durch. Das Ergebnis ist nachfolgend dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3: Bewertung der Unternehmensanforderungen am Beispielunternehmen.

Das Team bewertet insgesamt neun Unternehmensanforderungen als sehr wichtig, fünf als wichtig und vier als weniger wichtig für die Entwicklung des Unternehmens. Von den neun sehr wichtigen Unternehmensanforderungen werden fünf durch den 3D-Druck-Einsatz besonders unterstützt:

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Tabelle 4: Unternehmensanforderungen.

Das Produktportfolio im Beispielunternehmen ist gekennzeichnet durch Produkte, die für unterschiedlichste Klimabedingungen Funktionssicherheit garantieren sollen. Mehrjährige Entwicklungszeiten und zahlreiche Testiterationen sind in dieser Industrie Normalität. Daher ist die Herstellung komplexer Produkte und die flexible Umsetzung von Änderungen während des Entwicklungsprozesses sehr wichtig. Es werden Klein- und Kleinstserien produziert. Die Wirtschaftlichkeit bei geringer Stückzahlproduktion ist daher ein zu erfüllendes Kriterium. Des Weiteren legt das High-Tech-Unternehmen besonderen Wert auf seine Vorreiterrolle bei neuen Technologien und Verfahren, damit grenzt sich das Unternehmen von seinen Wettbewerbern ab. Aufgrund der langen Entwicklungszeiten und Nutzungsdauer seiner Produkte im Kundeneinsatz ist die Erfüllung einer langen Lebensdauer äußerst wichtig. Ebenso ist die Gewährleistung einer konstant hohen und reproduzierbaren Qualität anhand definierter Qualitätsanforderungen und Standards elementar für die Funktions- und Anwendersicherheit der Produkte. Diese drei Forderungen werden nur bedingt durch den 3D-Druck erfüllt. Denn die Materialeigenschaften entstehen erst durch den 3D-Druck-Prozess und werden durch zahlreiche Druckparameter (z.B. Bauteilgeometrie und -orientierung im Bauraum, Qualität der Ausgangsmaterialien, Druckgeschwindigkeit^[73] ) beeinflusst.

Die Erfahrung wird derzeit von den Anwendungsunternehmen gesammelt, daher sind Qualitätsanforderungen und Standards im Entstehungsprozess.^[74] Es existieren jedoch bereits vereinzelte Standards wie die VDI 3405 in der z.B. die Güteüberwachung von lasergesinterten Kunststoffteilen (Blatt 1)^[75] oder die Qualitätssicherung von Strahlschmelzen metallischer Bauteile (Blatt 2)^[76] beschrieben sind. Über die Auswirkung auf die Lebensdauer ist wenig bekannt, dies sollte jedes Unternehmen anhand der produktspezifischen Anforderungen prüfen. Weiter bewertet das Beispielunternehmen die Anschaffungs- und Betriebskosten der Fertigungsmaschinen als „sehr wichtig“. Diese sind bei industriellen 3D-Druckern noch sehr hoch.^[77] Dazu addieren sich die Modernisierungskosten der Maschinen, da sich diese Technologie rasant weiterentwickelt.^[78] Der 3D-Druck ist weniger für die Herstellung hoher Stückzahlen geeignet, auch die Anforderung geringer Materialkosten erfüllt dieses Fertigungsverfahren nicht. Dies ist jedoch nicht nachteilig, da diese Forderungen als „weniger wichtig“ kategorisiert sind.

Zusammenfassend zeigt das Ergebnis der Unternehmensanforderungen, dass mehrheitlich die Anforderungen, die für das Beispielunternehmen bedeutend sind, durch den 3D-Druck unterstützt werden. Jedoch werden wichtige Forderungen, wie die Sicherstellung einer reproduzierbaren Qualität oder eine lange Lebensdauer 3D-gedruckter Produkte nicht garantiert, da aktuell noch zu wenig Erfahrungswerte vorhanden sind.

4.4.2 Durchführung der Konkurrenzanalyse

Für die Konkurrenzanalyse identifizierte das Team vier relevante Hauptkonkurrenten. Die Informationen stammen aus Internetauftritten (Unternehmenshomepage), Veröffentlichungen und Pressemitteilungen, Patentanmeldungen sowie Stellenanzeigen. Die Abteilungen Vertrieb und Strategie & Organisationsentwicklung führten die Analysen durch. Die ausführlichen Analysen je Konkurrent sind in Anhang 10-13 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5: Konkurrenzanalyse.

Detaillierte Version, siehe Anhang 14.

