Additive Fertigung in der Logistikbranche und die dadurch möglichen Veränderungen in der Wertschöpfungskette


Bachelorarbeit, 2018
60 Seiten, Note: 1.7

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehensweiße

2 Grundlagen der Additiven Fertigung
2.1 Fertigungsverfahren
2.1.1 Fused Deposition Modeling
2.1.2 Lasersintern von Kunststoffen und Laserschmelzen von Metallen
2.1.3 Stereolithographie
2.1.4 Multi-Jet und PolyJet
2.1.5 Die Datenformate
2.2 Eigenschaften der additiven Fertigung
2.2.1 Baugeschwindigkeit
2.2.2 Komplexität der Geometrie und der Bauelemente
2.2.3 Werkzeuglose Fertigung
2.2.4 Individualisierung
2.2.5 Umweltfreundlichkeit
2.2.6 Wirtschaftliche Vorteile
2.2.7 Grenzen der additiven Technologie
2.3 Ausgewählte Fertigungsbereiche
2.3.1 Automobilindustrie
2.3.2 Luft und Raumfahrt
2.3.3 Medizintechnik und Gesundheitswesen

3 Veränderung der Wertschöpfungskette durch additive Fertigung
3.1 Definition Wertschöpfungskette
3.1.1 Wertkette nach Porter
3.1.2 Lieferkette
3.1.3 Das Filiére-Konzept
3.2 Strukturänderungen
3.2.1 Industrie 4.0 und Logistik 4.0
3.2.2 Veränderung der Wertschöpfung
3.3 Interaktive Wertschöpfung
3.3.1 Kundenindividuelle Massenproduktion
3.3.2 Plattformlösungen
3.3.3 Sichere Prozessketten mithilfe von Blockchain
3.4 Szenarien für eine Änderung der logistischen Wertschöpfungsketten am Beispiel einer Handyschale
3.4.1 Dezentrale Produktion
3.4.2 Distributor als Produzent und Händler
3.4.3 Lokaler Druckservice
3.4.4 Kunden Self-Service
3.4.5 Zusammenfassung der Szenarien

4 Ausgewähltes Fallbeispiel
4.1 Mikrofabriken am Beispiel Local Motors

5 Fazit und Ausblick

6 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Kostenvergleich Additive Manufacturing (AM) zur konventionellen Fertigung

Abbildung 2: Gartner Hype-Zyklus

Abbildung 3: Wertschöpfung nach Porter

Abbildung 4: Das Filiére-Konzept

Abbildung 5: Aufbau einer Industrie 4.0

Abbildung 6: Aus Anwendungsfällen abgeleitete Annahmen zu Auswirkungen durch den Einsatz von additiver Fertigung im qualitativen Vergleich zur konventionellen Fertigung

Abbildung 7: Wertschöpfungskette eines Sportschuhs

Abbildung 8: Plattformen verbinden Menschen, Fabriken, Maschinen und Produkte

Abbildung 9: konventionelle Wertschöpfungskette

Abbildung 10: Dezentrale Produktion

Abbildung 11: Distributor als Produzent und Händler

Abbildung 12: Lokaler Druck-Service

Abbildung 13: Kunden Self-Service

Abbildung 14: Treibhausgasemissionen für verschiedene Varianten

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Überblick über Druckverfahren, Prinzipien und Materialien

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Geschichte der additiven Fertigung beginnt bereits Anfang der 80er Jahre mit dem US-amerikanischen Ingenieur Chuck Hall und dem chemischen Prozess der Photopolymerisation, die als Stereolithographie (SLA) bekannt wurde (Klemp, 2017, S. 3). Im Anfangsstadium war das Ziel der additiven Fertigung die Herstellung von kostengünstigen Prototypen. Daraus resultierte, dass auf Haltbarkeit, Qualität und Stabilität kein großer Wert gelegt wurde. Dies änderte sich durch die stetigen Verbesserungsprozesse der Hardware und neuer Materialien, die zum Einsatz kamen (Zeyn, 2017, S. 1). Heutzutage hat sich die Technologie der additiven Fertigung in einigen Branchen etabliert und wird als ein Teil der neuen industriellen Revolution betitelt, welche die Massenproduktion individualisieren könnte (Fastermann, 2016, S. 1).

Die Anwendungsbeispiele des 3D-Drucks reichen von Pizza über Organe, bis hin zu Häusern und scheinen daher nahezu grenzenlos zu sein. So stellte auch Barak Obama im Jahr 2013 bereits fest: „3D printing has the potential to revolutinize the way we make almost everything“ (Feldmann & Pumpe, 2016, S. 5). Kein Industriebereich ist heutzutage mehr ohne additive Fertigung vorstellbar. Additive Fertigungsverfahren werden beispielsweise in der heutigen Medizintechnik verwendet, um Zahnersatz, Hörgeräte oder Gelenkimplantate herzustellen. Auch in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Architektur, der Elektrotechnik und in vielen weiteren Anwendungsgebieten sind additive Fertigungsverfahren nicht mehr wegzudenken (Fastermann, 2016, S. 5).

