Additive Fertigungsverfahren. Arten und Bewertung der Einsatzmöglichkeiten von 3D-Drucksystemen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Arten additiver Fertigungsverfahren
2.1 Rapid Prototyping
2.2 Rapid Tooling
2.3 Rapid Manufacturing
2.4 Einsatzbranchen

3. Bewertung additiver Fertigungsverfahren
3.1 Bewertung nach der Wirtschaftlichkeit
3.2 Bewertung nach dem Umweltstandard
3.3 Bewertung nach gesetzlicher Regelung
3.4 Zusammenfassende Bewertung additiver Fertigungsverfahren

4. Fazit und Ausblick

Quellenverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abbildung 1: Rapid-Prozessketten

Abbildung 2: Lösungsansatz für das Kosten-Nutzen-Modell der additiven Fertigung

Abbildung 3: Impact Assessment, Direkte Umweltauswirkungen, 3D-Druckverfahren

Abbildung 4: Strukturierung potenzieller Mehrwerte durch die additive Fertigung

Abbildung 5: Verbesserte Produktindividualisierung durch additive Fertigung im Detail

Abkürzungsverzeichnis

AM Additive Manufacturing

AVV Abfallverzeichnis-Verordnung

BImSchG Bundesimmissionsschutzgesetz

BImSchV Bundesimmissionsschutzverordnung

CAD Computer Aided Design

RM Rapid Manufacturing

RP Rapid Prototyping

RT Rapid Tooling

1. Einleitung

Generative Fertigungsverfahren ist der Oberbegriff für verschiedene additive Fertigungen mit allen Variationen von 3D-Drucksystemen. Die additive Fertigung mit Kunststoffen, Metallen und Keramik sind vor allem in der Industrie mittlerweile unentbehrlich.¹ Die additive Fertigung verzeichnet seit ihrer Entwicklung starke Wachstumsraten. Laut Statista lag der Umsatz für Dienstleistungen sowie Ausgangsmaterialien im Jahr 2008 bei 0,9 Milliarden Euro.² 2018 stieg der Umsatz auf 8,18 Milliarden Euro an.³ In der Vergangenheit kam sie vorrangig im Prototypenbau zum Einsatz. Aktuell sind vermehrt Unternehmen bestrebt, die additive Fertigung auch in der Serienfertigung als vollwertigen Ersatz für konventionelle Fertigungsverfahren einzusetzen. Laut der Beratungsgesellschaft Ernst & Young nutzten 2016 schon um die 40 % aller befragten von deutschen Unternehmen den 3D-Druck.⁴

Durch den Einsatz der additiven Fertigung ergeben sich diverse Vorteile, auf die im Folgenden näher eingegangen wird. Individualisierung in Zusammensetzung mit dem Kundenwunsch nach immer kürzeren Lieferzeiten führt zu wachsender Komplexität und Dynamik auf der Produktionsebene.⁵ “Additive Fertigungsverfahren schaffen die gewünschte Geometrie durch Aneinanderfügen von Volumenelementen. Man nennt sie Schichtbauverfahren, wenn die Geometrie aus einzelnen Schichten zusammengesetzt wird”.⁶ Additive Manufacturing (AM) ist das Gegenstück zur englischen Übersetzung Generative Fertigungsverfahren. In Deutschland und in den USA sind beide Bezeichnungen genormt.⁷

Die vorliegende Hausarbeit zum Thema Bewertung der Einsatzmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren stellt die wichtigsten theoretischen Grundlagen dar. Es werden die Prozesse und Einsatzbranchen additiver Fertigung behandelt, um im Anschluss das Verständnis der Bewertung zu vereinfachen. Auf Basis dessen, werden die Einsatzmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren nach der Wirtschaftlichkeit, den Umweltstandards und nach gesetzlichen Regelungen bewertet. Ziel der wissenschaftlichen Arbeit ist es anhand theoretischer Belege, eine objektive und sachliche Bewertung der Einsatzmöglichkeiten durchführen zu können. Weitgehend soll verdeutlich werden, welche Faktoren über die Herstellungskosten hinaus, zur Bewertung additiver Fertigungsverfahren benötigt werden.