Aus der Tabelle 5 geht hervor, dass die vier betrachteten Wettbewerber die Additiven Fertigungsverfahren bereits einsetzen. Davon besitzen alle Unternehmen eigene 3D-Drucker. Interessant ist, dass alle Konkurrenten sowohl für den Prototypenbau als auch für die Serie den 3D-Druck zur Herstellung ihrer Produkte einsetzen und das bereits seit länger als fünf Jahren. Somit haben sie Erfahrungen gesammelt und eine gewisse Prozesssicherheit erreicht. Mehrheitlich nutzen sie die Verfahren SLA, EBM oder SLM. Die 3D-Druck-Hersteller für die SLM-Verfahren sind bekannt: SLM Solutions Group AG und EOS GmbH. Dass das Thema in den Unternehmen weiterentwickelt wird, lässt sich aus den Patentanmeldungen und Veröffentlichungen von Fachartikeln ableiten. Weiter arbeiten sie mit Universitäten, 3D-Druck-Herstellern/Dienstleistern zusammen und sind in Fachverbänden und Netzwerken zu Additiven Fertigungsverfahren vertreten. Sie besitzen somit ein breites Netzwerk zum Erfahrungsaustausch. Eine weitere bedeutende Erkenntnis ist, dass die Wettbewerber Mitarbeiter mit Kenntnissen im 3D-Druck suchen. Dies verdeutlicht das Interesse, die Additive Fertigungsmethoden im Unternehmen auch zukünftig weiter auszubauen und als etabliertes Verfahren einzusetzen. Die Konkurrenzanalyse zeigt, dass die Wettbewerber bereits 3D-Druck in der Serie einsetzen und langjährige Erfahrung gesammelt haben. Sie verfügen über entsprechendes Fachwissen und Netzwerke.

4.4.3 Durchführung der Kundenanalyse

Die Informationen der Kundenanalyse wurden von der Abteilung Vertrieb erhoben und stammen aus aktuellen Verträgen, Kundenanfragen und Entwicklungsprojekten, Kundenbefragungen am Telefon sowie Erfahrungen aus den bisherigen Projekten. Sie ist in Anhang 15 dargestellt und wird nachfolgend zusammengefasst.

Die Kunden schätzen vor allem die Innovationsfähigkeit und High-Tech-Technologie der Produkte sowie die Zuverlässigkeit des Unternehmens. Kennzeichnend für das Unternehmen sind die langen Entwicklungszeiten. Diese werden häufig überschritten. Daher ist die Vorteilhaftigkeit einer verkürzten Entwicklungszeit durch den 3D-Druck von besonderer Relevanz. Mithilfe Additiver Fertigungsmethoden kann auf aktuelle Herausforderungen, wie der hohe Individualisierungswunsch sowie die Änderung der Kundenanforderungen während des Entwicklungsprozesses, flexibel reagiert werden. Eine wichtige Erkenntnis aus der Analyse ist, dass die Kunden bereit sind für diese Individualität und Flexibilität höhere Preise zu zahlen. Deshalb sind die aktuell hohen Stückkosten additiv gefertigter Produkte zunächst weniger relevant für das Unternehmen. Der 3D-Druck fördert eine intensivere Einbindung des Kunden in den Entwicklungsprozess und ermöglicht eine schnelle Umsetzung der besprochenen Entwicklungsziele. Dies ist für das Beispielunternehmen ein bedeutender Vorteil, da die Kunden gemäß den Verträgen und internen Prozessen umfassend einzubinden sind. Da hauptsächlich Produkte in Klein- und Kleinstserie hergestellt werden, ist die beschränkte Eignung des 3D-Drucks für die Massenserienfertigung unmaßgeblich für das Unternehmen. Es liegen keine Informationen vor, ob Kunden bei den Wettbewerbern Produkte aus dem 3D-Drucker gekauft haben. Aktuell sind keine Kundenanfragen für additiv gefertigte Produkte eingegangen. Die Kundenanalyse legt gesamtheitlich betrachtet dar, dass der 3D-Druck mehrheitlich einen positiven Beitrag zur Erfüllung der Kundenanforderungen leistet.

4.4.4 Bewertung des Beschaffungsmarkts für 3D-Druck-Materialien

Die Bewertung des Beschaffungsmarkts führte die Abteilung SCM durch. Hierzu wurde die Lieferantendatenbank als Informationsquelle zur Beantwortung der Fragen herangezogen. Eine Recherche nach weiteren Materiallieferanten durch das Team fand nicht statt, da bereits interessante Lieferanten aus der Bewertung hervorgehen. Um die Entscheidung zu treffen, welche Lieferanten attraktiv sind, bewertete das Team die Lieferanten nach deren Lokalität (Standort Deutschland) und ihrer Produktpalette (Metallpulverspezialisierung). Für die Produkte des Beispielunternehmens sind Kunststoffmaterialien nicht interessant, die Produkte werden aus verschiedenen Metallen und Legierungen gefertigt.