Neue Technologien beeinflussen den industriellen Wandel einerseits in bereits bestehenden Unternehmen und führen andererseits zur Gründung neuer Unternehmen und Geschäftsmodellen (Dosi & Nelson, 1994, S. 154). Additive Fertigung hat das Potential die Ökonomie zu vereinfachen und Teile der industriellen Infrastruktur überflüssig werden zu lassen, was enorme Auswirkungen auf die Wertschöpfungskette haben könnte (Stengel, 2018, S. 14). Vorhersagen über die weitere Entwicklung der additiven Fertigung sind derzeit sehr spekulativ. Personalisierte Produkte könnten vor dem Hintergrund der additiven Fertigung an Bedeutung gewinnen. Darüber hinaus könnte die additive Fertigung eine Dezentralisierung der Produktion anstoßen (Petschow, Ferdinand, Dickel, Flämig & Steinfeldt, 2014, S. 239).

1.1 Problemstellung

Produktlebenszyklen werden zunehmend kürzer und die Kundenindividualisierung wird immer größer. Gleichzeitig ist die Erwartung groß, dass die Verfügbarkeit nicht nur im Herkunftsland, sondern weltweit sichergestellt wird. Effizienzsteigerung steht dabei für viele Unternehmen aufgrund des hohen Wettbewerbs und einem Überangebot an Waren und Dienstleistungen im Vordergrund. Eine Steigerung der Effizienz erfordert auch den bewussten Umgang von Ressourcen und die Flexibilität der Produktion. Außerdem wird eine lückenlose Dokumentation der Produktherstellung immer wichtiger (Manzei, Schleupner & Heinze, 2016, S. 11).

Durch additive Fertigungsverfahren ergeben sich völlig neue Möglichkeiten hinsichtlich der kompletten Wertschöpfungskette. Dies betrifft besonders die Logistikbranche, die sich im Zeitalter der Digitalisierung anpassen muss. Neue Geschäftsmodelle, die durch additive Fertigung entstehen könnten, müssen erst auf ihre Wirtschaftlichkeit und auf die Akzeptanz der Kunden geprüft werden. Die endgültige Entwicklung des 3D-Drucks ist noch nicht abzusehen, daher sind Zukunftsszenarien reine Spekulation (Caviezel et al., 2017, S. 149).

Additive Fertigung wird für eine Verlagerung der Produktion alleine nicht ausreichen, denn es benötigt eine Vielzahl von begleitenden Innovationen, um sich zu etablieren und damit wettbewerbsfähig zu sein. Dies beinhaltet Lasertechnologien, Softwareprodukte, Drucktechnologien und besonders neue Materialien. Für Unternehmen wird diese Umstellung besonders aufgrund der vielfältigen technischen Innovationen sowie wegen der daraus resultierenden neuen Geschäftsmodellen problematisch (Petschow et al., 2014, S. 239).

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Bachelorarbeit ist es zunächst, den industriellen Einsatz der additiven Fertigung zu prüfen und die möglichen Verfahren sowie die Einsatzmöglichkeiten miteinander zu vergleichen. Insbesondere die Auswirkungen auf die Wertschöpfungskette in Bezug auf die Logistikbranche sowie mögliche Szenarien für eine Dezentralisierung der Produktion, stehen im Mittelpunkt der Betrachtung.

1.3 Vorgehensweiße

Im Rahmen dieser Thesis wurde eine umfangreiche Literaturrecherche u.a. mithilfe verschiedener Bibliotheks-Katalogen, zahlreicher Fachdatenbanken sowie wissenschaftlicher Suchmaschinen durchgeführt. Festgestellt werden konnte, dass die Thematik der additiven Fertigung in Bezug auf die Logistikbranche in der Fachliteratur bereits umfassend behandelt wurde.

Die vorliegende Arbeit schafft einen Gesamtüberblick über die zukünftigen Szenarien von möglichen Auswirkungen der additiven Fertigung auf die Wertschöpfung und Logistikbranche.

Die Bachelorarbeit gliedert sich in insgesamt fünf Kapitel. An die Einleitung schließt sich in Kapitel 2 die Darstellung der additiven Fertigung an. In diesem Zusammenhang werden die Grundlagen des 3D-Drucks erläutert und die vier am häufigsten verwendeten generativen Fertigungsverfahren genauer beschrieben. Anschließend wird auf die für die Anwendung der Fertigungsverfahren relevanten Datenformate eingegangen.

Es folgt die Auseinandersetzung mit den Eigenschaften der additiven Fertigung und den möglichen Vorteilen und Grenzen dieser Technologie. In einem nächsten Schritt werden Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Industriezweigen, die mit dem Verfahren des 3D-Drucks arbeiten, dargestellt.

Im dritten Kapitel, dem Hauptteil der vorliegenden Arbeit, erfolgt die Betrachtung der additiven Fertigung in der Logistikbranche und der damit verbundenen möglichen Veränderungen in der Wertschöpfungskette. Zu Beginn des dritten Kapitels werden zunächst die in Bezug auf die Wertschöpfungskette relevanten Begriffe grundlegend erläutert. Darauffolgend werden technische Herausforderung und neue Geschäftsmodelle, die im Zusammenhang mit der additiven Fertigung stehen, aufgezeigt. Dabei stehen die Industrie 4.0 und Logistik 4.0 sowie die damit einhergehende Veränderung der Wertschöpfung im Vordergrund.

Daran schließt sich die Betrachtung der sogenannten interaktiven Wertschöpfung an.

Im weiteren Verlauf werden Szenarien aufgezeigt, wie die Wertschöpfung in Zukunft aussehen könnte und durch ein Beispiel verdeutlicht.