2. Arten additiver Fertigungsverfahren

Im Folgenden werden Rapid- Technologien und ihre Prozesse genauer beschrieben, damit eine abschließende Bewertung verständlicher gestaltet werden kann. Rahmenbedingungen sind die steigende Qualitätsanforderungen bei wachsender Teilekomplexität und sinkender Losgrößen bei zunehmender Teilevielfalt.⁸

2.1 Rapid Prototyping

Beim Rapid Prototyping (RP) handelt sich um ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von Modellen und Prototypen.⁹ RP- Prozesse bewerkstelligen die Verwirklichung von Geometriedaten in körperliche Modelle.¹⁰ Hierbei wird in zwei Modelltypen unterschieden. Handelt es sich im Wesentlichen um eine 3D- Visualisierung nennt man es analog Solid Imaging. Sollen frühzeitig einzelne Funktionen aufgewiesen und Produkteigenschaften abgesichert sein, spricht man von Functional Prototyping. Diese beiden Modellarten sind daher zur bestimmungsgemäßen Verwendung des Endproduktes nicht geeignet. Es handelt sich lediglich um Modelle.¹¹ RP-Prozesse weisen dafür bereits in einem anfänglichen Produktentwicklungsstadium eine hohe Produktqualität und Zeiteinsparung auf. Die Zeiteinsparung wird durch vollständig ausgearbeitete Daten in der Produktionsplanung realisiert. Hierbei erfolgen Entwurfs-, Konstruktions- und Produktionsplanungs-Phase früher, sodass gegenständliche Produktionsmodelle schneller zur Verfügung stehen. Folgende Schritte gliedern alle angegebenen RP- Prozessketten:

1. Import des digitalen 3D-Modells
2. Teil Verarbeitung für den Bauprozess
3. Anfertigung
4. Nachbearbeitung¹²

Abbildung 1. veranschaulicht den integrierten Datenfluss in der Prozesskette mit leistungsfähigen Datenschnittstellen.¹³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Rapid-Prozessketten (In Anlehnung an Berger(2013), S. 23.)

Eine zuvor am Computer erstellte dreidimensionale CAD- Zeichnung, ist die Grundlage für den Beginn eines 3D- Drucks. Das digitale 3D-Modell wird von einem Oberflächenscanner hergerührt. In der Teilverarbeitung für den Bauprozess werden virtuelle Bauplattformen definiert. Importierte Objekte müssen auf der virtuellen Plattform platziert, orientiert und bestmöglich geordnet werden. Da dieser Vorgang strahlgeführt arbeitet, sollten die Bauplattformen möglichst mittig platziert und auf Baugenauigkeiten geachtet werden. Laser- oder Elektrostrahlen dieses Verfahrens können bei Abweichung der Baugenauigkeit zu Ungenauigkeiten des Modells führen¹⁴. Das gewünschte Modell wird wie bei einem Tintendrucker in dünnen Schichten aus verschiedenen formlosen Materialien aufgetragen. Ultraviolette Strahlen härten das ausgegebene Material kurz nach dem Druck aus.¹⁵ Wie zuvor beschrieben, wird das formlose Material schichtweise aufgetragen und horizontal in definierter Schichtdicke zerschnitten. Damit können die geometrischen Daten der einzelnen Schichten im Programmiersystem zugeordnet werden. Nun beginnt die Anfertigung. Es wird Schicht für Schicht aufgetragen und verfestigt, bis das Modell fertig ist. Es können im Inneren des Modells auch bewusst Hohlräume entstehen, wobei im Vorfeld zu prüfen ist, ob das benötigte Stützmaterial entfernt werden kann. Beim letzten Schritt der Nachbearbeitung wird zwischen einstufigen und mehrstufigen Bauprozessen unterschieden. Beim einstufigen RP-Prozess werden die erstellten Teile direkt nach dem Bauvorgang nachbearbeitet. Hierbei wird jedes Bauteil von der Bauplattform gelöst und gereinigt, damit im Anschluss erforderlichenfalls nachgeschliffen, gestrahlt, poliert oder weiter beschichtet werden kann. Beim mehrstufigen RP-Prozess werden die Teile über einen längeren Zeitraum erhitzt oder infiltriert, um die erforderlichen Materialeigenschaften zu steuern. Bei beiden Verfahren schließt sich die Entsorgung des verbleibenden Baumaterials an.¹⁶ Da andere Methoden wie das Simultaneous Engineering einen progressiven Kostenanteil in der Produktentwicklungsphase vorweisen, ist der RP- Einsatz zu einem strategischen Instrument für Produktionsunternehmen geworden.¹⁷