Die Ergebnisse der Fragen zur Bewertung des Beschaffungsmarkts sind in Anhang 16 dargestellt. In dieser Tabelle sind ebenso die acht Lieferanten markiert, welche in der näheren Auswahl sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6: Bewertung des Beschaffungsmarkts von 3D-Druck-Materialien.

Für das Beispielunternehmen ist insbesondere die Firma Concept Laser GmbH interessant, da ein Dienstleistungsunternehmen Maschinen dieses Unternehmens im Einsatz hat, auf denen bereits Prototypen gefertigt wurden. Ebenso sind 3D-Systems Inc., Heraeus GmbH, EOS GmbH und H.C. Starck GmbH aufgrund ihres Standorts in Deutschland und ihrer Spezialisierung der Produktpalette auf Metallpulver in die nähere Betrachtung einzubeziehen.

4.4.5 Erstes Gate: Bewertung der Notwendigkeit

Die Bewertung der Notwendigkeit wird im definierten Team der Notwendigkeitsanalyse (siehe Kapitel 5.4.1) durchgeführt. Das Team vergibt als höchste Gewichtung je 20 Punkte für die Bewertungskriterien „Komplexität der Bauteile“ und „Unterstützung Unternehmensanforderungen durch die 3D-Druck-Technologie“. Geringere Relevanz mit entsprechender Gewichtung von 5 Punkten wird dem „Kundeninteresse an 3D-gedruckten Produkten“, „Unternehmensumfeld“, „Unternehmensstrategie“ sowie den „Diskussionen, Fachbeiträgen und Anwendungserfolgen in der Branche“ beigemessen. Die Teammitglieder bewerten die Ausprägung der Kriterien mehrheitlich mit hohen (3) bis sehr hohen (4) Erfüllungsgraden. Ausnahme bildet das „Kundeninteresse an 3D-gedruckten Teilen“, das mit der Ausprägung 2 bewertet ist. Aufgrund der Bewertung ergibt sich folgendes Diagramm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Ergebnisse der Notwendigkeitsanalyse im Netzdiagramm.

Die höchsten Teilnutzen ergeben sich aus der „Komplexität der Bauteile“ (80) und „Unterstützung Unternehmensanforderungen durch die 3D-Druck-Technologie“ (60). Dagegen trägt das „Kundeninteresse an 3D-gedruckten Teilen“ lediglich mit einem Teilnutzen von 10 zum Gesamtnutzen bei. Insgesamt wird ein Gesamtnutzen von 350 erreicht. Der 3D-Druck eignet sich besonders für komplexe Bauteile, dabei können individuelle Kundenanforderungen flexibel umgesetzt werden. Ferner wird das Produktportfolio „high mix, low volume“ unterstützt, denn durch die Individualität ist eine hohe Variantenvielfalt möglich. Eine weitere Notwendigkeit für das Beispielunternehmen, sich mit 3D-Druck zu beschäftigen, zeigt die Wettbewerbssituation. Die Konkurrenzunternehmen sammeln bereits Erfahrungen mit den Additiven Fertigungsverfahren. Daher empfiehlt es sich aufgrund der Unternehmensanforderungen und des Umfelds, die 3D-Druck-Technologie weiter zu analysieren und in die zweite Schicht „Möglichkeitsanalyse“ überzugehen. Die Ergebnisse der Nutzwertanalyse zum ersten Gate sind im Anhang 17 dokumentiert.

4.5 Zweite Schicht: Möglichkeitsanalyse

4.5.1 Bauteilauswahl und Bewertung der Qualitätsmerkmale und technischen Eigenschaften

Zunächst wird ein mögliches Bauteil ausgewählt und hinsichtlich der Eignung zum 3D-Druck bewertet. Dies erfolgt mithilfe der Checkliste zur Bauteilauswahl (Anhang 18). Die Fragen beziehen sich auf Produktmerkmale wie der Komplexitätsgrad des Bauteils, die Einordnung in ein Leichtbauprodukt oder ein Bauteil mit sehr hohem Personalaufwand und Rüstkosten. Für Bauteile mit diesen Eigenschaften sind die Additiven Fertigungsverfahren besonders vorteilhaft. Die Fragen sollen mit ja oder nein bezüglich ihrer Erfüllung für das spezifische Bauteil beantwortet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 7: Auszug aus der Checkliste zur Bauteilauswahl.

Vollständige Version in Anhang 18.