Kapitel 4 ergänzt die Ausführungen des Hauptteils durch ein Fallbeispiel eines innovativen Unternehmens, das mit Hilfe von 3D-Druck-Technologie, neue Geschäftsmodelle umgesetzt hat.

Das fünfte Kapitel schließt die Thesis ab, indem es wichtige Ergebnisse und Erkenntnisse aus den vorherigen Kapiteln zusammenfasst und Bezug auf die gesetzte Zielstellung dieser

Arbeit nimmt. Ein Ausblick in die Zukunft der additiven Fertigung vollendet die vorliegende Thesis.

2 Grundlagen der Additiven Fertigung

Bei den additiven Fertigungsverfahren wird anders als beim subtraktiven Fertigungsverfahren oder bei formativen Fertigungsverfahren, Material nicht abgetragen oder geformt, sondern Schicht für Schicht automatisch aufgetragen. So können Geometrien gefertigt werden, die mit herkömmlichen Verfahren undenkbar oder nur beschränkt herstellbar sind. Diese Fertigungsverfahren weisen besondere Eigenschaften aufgrund des Schichtbauprinzips auf. Es werden keine produktspezifischen Werkzeuge benötigt, da das Bauteil anhand von einer dreidimensionalen CAD-Zeichnung gedruckt wird. Diese Vorgehensweiße wird auch als „generative Fertigungsverfahren“ bezeichnet (Gebhardt, 2016, S. 1–4).

Additive Fertigungsverfahren gliedern sich in drei Bereiche. Das sogenannten „Rapid Prototyping“ beschreibt die Herstellung von Prototypen und Modellen mit Hilfe des 3D-Drucks. Ziel ist es, möglichst schnell aussagekräftige Modelle herzustellen. Das „Rapid Tooling“ beschreibt dagegen die Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen. Beim „Rapid Manufacturing“ geht es um additive Fertigung von Bauteilen mit Eigenschaften von Endprodukten (Gebhardt, 2016, 8 ff.).

2.1 Fertigungsverfahren

Die Anzahl der Druckverfahren bietet eine große Vielfalt, nicht nur an verwendeten Materialien, sondern auch an eingesetzten Druckern. Die Verfahren lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen aufteilen. Bei der Verfahrensgruppe „Heißklebepistole“ werden dünne Schichten Material mit einem Druckkopf Schicht für Schicht aufgetragen. Bei der sogenannten Verfahrensgruppe „Sandkasten“ wird das Ausgangsmaterial mithilfe eines Druckkopfes miteinander verbunden. Dieser Vorgang wiederholt sich schichtweiße, indem neue Schichten an Ausgangsmaterial erneut bearbeitet werden. So können zum Beispiel mittels eines Laserstrahls aus einem vorliegendem Metallpulver Strukturen Schicht für Schicht miteinander verschmolzen werden (Feldmann & Pumpe, 2016, S. 6).

Alle derzeit auf dem Markt oder in der Forschung existierenden Verfahren vorzustellen, würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Tabelle 1 zeigt einen kleinen Überblick über die wichtigsten Druckverfahren, die bei der additiven Fertigung zum Einsatz kommen. Die Technologie wird sich in den nächsten Jahren rapide weiterentwickeln, folglich werden immer neuere Produktionsverfahren entstehen (Klemp, 2017, S. 31)

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Überblick über Druckverfahren, Prinzipien und Materialien (In Anlehnung an Feldmann & Pumpe, S. 6)

Laut einer Studie aus dem Jahr 2017 der Firma Sculpteo, die zu einem der wichtigsten Produktionspartner im Bereich des 3D-Drucks gehören, sind die meistgenutzten Materialien beim 3D-Druck im Jahr 2017 Plastik, Harze und Metalle. Zu den vier meistgenutzten Technologien gehören das Fused Deposition Modeling (FDM) mit 36 Prozent, Selektives Laser Sintern (SLS) mit 33 Prozent, Stereolithografie (SLA) mit 25 Prozent und das Multijet/ Polyjet mit 13 Prozent (Sculpteo, 2017, S. 8). Im Folgenden werden diese vier Technologien genauer betrachtet.

2.1.1 Fused Deposition Modeling

Das „Fused Deposition Modeling“ oder auch als „Schmelzschichtung“ bezeichnet, typisiert den schichtweisen Aufbau eines Werkstückes aus schmelzfähigem Kunststoff und arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie eine Heißklebepistole. Das Verfahren wurde von der Firma Stratasys entwickelte (Zeyn, 2017, S. 56). Dieses Verfahren findet sowohl bei der Heiminstallation, wie auch bei professionellen Verfahren Anwendung. Dabei wird das Material in der Düse des Druckers erhitzt und von dort schichtweise auf einer Druckplatte aufgetragen. Nachdem die untere Schicht ausgehärtet ist, wird eine neue Schicht aufgetragen. Als Werkstoff wird Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), das auch als Lego Baustoff genutzt wird, verwendet. Jedoch wird mit immer neuen Materialen experimentiert. Aufgrund der verwendeten Materialien benötigten größere Überhänge Stützkonstruktionen, um ein Wegknicken oder Abbrechen zu vermeiden. Die Stützkonstruktionen müssen in einem Nachbearbeitungsschritt entfernt werden, allerdings gibt es auch wasserlösliche Stützstrukturen, die ausgewaschen werden können (Fastermann, 2016, S. 34).