2.2 Rapid Tooling

Rapid Tooling (RT) umfasst die Fertigung von Kernen, Kavitäten, Werkzeugeinsätzen, Matrizen oder Formen durch die Technologie der Additiven Fertigung. Rapid Tooling wird unterteilt in Direct Tooling und Prototype Tooling. Beim Direct Tooling werden Werkzeugeinsätze oder Schieberelemente gefertigt. Anstelle von der Herstellungszeit mehrerer Monate, wie bei konventionellen Fertigungsmethoden, gelingt es beim Rapid Tooling, die Herstellungszeit auf wenige Wochen oder sogar Tage zu reduzieren. Die Prozesskette des Rapid Tooling stimmt mit der Prozesskette des Rapid Prototyping überein. Explizit ist Rapid Tooling jedoch darauf ausgerichtet eine schnelle und direkte Bereitstellung von Werkzeugen und Formen zu ermöglichen. Hierdurch können Teile in Serienmaterialien und mit Serieneigenschaften erstellt werden. Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung von Werkzeugen, ermöglicht Rapid Tooling eine Kosteneinsparung durch verkürzte Prozesse und eine Qualitätsverbesserung am Spritzgießteil.¹⁸ Diese Vorteile werden durch die Methode des Conformal Cooling erzeugt. Bei der Methode werden konturangepasste Kühlkanäle unter der Oberfläche der Bauteile konstruiert. Diese Kühlkanäle ermöglichen werkzeuginterne Hohlstrukturen und beschleunigen den Fertigungsprozess der Bauteile durch die zusätzliche Kühlung. Prototype Tooling wird dann angewendet, wenn nur wenige Werkzeuge benötigt werden oder regelmäßige Veränderungen an den Teilen vorgenommen werden. Hierdurch lässt sich eine Zeit- und Kosteneinsparung ermöglichen.¹⁹

2.3 Rapid Manufacturing

Während Beim Rapid Prototyping Prototypen erstellt und beim Rapid Tooling Vor-und Kleinserienprodukte hergestellt werden, geht es beim Rapid Manufactoring (RM) um die direkte Herstellung von Endprodukten.²⁰ Im Gegensatz zum herkömmlich gefertigten Produkt, soll das RM seinen Vorteil bei geringeren Herstellungskosten, höherer Qualität, besseren ergonomischen Eigenschaften und gesteigerter Umweltfreundlichkeit schaffen. Die Prozesskette ist identisch zum Rapid Prototyping.²¹ Es werden die gleichen Technologien und Maschinen verwendet.²² Industriell wurde das RM durch einen Produktionsverbund von generativen und nicht-generativen Fertigungen bereits integriert. Es werden Bauteile angefertigt, die im weiteren Verlauf der Fertigungskette bearbeitet, veredelt und mit Anderen zum Endprodukt hinzugefügt werden. Bei der Fertigung von einer Titanstruktur für die Luftfahrt, kommt beispielsweise ein kombinierter Prozess zum Einsatz. Bei dem genannten Endprodukt beginnt der Vorgang mit der Struktur, die auf einer gefrästen Platte generativ gestaltet, wärmebehandelt und auf Maß gefräst wird. Am Ende wird das unfertige Produkt von der Grundplatte spanend getrennt und vermessen. Der Vorgang beinhaltet additive Funktionen, sowie spanende Nacharbeit.²³

2.4 Einsatzbranchen

Laut einer Statistik aus dem Jahr 2016, wurden 900 Unternehmen aus insgesamt 12 Ländern nach den Anwendungen von 3D-Druck befragt. Die Umfrage ergab, dass 29% der befragten den 3D- Druck bereits in der Automobil- und Luftfahrtbranche anwenden und 28% der Befragten in der Medizin.²⁴

In der Automobilbranche stellte zum Beispiel die Firma Local Motors im Jahr 2016 ein Auto vor, dass alle Teile außer Batterie, Motor und Radaufhängung, mit dem 3D-Drucker aus Kunststoff gefertigt wurden. Mit diesem Auto ist eine Spitzengeschwindigkeit von 50 km/h zu erreichen. Der Plan des Herstellers ist es, 100 Micro Fabriken überall auf der Welt zu errichten, in der das innovative Auto hergestellt wird.²⁵ Seit 1991 werden in der BMW Group additive Fertigungsverfahren im Konzeptfahrzeugbau etabliert.²⁶ Auch Volkswagen erstellt Montagehilfsmittel, Motorhauben-Entriegelungen, Werkzeugteile und Sonderanfertigungen für Kunden, mittels additiver Fertigung.²⁷ Viele produzierende Unternehmen in der Automobilindustrie betrachten die additive Fertigung als unrentabel, weil die Herstellkosten nicht mit denen aus den konventionellen Fertigungsverfahren, wie z.B. dem Spritzgießen, Drehen oder Fräsen konkurrieren können.²⁸ In der Luftfahrt wird durch Leichtbauteile aus dem 3D-Drucker das Gewicht von Flugzeugen reduziert, sodass eine Kosteneinsparung ermöglicht wird. Easyjet wird für ihre Airline die Treibstoffdüsen, Turbinenschaufeln und Bauteile ihrer Triebwerke additiv fertigen lassen.²⁹ Im Airbus A35 XWB wurden beispielsweise 1000 additiv gefertigte Teile montiert.³⁰ Weil die Luftfahrtindustrie einem hohen Kostendruck und höchsten Anforderungen an die Belastbarkeit der verbauten Teile unterliegt, wird die Anzahl additiv gefertigter Komponenten in diesem Industriesektor vermutlich steigen.³¹ 2015 wurde in der Textilbranche ein Verfahren namens Field Guided Fabrication vorgestellt. Anstatt der Anprobe im Laden oder einer Kürzung durch Änderungsschneidereien, erstellt der Kunde mit diesem Verfahren einen 3D-Scan seiner exakten Körpermaße und bestellt sein Kleidungsstück in der optimalen Größe. Falls in Zukunft die Kosten für die Herstellung in der additiven Fertigung mit den Kosten der Produktion in Billiglohnländern vergleichbar sind, könnte die Auslagerung der Produktion in Billiglohnländer reduziert werden. Somit könnte das Problem der schlechten Arbeitsbedingungen in der Textilbranche angegangen werden. In diesen Fabriken wird oft unter gesundheitsgefährdenden Arbeitsbedingungen produziert, damit der Endverbraucher zu marktüblichen Preisen von weniger als einem Euro Kleidungsstücke einkaufen kann.³² Die additive Fertigung kann der Weg aus dieser Krise sein und dem Verbraucher zeitgleich die Realisierung eigener Designs zu geringen Kosten gestatten.³³