Ist die Anzahl der mit ja beantworteten Fragen gleich oder größer dem Wert 6 (> 50%), leistet der 3D-Druck mehrheitlich einen Vorteil zur Herstellung des Bauteils. Anschließend erfolgt die bauteilspezifische Bewertung der Qualitätsmerkmale und technischen Eigenschaften. Diese ist in Anhang 19 dargestellt und bietet dem Unternehmen ein Werkzeug, um die Qualitätsmerkmale und Bauteileigenschaften innerhalb von Spezifikationsbereichen einzuordnen. Innerhalb dieser Bewertung trifft das Unternehmen die Entscheidung, welche Ausprägungen die einzelnen Merkmale bzw. Eigenschaften die additiv hergestellten Bauteile erfüllen sollten. Die Auswahl der zu bewertenden Merkmale basiert auf den Erkenntnissen eines Interviews mit dem Konstruktionsleiter des Beispielunternehmens^[79] sowie den Hauptmerkmalen im Produktentstehungsprozess nach A. Nagarajah ^[80]. Zu beachten sind dabei folgende Erläuterungen zu den Merkmalen:

Kunststoff/Metall/Keramik:

Dieses Merkmal charakterisiert den Werkstoff, aus dem das Bauteil bestehen soll.

Glatte Oberfläche:

Die Oberflächenqualität wird durch die Schichtdicke, Bauteilorientierung, -größe und Druckgeschwindigkeit sowie der Qualität der Ausgangsmaterialien beeinflusst.^[81] Daher soll an dieser Stelle lediglich die Aussage getroffen werden, ob eine glatte Oberfläche als Merkmal für das Unternehmen ein zu erfüllendes Merkmal ist, ohne auf Details in der Oberflächenrauheit einzugehen.

Wiederverwendung 3D-Druck-Materialien:

Bei den Additiven Fertigungsverfahren, die überwiegend Pulver oder Granulate verarbeiten, können die Ausgangsmaterialien wieder dem Prozess zugeführt werden (teilweise mit Aufbereitungsaufwand).^[82] Ist dem Unternehmen eine Wiederverwendung des Materials wichtig (aus Umweltschutz-/ Kostengründen), ist dieses Merkmal mit ja zu beantworten.

Einsatz von Stützkonstruktion:

Für Hinterschneidungen, Hohlräume oder Überhänge sind bei einigen 3D-Druck-Verfahren spezielle Stützkonstruktionen notwendig, um Verformungen vorzubeugen. Diese müssen in einem Nachbereitungsschritt entfernt werden.^[83] Ist dieser Zusatzaufwand für Unternehmen akzeptabel?

3D-Nachbehandlungsprozess:

Hierzu zählen Nachbehandlungen wie Infiltration, Härtung, Vernetzung und Lackierung, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Reinigungsprozesse oder Stützenentfernung stellen keine Nachbehandlung dar, da diese die Bauteileigenschaften nicht beeinflussen.^[84]

Innenliegende Hohlräume:

Hohlraumstrukturen im Inneren der Bauteile.

Dichte:

Eine Dichte ≥ 99,9% bedeutet, dass Bauteile vergleichbare mechanische Eigenschaften wie gegossene Bauteile aufweisen.^[85]

Haltbarkeit:

Lebensdauer der gefertigten Bauteile. Sind Bauteile über eine lange Nutzungsdauer im Einsatz oder sind es kurzlebige Produkte (Wegwerfartikel)?

Farbenvielfalt:

Auswahl an Farben bzw. gefärbten Materialien für den 3D-Druck.

Eigenspannungen und Verzug:

Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten und -temperaturen können zu Eigenspannungen und dadurch zu Verzug im Bauteil führen.^[86]

Wandstärke:

Die Wandstärke ist nicht nur vom 3D-Druckverfahren, sondern ebenso von der Bauteilgeometrie, -größe und vom verwendeten Material abhängig.^[87]

Schichtdi>Die Schichtdicke bestimmt die Herstellungszeit und die Qualität eines Bauteils. Sind die Schichten dünn, dauert es länger die gewünschte Bauteilhöhe zu erreichen. Dadurch entstehen höhere Kosten für den Druck. Die Qualität des 3D-Drucks verschlechtert sich mit der Höhe der Schichtdicke. Der sogenannte Treppenstufeneffekt wird mit Verkleinerung der Schichtdicke reduziert. Entgegen diesem Effekt wird jedoch die Festigkeit mit zunehmender Schichtdicke positiv beeinflusst.^[88]

Genauigkeit/Maßhaltigkeit:

Die Genauigkeit der Bauteile wird durch eine Vielzahl an Einflussfaktoren bestimmt, z.B. Druckparameter, Bauteilgeometrie und -orientierung im Bauraum, Qualität der Ausgangsmaterialien, 3D-Druck-Maschine und Druckgeschwindigkeit.^[89]

Belastbarkeit:

Die Belastbarkeit ist abhängig von der mechanischen Festigkeit. Sie ist ein wichtiges Auswahlkriterium, da diese nicht oder lediglich mit hohem Nachbearbeitungsaufwand verbessert werden kann.^[90]

Bauteilgeometrie:

Die Geometrie des Bauteils beschreibt die innere und äußere Bauteilkontur.