Durch die Einfachheit dieser Technologie und den auslaufenden Patenten, ist das FDM Verfahren am weitverbreitetsten unter Privatanwendern. Damit lassen sich Spielzeuge, personalisierte Accessoires oder Kleinteile von daheim aus produzieren (Klemp, 2017, S. 25). Einstiegsmodelle eines 3D-Druckers lassen sich mittlerweile kostengünstig erwerben. Die Preise für ein Gerät beginnen schon bei 250 Euro (Conrad, 2018).

2.1.2 Lasersintern von Kunststoffen und Laserschmelzen von Metallen

Beim Selektiven-Lasersintern (SLS) wird Pulverwerkstoff, in der Regel Kunststoffe, Keramik oder Sande verwendet und schichtweise versintert. Im Gegensatz zum Sintern, bei dem nur die Oberflächen miteinander verbunden werden, wird beim Selektiven-Laserschmelzen (SLM) Metallpulver miteinander verschmolzen, was den entscheidenden Unterschied beider Verfahren darstellt. Die Vorgehensweiße bei beiden Verfahren ist jedoch fast identisch. Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird von einem Laser zum Schmelzen gebracht. Beim Auskühlen verfestigt sich das Material. Daraufhin wird eine neue Schicht Ausgangsmaterial aufgetragen und an den Konturen vom Laser bearbeitet. Dieser Arbeitsschritt läuft kontinuierlich weiter, bis das Bauteil Schicht für Schicht in die Höhe gewachsen ist. Der Vorteil von diesem Verfahren ist, dass aufgrund der Stützkraft durch das nicht verschmolzene Restpulver keine zusätzlichen Stützstrukturen notwendig sind (Fastermann, 2016, 31f). Das fertige Bauteil muss vom Restpulver befreit werden, jedoch können 50 Prozent der ungenutzten Pulverrückstände recycelt werden (Klemp, 2017, S. 20). Zur Herstellung können eine Vielzahl von Metallen verwendet werden, zum Beispiel Titan, Stahl-, Nickel- und Leichtmetalllegierungen (Mücke, 2017).

Die hergestellten Bauteile müssen nach dem Druckprozess nachbearbeitet werden, um eine glatte Oberfläche herzustellen. Das Verfahren weist eine hohe mechanische Belastbarkeit und eine große Auswahl an Materialen auf. Das SLM verspricht Poren sowie rissfreie Strukturen und ermöglicht theoretisch eine 100 Prozent Dichte des Bauteils. Dies ist besonders beim Flugzeugbau notwendig und wird bereits von großen Herstellern vermehrt angewendet (Fastermann, 2016, S. 31).

2.1.3 Stereolithographie

Die Stereolithographie (SLA) gehört zu den ersten 3D-Druck-Verfahren und zu den am meist verbreiteten Technologien, da diese bereits im Jahr 1984 zum Patent angemeldet wurde. Bei dieser Technik wird ein lichtaushärtender Kunststoff mit Hilfe von einem Laser schichtweise ausgehärtet. In der Regel wird Kunst- oder Epoxidharz verwendet. Über die Schicht Harz fährt ein Laser, wodurch eine chemische Reaktion ausgelöst wird. Dies hat zur Folge, dass das Harz an dieser Stelle aushärtet. Wenn die erste Schicht aufgetragen ist, senkt sich die Bauplattform und eine neue Schichtformation wird auf die alte aufgetragen. Am Ende des Prozesses wird das fertige Bauteil aus dem Harzbad gezogen. Da das Bauteil zu diesem Zeitpunkt aber noch nicht vollständig ausgehärtet ist, muss eine Nachbehandlung erfolgen. In der Regel geschieht dies in einem Wärmeofen. Des Weiteren müssen Stützstrukturen, die dafür sorgen, dass das Bauteil nicht wegschwimmt auch im Anschluss entfernt werden (Klemp, 2017, 15 f.).

Bei dieser Technologie entstehen feine und glatte Oberflächen, aber die genutzten Materialien sind oft nur gering belastbar und in der Regel UV-lichtempfindlich. Des Weiteren tragen die hohen Materialkosten und die langsame Baugeschwindigkeit zu den hohen Kosten dieser Technologie bei (Fastermann, 2016, S. 38). Deshalb lässt sich dieses Verfahren nur beschränkt industriell nutzen (Zeyn, 2017, S. 55).

2.1.4 Multi-Jet und PolyJet

Wie bei der Stereolithographie, wird auch beim Multi-Jet mit lichtaushärtenden Materialien gearbeitet, weshalb dieses ebenfalls zu den Harz-Druck-Verfahren zählt. Diese Methode ist mit einem Tintenstrahldrucker vergleichbar. Der Druckkopf besteht aus tausenden kleinen Düsen, aus denen flüssiger Harz aufgetragen wird, welches polymerisiert und von UV-Strahlung verfestigt wird (Klemp, 2017, S. 18). Aufgrund der kleinen Düsen können sehr feine und detaillierte Bauteile produziert werden. Um Überhänge zu produzieren, sind Stützkonstruktionen

notwendig. Abhängig vom jeweiligen Hersteller werden verschiede Verfahren verwendet. Diese müssen nach der Produktion entfernt werden (Zeyn, 2017, 62 f.).

Das Unternehmen Hewlett-Packard (HP), das dieses Verfahren patentieren ließ, wirb damit, dass es zehnmal schneller und halb so teuer sei, wie das Lasersintern. Für den Hausgebrauch ist diese Technologie allerdings noch sehr teuer. Die Kompletteinheit kostet 270.000 Euro (Stauß, 2017).

Das PolyJet-Verfahren funktioniert grundsätzlich wie das Multi-Jet Verfahren, jedoch werden beim PolyJet-Verfahren mehrere Druckköpfe verwendet, was sich die Firma „Objekt“ patentieren ließ. Bei dieser Technologie ist ein Druckkopf für das Stützmaterial erforderlich, wobei die anderen Druckköpfe zum Bau benötigt werden. Bei diesem Verfahren besteht auch die Möglichkeit verschiedene Farben oder Materialeigenschaften miteinander zu verbinden. Durch die Verwendung mehrerer Druckköpfe können Materalien kombiniert und deren Eigenschaften wie z.B. Härte, Dehnung und Reißfestigkeit beeinflusst werden (Fastermann, 2016, S. 41).

2.1.5 Die Datenformate

Für additive Fertigungsverfahren ist eine vollständig digitale Prozesskette notwendig, um das ganze Potenzial nutzen zu können. Angefangen bei der Erstellung der Geometrie, über die Herstellung, bis hin zur Nachbearbeitung. Dazu sind Standardformate zum Datenaustausch notwendig (Klemp & Pottebaum, 2017, S. 323). Daten werden immer wichtiger und sind eine Art DNS und Treibstoff in der modernen Welt. Daten enthalten Informationen über den Aufbau von Bauteilen und deren Zusammensetzung und verfügen über einen gewissen Wert. Außerdem kann anhand von Daten ein 3D-Modell prinzipiell überall hergestellt werden (Hippmann, Klingner & Leis, 2018, S. 15).

Um überhaupt in 3D drucken zu können, muss das Modell in digitaler Form abgebildet sein. Es gibt zwei Möglichkeiten um ein 3D-Modell zu erstellen. Entweder wird die Konstruktion mit Hilfe eines 3D-Design-Programms gezeichnet oder es wird vom benötigten Bauteil ein 3D-Scan erstellt. Das bevorzugte Format zwischen der Schnittstelle von Modell und Drucker ist das „Standard Transformation Language (STL)-Format. Dieses Datenformat ist das älteste und am häufigsten genutzte Format für den 3D-Druck. Dieses Datenformat wandelt die 3D-Zeichnung in ein Netz aus Dreiecksflächen um. Je feiner das Netz ist, desto besser ist die Qualität beim Druck, jedoch steigt auch die Größe der Datei dadurch an. Es besteht aber eine Vielzahl von anderen Formaten. In der Industrie sind andere Formate als das STL-Format gängig, da diese gekrümmte Oberflächen besser abbilden können (Fastermann, 2016, S. 16).

Das Standarddateiformat STL besitzt einige Stärken und Schwächen. Die Beliebtheit des STL-Formats liegt in der Einfachheit der Benutzung und der kleinen Datenmenge, die leicht versendet werden kann. Die Schwachstellen dieses Formats sind die fehlenden Informationen über die innere Struktur, die Farben oder die Texturen. Um zum Beispiel in Farbe oder mit Texturen drucken zu können, wird eine gesonderte Datei benötigt (3fakturen, o. J.). Aufgrund dessen ist eine umfangreiche Nachbearbeitung der Datensätze notwendig. Daher ist es notwendig, dass ein verbessertes standardisiertes Datenformat implementiert wird. Die Einführung von offenen Datenformaten wie dem 3MF geht in die richtige Richtung (Kohlhuber, Kage & Karg, 2017, S. 47).

3MF ist ein gemeinsames Projekt von Microsoft und Industrie Partnern, dem sich alle namehaften Hard- und Software-Anbieter angeschlossen haben. Das Format basiert auf dem XML-Format und ist standardmäßig in Windows 10 enthalten, was zu einem verbesserten Datenaustausch führt. Dieses Format ermöglicht auch Farben, Attribute sowie Oberflächen-Qualitäten zu erstellen (Zeyn, 2017, S. 14).

2.2 Eigenschaften der additiven Fertigung

Im Folgenden Abschnitt werden die wichtigsten Eigenschaften von generativen Fertigungsverfahren sowie die Vor- und Nachteile näher betrachtet.

2.2.1 Baugeschwindigkeit

Hochgeschwindigkeitsfräsen können im allgemeinen schneller Material abtragen als 3D-Drucker, die das gleiche Volumen auftragen. Bei der additiven Fertigung kann man ein fertiges Bauteil an einer Maschine herstellen, wohingegen beim Fräsen durch ansteigende Komplexität bei der Geometrie eine umfangreiche Rüst- und Prozessplanung der Maschinen benötigt werden. Die Geschwindigkeit muss daher in Bezug auf die gesamte Prozesszeit und nicht nur auf den physikalischen Prozess betrachtet werden. Das Fräsen ist ein mehrstufiger Herstellungsprozess, da es bei der Herstellung vorkommen kann, dass die Position des Bauteils verändert oder mehr als eine Maschine verwendet werden muss. Außerdem können mehre Bauteile gleichzeitig mit einem 3D-Drucker produziert werden. Daraus kann man ableiten, dass bei bestimmten Bauteilen die additive Fertigung schneller ist als die herkömmliche Methode des Fräsens (Gibson, Rosen & Stucker, 2015, S. 11).