Zu jeder getroffenen Auswahl der Ausprägung erhält das Unternehmen eine Empfehlung für die jeweiligen 3D-Druck-Verfahren, die sich hierfür am besten eignen.

Anschließend besteht die Möglichkeit die Merkmale zu priorisieren. Es werden die Merkmale hervorgehoben, die bei der Entscheidungsfindung vorrangig gelten sollen. Daraufhin trifft das Team eine vorläufige Entscheidung, welches der Verfahren für das Unternehmen technisch möglich und interessant ist. Dazu sollte sich das Unternehmen zu den einzelnen Verfahren umfassender informieren. Die Informationen zu den empfohlenen Verfahren sind aus der Tabelle 14 aus Anhang 1 und den darin enthaltenen verfahrensspezifischen Vor- und Nachteilen zu gewinnen. Auf dem Markt wird inzwischen eine Vielfalt an 3D-Drucksystemen und Ausgangsmaterialien angeboten. Des Weiteren existieren zahlreiche schwer quantifizierbare Einflussgrößen (z.B. Pulverqualität) auf den 3D-Druckprozess. Daher repräsentieren die Merkmale verallgemeinerte Angaben und können je nach Hersteller und Material abweichen.^[91] Ein weiterer Aspekt, der die Beurteilung einschränkt, sind die Materialeigenschaften. Diese entstehen erst durch den 3D-Druckprozess, daher sind sie weitgehend unbekannt. Auf diesem Gebiet werden derzeit Erfahrungen gesammelt.^[92] Sowohl in der Literatur als auch in den Herstellerangaben der Anlagen sind teilweise widersprüchliche Angaben zu den o.g. Merkmalen und deren Ausprägungen zu finden. Zudem entwickeln sich die Additiven Fertigungsverfahren rasant weiter und somit auch deren Leistungsparameter. Daher ist die Einordnung der Verfahren in die Ausprägungsbereiche unter Vorbehalt zu betrachten. Sie dient als Orientierung für das Unternehmen.

4.5.2 Anforderungsanalyse der Unternehmensbereiche

Bei der Herstellung von Bauteilen sorgen neben der Fertigung noch zahlreiche weitere Unternehmensbereiche, wie SCM, QM, Konstruktion/Entwicklung, Personalabteilung, Lager, Logistik und Wareneingang für einen reibungslosen Ablauf. Durch den Einsatz der 3D-Druck-Technologie ändert sich nicht nur das Fertigungsverfahren, sondern ebenso die Anforderungen an und von den Unternehmensprozessen und -abteilungen. Es ist für die Entscheidungsfindung wichtig, dass sich das Unternehmen dem Ausmaß der Veränderungen innerhalb der Organisation bewusst ist. Daher sind für jeden, durch den 3D-Druck tangierenden Unternehmensbereich, die Anforderungen und Einflussfaktoren zu analysieren. Die Analyse wird mithilfe von Mind-Maps für die jeweiligen Fachabteilungen sowie dem Ursachen-Wirkungsdiagramm (Ishikawa-Diagramm) durchgeführt.

1) Mind-Map Erstellung:

Zunächst werden die Mind-Maps in den Abteilungen erarbeitet. Zur Unterstützung dienen die fünf Kategorien aus dem Ishikawa-Diagramm: Mensch, Maschine, Material, Methode und Mitwelt (Erläuterung siehe Punkt 2), für die jeweils Leitfragen vorbereitet sind.

Folgende Fragen werden beispielsweise in der Kategorie „Methode“ gestellt. Die vollständige Liste der Leitfragen werden in Anhang 20 und die Mind-Map-Vorlage in Anhang 21 vorgestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 8: Beispiel Kategorie "Methode" zur Mind-Map-Erstellung.

Anhand dieser Fragen bilden die Abteilungen jeweils Oberbegriffe, unter denen sie ihre Ideen zu den Einflussfaktoren und Anforderugen sammeln. Anschließend werden die Oberbegriffe in das Ishikawa-Diagramm übertragen, somit ergibt sich ein Gesamtbild der Anforderungen und Einflussfaktoren des 3D-Druck-Einsatzes für das Unternehmen.