2.2.2 Komplexität der Geometrie und der Bauelemente

Die größten Vorteile der additiven Fertigung sind die Möglichkeit zur Herstellung von komplexen Geometrien und die Funktionsintegration. So können auch komplexe Geometrien oder bionische Strukturen entstehen, die mit konventionellen Technologien wie dem Fräsen, Drehen oder dem Gießen nur bedingt möglich oder zu kostenintensiv wären (Breuninger, Becker, Wolf, Rommel & Verl, 2013, 14 f.). Unter dem Begriff Funktionsintegration versteht man, mit möglichst wenigen Bauteilen, möglichst viele technische Funktionen abzudecken. So lassen sich bei der additiven Fertigung komplexe Bauelemente herstellen, da diese anders als bei der konventionellen Fertigung nicht aus einer Vielzahl von Einzelteilen zusammenmontiert werden. Es entsteht eine Baugruppe mit weniger Teilen, jedoch mit komplexerem Aufbau (Jahnke, 2017, S. 230). Des Weiteren lassen sich mit additiven Fertigungsverfahren zum Beispiel komplexe und mehrfach gewundene Kühlkanäle ins Bauteil integrieren. Durch diese Kanäle lassen sich Werkstücke effektiver kühlen und sorgen für eine Steigerung der Effektivität (Klemp & Pottebaum, 2017, S. 325).

3D-Drucker können außerdem benutzt werden, um bionische Designs besser umzusetzen. Bionik befasst sich mit der Implementierung biologischer Systeme in der Fertigung, um diese nach dem natürlichen Vorbild zu optimieren. Ein Beispiel wäre ein Knochen eines Vogels, welcher durch Hohlräume sehr leicht aber dennoch stabil ist. Diese Eigenschaften sollten für zukünftige Produktdesigns übernommen werden (Zeyn, 2017, S. 22). Mit herkömmlichen Fertigungsverfahren lassen sich solche Strukturen nur mit großem Aufwand herstellen. Mit der additiven Fertigung ist die Realisierung komplexer Strukturen viel leichter möglich. Anwendungsgebiete sind vor allem die Automobil- und Luftfahrtindustrie, da die diese besonders auf stabile und leichte Konstruktionen angewiesen sind (Moser, 2017, S. 4).

2.2.3 Werkzeuglose Fertigung

Ein weiterer großer Vorteil der additiven Vorgehensweise ist die Fertigung ohne Werkzeuge. Das bedeutet, dass keine auf dem Bauteil abgestimmten Werkzeuge benötigt werden, da das schichterzeugende Druckelement diese Aufgabe übernimmt. So können unterschiedliche Bauteile von einem einzelnen 3D-Drucker hergestellt werden, weshalb man in diesem Zusammenhang von einer prozessorientierten Werkzeugwahl spricht. Bei konventionellen Fertigungsverfahren wird dagegen für jedes einzelne Bauteil ein optimal abgestimmtes und extra angefertigtes Werkzeug benötigt. Außerdem müssen bei verschiedenen Fertigungsprozessen die Werkzeuge mehrmals gewechselt werden. In diesem Fall spricht man von einer produktorientierten Werkzeugwahl (Gebhardt, 2016, S. 330). Darüber hinaus können auf Grund der werkzeuglosen Herstellung, mehrere unterschiedliche Bauteile gleichzeitig auf einer Maschine gefertigt werden, was zu einer höheren Auslastung der Maschinen sorgt (Simone Käfer, 2018).

Durch den Wegfall von Werkzeugen und die direkte Fertigung von Endteilen, verkürzt die additive Fertigung die Gesamtdurchlaufzeit und verbessert damit die Reaktionsfähigkeit am Markt. Außerdem wird der Materialverbrauch reduziert, da 3D-Drucker in der Regel nur das Material verwenden, das für die Herstellung erforderlich ist (Giffi, Gangula & Illinda, 2014).

Doch nicht bei jedem Anwendungsfall ist eine werkzeuglose Fertigung gegeben. Bei einigen additiven Fertigungsverfahren ist eine Nachbearbeitung notwendig. So müssen Stützstrukturen erst entfernt oder die Oberfläche nachbearbeitet werden (Jahnke, 2017, S. 228).

2.2.4 Individualisierung

Besonders die Individualisierung ist ein großer Vorteil der additiven Fertigung, da Produkte oder Bauteile, wie zum Beispiel Prothesen, individuell hergestellt werden können. Der nächste Schritt ist die Produktindividualisierung mit der Massenproduktion, welche auch als „Mass Customization“ bezeichnet wird, zu verbinden (Breuninger et al., 2013, 14 ff.). Außerdem zeigen Studien, dass Kunden bereit sind mehr Geld für individualisierte Produkte auszugeben als für Standartprodukte (Lachmayer, Lippert & Fahlbusch, 2016, S. 75).

Im Hinblick auf die Stückzahl pro Minute ist der Spritzguss die schnellere Herstellungsmethode. Im Gegensatz dazu benötigt die additive Fertigung jedoch keine Vorbereitungszeit wie zum Beispiel die Herstellung von Gussformen, weshalb als Vorteile des 3D-Druckers die individuelle Fertigung von kleinen Stückzahlen benannt werden kann. Werkzeuggebundene Fertigungsverfahren wie der Spritzguss, sind dagegen für große Stückzahlen geeignet (Simone Käfer, 2018).