2) Ishikawa-Diagramm:

Das Ishikawa-Diagramm wird als Werkzeug zur Ursachensuche für ein bestimmtes Problem bzw. für eine bestimmte Wirkung verwendet. Durch seine vorgegebene Struktur (ähnlich einer Fischgräte) und Kategorisierung dient es dazu, eine Situation transparent darzustellen. Es sind vier Hauptkategorien üblich: Mensch, Maschine, Methode, Material (weitere sind ergänzbar, z.B. Mitwelt). Anhand von Frage-Checklisten zu jeder Hauptkategorie werden mögliche Ursachen gesammelt und zugeordnet. Dadurch wird das Problem aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet und es entsteht eine verständliche und überschaubare Diskussionsgrundlage.^[93] In dieser Arbeit wird das Ishikawa-Diagramm angewendet, um die im vorangegangenen Mind-Mapping gesammelten Anforderungen und Einflüsse für eine erwünschte Wirkung zusammenzufassen. Anschließend werden diese hinsichtlich Realisierungsmöglichkeit sowie zeitlicher Aufwand bewertet. Die zu erreichende Wirkung lautet: Es soll eine „erfolgreiche und prozesssichere Additive Fertigung im Unternehmen“ erzielt werden. Die Unternehmensbereiche werden durch je einen Einflussstrang dargestellt, unter dem sich die abteilungsspezifischen Voraussetzungen (Ursachen) gliedern. Diese stellen die Oberbegriffe aus den Mind-Maps dar. Eine Vorlage des Ishikawa-Diagramms ist in Anhang 22 vorgegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Beispielhafte Darstellung des Ishikawa-Diagramms.

Anschließend werden die Voraussetzungen aus dem Ishikawa-Diagramm von den Abteilungen anhand der Kriterien Realisierungsmöglichkeit und zeitlicher Aufwand bewertet. Die Bewertung erfolgt unter Betrachtung der verfügbaren Personalressourcen, dem im Unternehmen vorhandenen Fachwissen sowie der Komplexität des Realisierungsthemas. Dafür können jeweils bis zu drei Punkte vergeben werden.

Drei blaue Punkte zeigen eine gute Realisierungsmöglichkeit auf, ein blauer

Punkt dagegen eine schlechte Realisierungsmöglichkeit. Der zeitliche Aufwand wird durch die Vergabe von grünen Punkten eingeschätzt ( = kurzfristige Realisierbarkeit, da geringer zeitlicher Aufwand / = langfristig realisierbar, da hoher zeitlicher Aufwand). Durch diese Anforderungsanalyse wird erreicht, dass sich nicht nur das Management, sondern auch die einzelnen Abteilungen mit dem Thema 3D-Druck in der Serienfertigung und deren Auswirkungen auf ihre Arbeit beschäftigen. Ferner erkennt das Unternehmen, welche Bereiche besonders beeinflusst werden und identifiziert die unternehmensinternen Voraussetzungen für einen erfolgreichen und prozesssicheren Einsatz der Additiven Fertigungsverfahren. In einem weiteren Schritt können die Ergebnisse herangezogen werden, um daraus Handlungsfelder und Aktivitäten je Abteilung/Unternehmensprozess abzuleiten.

[...]

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^[1] Vgl. Balsliemke (2015), S. VII.

^[2] Vgl. Feldmann/Pumpe (2016), S. 1.

^[3] Vgl. Müller/Karevska (2016), URL: http://www.ey.com/Publication/vwLUAssets/ey-praesentation-3d-druck/$FILE/ey-praesentation-3d-druck.pdf, S. 9, Abruf vom 13.05.2017.

^[4] Vgl. Gebhardt (2016), S. 1-4.

^[5] Vgl. Deutsches Institut für Normung DIN 8580:2003-09 (2003), S. 4.

^[6] Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 2.

^[7] Verein Deutscher Ingenieure VDI 3405 (2014), S. 15.

^[8] Vgl. ISO/ASTM 52900:2015 (2015), S. 2.

^[9] Vgl. Verein Deutscher Ingenieure VDI 3405 (2014), S. 15 und vgl. ISO/ASTM 52900:2015 (2015), S. 2.

^[10] Vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 2ff und vgl. Feldmann/Pumpe (2016), S. 6.

^[11] Vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 2.

^[12] Vgl. Gibson/Rosen/Stucker (2015), S. 1.

^[13] Vgl. Gebhardt (2016), S. 11.

^[14] Vgl. Gebhardt (2016), S. 8f.

^[15] Hopkinson/Hague/Dickens (2006), S. 1.

^[16] Vgl. Hull (1986), URL: https://www.google.com/patents/US4575330, Abruf vom 13.05.2017.

^[17] Vgl. Deckard (1989), URL: https://www.google.com/patents/US4863538, Abruf vom 13.05.2017.

^[18] Vgl. Gu (2015), S. 2f.

^[19] Vgl. Grund (2015), S. 37.

^[20] Vgl. Caffrey/Wohlers/Campbell (2016), S. 33.

^[21] In Anlehnung an Berger/Hartmann/Schmid (2013), S. 10; Feldmann/Pumpe (2016), S. 6 und Grund (2015), S. 47.

^[22] Vgl. Gebhardt (2016), S. 66.

^[23] Vgl. Hagl (2015), S. 25.

^[24] Vgl. Hagl (2015), S. 25 und vgl. Gebhardt (2016), S. 67.

^[25] Vgl. Zäh (2013), S. 16.

^[26] Vgl. Gu (2015), S. 4, 6.

^[27] Vgl. Verein Deutscher Ingenieure VDI 3405 (2014), S. 6.

^[28] Vgl. Gu (2015), S. 6 und vgl. Gibson/Rosen/Stucker (2015), S. 6.

^[29] Vgl. Gebhardt (2016), S. 25.

^[30] Vgl. Gibson/Rosen/Stucker (2015), S. 11.

^[31] Vgl. Gebhardt (2016), S. 24.

^[32] Vgl. Gebhardt (2016), S. 15.

^[33] Vgl. Zäh (2013), S. 16. und vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 140.

^[34] Vgl. Zäh (2013), S. 115.

^[35] Vgl. Gebhardt (2016), S. 552.

^[36] Vgl. Caffrey/Wohlers/Campbell (2016), S. 171.

^[37] Vgl. Gibson/Rosen/Stucker (2015), S. 9-12.

^[38] Müller/Karevska (2016), URL: http://www.ey.com/Publication/vwLUAssets/ey-praesentation-3d-druck/$FILE/ey-praesentation-3d-druck.pdf, S. 6, Abruf vom 13.05.2017.

^[39] Vgl. Caffrey/Wohlers/Campbell (2016), S. 27.

^[40] Vgl. Caffrey/Wohlers/Campbell (2016), S. 27, 166.

^[41] Vgl. Juschkat (2016), URL: http://www.konstruktionspraxis.vogel.de/airbus-nutzt-3d-druck-fuer-den-a350-xwb-a-555169/, Abruf vom 14.05.2017.

^[42] Vgl. Wölfle (2016), URL: https://www.premium-aerotec.com/fileadmin/user_upload/data/migrated/news/2014_07_31_Pressemitteilung_-_3D-Drucken.pdf, Abruf vom 28.05.2017.

^[43] Vgl. MTU AERO ENGINES (o.J.), URL: http://www.mtu.de/de/technologie/fertigungsverfahren/Additive-fertigung/, Abruf vom 16.05.2017.

^[44] Vgl. ADIDAS GROUP (2017), URL: http://www.adidas-group.com/de/medien/newsarchiv/pressemitteilungen/2017/adidas-stellt-mit-futurecraft-4d-den-ersten-durch-digital-light-/, Abruf vom 14.05.2017.

^[45] Vgl. SONOVA AG (o.J.), URL: http://www.sonova.com/de/features/3d-druck-fuer-besseres-hoeren, Abruf vom 25.05.2017.

^[46] Vgl. Pohling (2016), URL: https://www.ztm-aktuell.de/technik/werkstoffe/story/3d-druck--trend-mit-potenzial-__3765.html, Abruf vom 20.05.2017.

^[47] Vgl. BMW GROUP (2016), URL: https://www.press.bmwgroup.com/deutschland/article/detail/T0261924DE/serienbauteile-aus-dem-3d-drucker:-bmw-group-baut-den-einsatz-Additiver-fertigungsverfahren-weiter-aus?language=de, Abruf vom 16.05.2017.

^[48] Vgl. o.V. (o.J.), URL: https://www.3d-grenzenlos.de/magazin/thema/3d-druck-automobilindustrie/, Abruf vom 17.05.2017.

^[49] Vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 172.

^[50] Vgl. HUTCHERSON (2017), URL: http://gorham-tech.com/yahoo_site_admin/assets/docs/Gorham_AM_Presentation_2017_Final_3917.8051458.pdf, S. 11, 12, Abruf vom 23.06.2017.

^[51] Vgl. MOLITCH-HOU (2015), URL: https://3dprintingindustry.com/news/raytheon-making-significant-inroads-to-3d-printing-complete-missile-53598/, Abruf vom 20.06.2017.