Abbildung 1 zeigt einen Kostenvergleich von Additiv Manufacturing (AM) und konventioneller Fertigung. Laut einer Studie der „Leichtbau BW“ kann die additive Produktion bis zu einer Grenzstückzahl von bis zu 10.000 Stück oder höher kostengünstiger sein als eine konventionelle Fertigung (Seelinger, 2015, S. 9). Allerdings zeigt Abbildung 1 auch, dass die Fixkosten bei beiden Verfahren gleich sind. Die Kosten bei der additiven Fertigung sind linear, dagegen sind die Kosten bei der konventionellen Fertigung exponentiell steigend. Ab dem Grenzpunkt, an dem sich die Gesamtkosten der additiven Fertigung und die Gesamtkosten der konventionellen Fertigung treffen, ist es kostengünstiger konventionelle Verfahren anzuwenden.

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Kostenvergleich Additive Manufacturing (AM) zur konventionellen Fertigung (Seelinger, 2015, S. 9)

2.2.5 Umweltfreundlichkeit

Durch den Einsatz von 3D-Druckern können negative Umweltauswirkungen, die bei der Produktion, dem Transport und der Nutzung entstehen, reduziert werden. So verursacht der additive Fertigungsprozess nur einen geringen Anteil an Abfall, da nur das tatsächlich benötigte Material verarbeitet wird. Durch den komplexen Aufbau von Strukturen und dem dadurch erzielten Leichtbau, werden Emissionen im Lebenszyklus eingespart. Das betrifft besonders die Automobilindustrie und die Luftfahrt. Der größte Vorteil der additiven Fertigung in Bezug auf die Umwelt ist das Potenzial für eine dezentrale Produktion. Durch die mögliche Dezentralisierung werden Transport- und Logistikaufwendungen minimiert (Petschow et al., 2014, S. 27). Schätzungsweiße 80 Prozent des von Unternehmen verursachten Kohlendioxidausstoßes wird von globalen Zulieferernetzwerken produziert. Die Massenproduktion ist auf globale Lieferketten angewiesen. Fabriken müssen mit Rohstoffen aus der ganzen Welt versorgt werden, danach erfolgt der Transport zur Montage und als letzter Schritt der Transport zum Kunden. Der Transport wird durch ein Netzwerk von Lastwagen, Flugzeugen und Schiffen, die alle zur Umweltverschmutzung beitragen, durchgeführt. (Lipson, Kurman & Lambrich, 2014, S. 217).

Kürzere und klimafreundlichere Lieferketten, verbunden mit der dezentralen Fertigung und dem Datentransfer statt Güterverkehr, sind Faktoren, die zur Entlastung der Umwelt beitragen können (Jodlbauer, 2018, S. 115).

Auch negative umweltbezogene Auswirkungen kann die additive Fertigung bewirken. So könnte das veränderte Konsumverhalten, das durch die additive Fertigung verursacht wird, zur Umweltbelastung beitragen. Laut einem Szenario der Deutschen Post könnte sich das Konsumverhalten im Jahr 2050 durch den 3D-Druck verändern. Die Lebenserwartung von Produkten könnte dadurch massiv zurückgehen. Die Folgen wären ein steigender Energie- und Ressourcenverbrauch sowie größer werdende Abfallmengen (Müller, 2012, S. 71).

2.2.6 Wirtschaftliche Vorteile

Additive Fertigung bietet aus Sicht von Unternehmen viele Vorteile. So können zum Beispiel Ersatzteile bei Bedarf dezentral produziert werden, womit Kosten für die Lagerhaltung und den Transport eingespart werden (Zeyn, 2017, S. 117). Dazu gehören Kostensenkungen und die verbesserte Fähigkeit, Produkte näher am Kunden herstellen zu können. Dadurch reduziert sich die Komplexität der Lieferkette und Märkte können besser bedient werden, ohne dass ein umfangreicher Kapitaleinsatz erforderlich ist (Giffi et al., 2014).

Des Weiteren sorgen additive Fertigungsverfahren in der Produktentwicklung und in der Kleinserie für eine Verkürzung der Entwicklungszeit. Dadurch kann das Produkt schneller am Markt eingeführt werden, da für diese Arbeitsaufträge keine speziellen Werkzeuge oder Formen hergestellt werden müssen. Dies sorgt außerdem für eine Reduzierung der eignen Kosten und ist somit ein wesentlicher Wettbewerbsvorteil (Sommer, Schlenker & Lange-Schönbeck, 2016, S. 59).

Aus einem Projekt zur Untersuchung von Prozessketten in der Fertigung, das vom Fraunhofer Institut in Zusammenarbeit mit BMW erstellt worden ist, geht hervor, dass die Prozesskette bei der additiven Fertigung in den Bereichen Material, Personal und Energie kostengünstiger ist, als bei der konventionellen Fertigung. Jedoch sorgen die hohen Anschaffungskosten von industriellen Druckern dafür, dass die Prozesskosten pro Stück deutlich höher sind als bei der konventionellen Produktion. Somit fielen bei der additiven Fertigung 96 Prozent der Kosten für die Maschine, zwei Prozent für Personal und jeweils 1 Prozent für Energie und Material an (Neugebauer, Putz & Klocke, 2017, S. 27).

Grundsätzlich kann man die Vorteile der additiven Produktion in drei Bereiche zusammenfassen. Die funktionale Produktverbesserung beschreibt eine Optimierung der Konstruktion, wie zum Beispiel dem Leichtbau in der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt. Der ef-

fektivere Fertigungsprozess beschreibt, dass durch die additive Fertigung geringere Herstellungszeiten oder ein reduzierter Logistikaufwand bei kleinen Losgrößen entstehen kann. Eine höhere Wirtschaftlichkeit über die Lebensdauer zeichnet sich dadurch aus, dass verbesserte Bauteileigenschaften Auswirkungen auf die geringeren Gesamtkosten über die Lebensdauer haben (Zeyn, 2017, S. 114).

2.2.7 Grenzen der additiven Technologie

Aus wirtschaftlicher Sicht lässt sich sagen, dass additive Fertigungsverfahren nicht immer Vorteile mit sich bringen. So können generative Fertigungsprozesse unter Umständen mehre Stunden dauern, was bei einer Massenfertigung negative Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit haben kann. So dauert die Fertigungszeit beim Laserschmelzen deutlich länger als bei zerspannenden oder umformenden Fertigungsverfahren. Bauteile mit einer Kantenlänge von 300 mm können bis zu 20h dauern und sind deshalb nur für die Produktion von Einzelstücken geeignet (Mücke, 2017). Außerdem ist die Integration in bestehende Fertigungsprozesse kosten- und zeitintensiv. Des Weiteren müssen Rechtsfragen, wie der Urheberrechtsschutz, Patente und die Haftungsfrage bei fehlerhaften Produkten geprüft werden (Industrieanzeiger, 2018, S. 41).

Die einzelnen Fertigungsverfahren haben ihre Stärken und Schwächen hinsichtlich der Belastbarkeit, der Oberflächenrauheit, des Detaillierungsgrads und ihrer Einsatzmöglichkeiten. Es gibt keine passende 3D-Technologie, die für alle Anwendungen geeignet ist (Sommer et al., 2016, 54 f.). Außerdem sind hohe Kosten mit der additiven Fertigung verbunden, wie z.B. teure

Maschinenkosten oder hohe Rohmaterialkosten. Darüber hinaus fallen Kosten für eine erforderliche Nachbearbeitung an, wie z.B. die Entfernung von Stützkonstruktionen (Jodlbauer, 2018, S. 114).

2.3 Ausgewählte Fertigungsbereiche

Einige Branchen werden weder heute, noch in Zukunft von der 3D-Drucktechnologie betroffen sein. Produkte aus natürlichen Materialien wie zum Beispiel Leder, Massivholz, Kork und Tabakerzeugnisse sind als Druckrohstoffe weitgehend ungeeignet. Die positiven Eigenschaften von additiven Fertigungsverfahren werden in vielen Branchen bereits genutzt und es wird weiter an diesen geforscht (Laplume, Petersen & Pearce, 2016, 9 f.).

Die Entwicklungsfortschritte in der industriellen Anwendung von additiven Fertigungsverfahren sind deutlich. So haben sich die Baugeschwindigkeit, die Zuverlässigkeit, die Genauigkeit, die Fertigungsqualität und die Anschaffungskosten des 3D-Drucks erheblich verbessert. Außerdem lassen sich durch die Verwendung von unterschiedlichen Materialien und durch die Gewichtsreduzierung neue Einsatzmöglichkeiten erschließen. (Lachmayer et al., 2016, S. 1).

Laut einer Studie von McKinsey könnte die gesamtwirtschaftliche Auswirkung der additiven Fertigung bis zum Jahr 2025 rund 100 bis 250 Milliarden US-Doller betragen. Das meiste Potenzial bieten Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Automobil, Medizin und Konsumgüter (Bromberg & Kelly, 2017). Im Folgendem Abschnitt werden einige Industriebereiche genauer betrachtet.

2.3.1 Automobilindustrie

In der Automobilindustrie ist die generative Fertigung unverzichtbar, vor allem um Auto-Prototypen herzustellen. Was früher mühselig aus Ton geformt werden musste, übernehmen heutzutage 3D-Drucker, wodurch Herstellungszeiten für Prototypen deutlich verkürzt werden (Fastermann, 2012, S. 96). Mit additiver Fertigung können Automobilhersteller die Entwicklungsphase des Produktlebenszyklus deutlich verkürzen und stattdessen die Wachstums- und Reifephase ausdehnen (Giffi et al., 2014).

So wird die BMW Group Anfang 2019 einen eigenen Campus für die additive Fertigung eröffnen. Aufgabe dieses Campus wird es sein, Teile für die Prototypen- und Serienfertigung herzustellen und auch individualisierte Fahrzeugteile zu produzieren. Schon heute werden beim BMW i8 Roadster die Halterung der Verdeckabdeckung mit einem 3D-Drucker aus Aluminium.

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Ende der Leseprobe aus 60 Seiten

Details

Titel
Additive Fertigung in der Logistikbranche und die dadurch möglichen Veränderungen in der Wertschöpfungskette
Hochschule
Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt; Schweinfurt
Note
1.7
Autor
Jahr
2018
Seiten
60
Katalognummer
V449804
ISBN (eBook)
9783668835702
ISBN (Buch)
9783668835719
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Logistik, industrie 4.0, Wertschöfung, 3d, 3D-Druck, additive Fertigung, 4.0
Arbeit zitieren
Edgar Gaspar (Autor), 2018, Additive Fertigung in der Logistikbranche und die dadurch möglichen Veränderungen in der Wertschöpfungskette, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/449804

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