^[52] Vgl. US ARMY (2017), URL: http://www.defenceweb.co.za/index.php?option=com_content&view=article&id=47186:us-army-test-fires-3d-printed-grenade-grenade-launcher&catid=90:science-a-defence-technology&Itemid=204, Abruf vom 20.06.2017.

^[53] Beispielsweise Feldmann/Pumpe (2016) oder Zäh (2013).

^[54] Vgl. Kairies (2013), S. 30, 38.

^[55] Vgl. Kairies (2013), S. 25.

^[56] Vgl. Graumann/Weissman (1998), S. 164.

^[57] Vgl. KUß/KLEINALTENKAMP (2016), S. 55-103.

^[58] Vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 172.

^[59] Vgl. MAGERHANS (2016), S. 278f.

^[60] Vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 172.

^[61] Vgl. Gebhardt/Kessler/Thurn (2016), S. 52.

^[62] Vgl. o.V. (o.J.), URL: https://3druck.com/3d-druck-material-liste/, Abruf vom 09.05.2017.

^[63] Vgl. WEBER/SCHÄFFER (2016), S. 328.

^[64] Vgl. WEBER/SCHÄFFER (2016), S. 328-331.

^[65] Vgl. WEBER/SCHÄFFER (2016), S. 329f.

^[66] Vgl. Zäh (2013), S. 125 und vgl. Feldmann/Pumpe (2016), S. 10.

^[67] Vgl. Leupold/Glossner (2016), S. 57.

^[68] Vgl. Feldmann/Pumpe (2016), S. 9 und vgl. Zäh (2013), S. 125.

^[69] Vgl. Zäh (2013), S. 125.

^[70] Vgl. Feldmann/Pumpe (2016), S. 9.

^[71] Vgl. Feldmann/Pumpe (2016), S. 12.

^[72] Mitarbeiternamen dürfen aus Datenschutzgründen nicht genannt werden, daher sind sie nur mit ihrer Abteilung/Funktion benannt.

^[73] Vgl. o.V. (o.J.), URL: https://www.bibus.at/fileadmin/product_data/3D-Systems/documents/ProJet_6000_7000__3D_Drucker_3D_Systems_d.pdf, Abruf vom 19.05.2017.

^[74] Vgl. Gedächtnisprotokoll Hr. B, Leitung Konstruktion, vom 11.07.2017 und vgl. HUTCHERSON (2017), URL: http://gorham-tech.com/yahoo_site_admin/assets/docs/Gorham_AM_Presentation_2017_Final_3917.8051458.pdf, S. 11, 12, Abruf vom 23.06.2017.

^[75] Verein Deutscher Ingenieure VDI 3405 Blatt 1 (2013).

^[76] Verein Deutscher Ingenieure VDI 3405 Blatt 2 (2013).

^[77] Vgl. Caffrey/Wohlers/Campbell (2016), S. 56.

^[78] Vgl. Gebhardt (2016), S. 552.

^[79] Gemäß Gedächtnisprotokoll Hr. B, Leitung Konstruktion, vom 11.07.2017.

^[80] Vgl. NAGARAJAH (2013), S. 331.

^[81] Vgl. SWARNA LAKSHMI/ ARUMAIKKANNU (2017), S. 2.

^[82] Vgl. Gebhardt (2016), S. 66.

^[83] Vgl. Hagl (2015), S. 26f.

^[84] Vgl. Beyer/Kochan (2013), S. 68.

^[85] Vgl. Gieseke/Albrecht/Nölke/Kaierle (2016), S. 19.

^[86] Vgl. BAUMGÄRTNER, (2014), URL: https://3dprintingblog.wordpress.com/2014/11/30/warping-verzug-bei-3d-druck-vermeiden-gastbeitrag/, Abruf vom 20.05.2017.

^[87] Vgl. Fastermann (2012), S. 79.

^[88] Vgl. Gebhardt (2016), S. 22 und vgl. o.V. (2015), URL: http://my3dmatter.com/influence-infill-layer-height-pattern/, Abruf vom 20.05.2017.

^[89] Vgl. o.V. (o.J.), URL: https://www.bibus.at/fileadmin/product_data/3D-Systems/documents/ProJet_6000_7000__3D_Drucker_3D_Systems_d.pdf, Abruf vom 19.05.2017.

^[90] Vgl. Grund (2015), S. 48f.

^[91] Vgl. o.V. (o.J.), URL: https://3faktur.com/selektives-lasersintern-vs-stereolithografie/, Abruf vom 20.05.2017.

^[92] BAUER/BORCHERS/BURKERT et al. (2016), S. 17.

^[93] Kerner/Michi (2006), S. 26ff.