In der Medizin wird der Bioprinting Industrie eine große Zukunft vorausgesagt. Mit der Herstellung von Organen wurden im Jahr 2014 bereits 537 Millionen US-Dollar generiert. Der 3D-Druck in der Medizin hat nicht nur einen praktischen Vorteil, sondern kann auch lebensrettend sein.³⁴

In der Raumfahrt ist es erstmals möglich, Ersatzteile während laufender Mission additiv herzustellen und nicht von einer, meist unmöglichen Ersatzteillieferung, abhängig zu sein.³⁵ Auch die Fh-Dortmund fertigt sogenannte Face Shields, also Schutzhauben, für die Ruhrlandklinik an. In Pandemie-Zeiten können durch additive Fertigung schnell hohe Stückzahlen ressourcenschonend produziert werden.³⁶ Laut einer Prognose von Statista wächst der Umsatz aus 2015 der Luft und Raumfahrt von 0,43 Milliarden Euro bis 2030 auf 9,59 Milliarden Euro. Der Umsatz aus dem Jahr 2015 lag in der Medizintechnik bei 0,26 Milliarden Euro und wird für das Jahr 2030 5,59 auf Milliarden Euro. Im Automobilsektor lag der Umsatz 2015 bei 0,34 Milliarden Euro und wird vermutlich im Jahr 2030 auf 2,61 Milliarden Euro ansteigen. Da in diesen Branchen additive Fertigung genutzt wird und der Umsatz in diesen Branchen voraussichtlich stark steigen wird, ist zu erwarten, dass der Einsatz der additiven Fertigung weiter steigen wird.³⁷

3. Bewertung additiver Fertigungsverfahren

In diesem Kapitel geht es um die ausführliche Bewertung additiver Fertigungsverfahren. Es wird die theoretische Entwicklung im Verlauf der letzten Jahre, sowie Umweltstandards und gesetzliche Normen beschrieben, damit das Verständnis einer zusammenfassenden Bewertung zustande kommt.

3.1 Bewertung nach der Wirtschaftlichkeit

Seit ihrer Entwicklung in den 1980er Jahren, verzeichnet die Additive Fertigung zwar starke Wachstumsrate, kam allerdings nur im Prototypenbau zum Einsatz. Unternehmen sind aktuell vermehrt bestrebt die additive Fertigung auch in der Serienfertigung als vollwertigen Ersatz für konventionelle Fertigungsverfahren einzusetzen.³⁸ Additive Fertigungsverfahren ermöglichen eine einzigartige Designfreiheit. „Auch die Flexibilität, die Möglichkeit der Funktionsintegration, die Individualisierungsmöglichkeit sowie beschleunigte Innovationszeiten machen die AM zu einer Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0."³⁹ Im Zusammenhang von Industrie 4.0. gehört der 3D-Druck zu den größten Entwicklungen.⁴⁰ Wegen der fehlenden darauf ausgelegten Geschäftsmodelle, wird in vielen Unternehmen noch getestet und integriert. Aktuell ist das Potenzial aber deutlich erkennbar und wird sowohl von Industrie, als auch Forschung intensiv vorangetrieben.⁴¹ Während der geschätzte Umsatz der 3D-Druckindustrie im Jahr 2014 weltweit bei 3,3 Milliarden Euro lag und 2016 auf 4,9 Milliarden Euro anstieg, wird für das Jahr 2020 ein globaler Umsatz von 22,4 Milliarden US-Dollar erwartet.⁴² Während die Produktionskosten additiver Metallfertigung im Jahr 2013 noch bei 3,1 Euro pro Kubikzentimeter lagen und 2018 bei 1,6 Euro pro Kubikzentimeter, werden für 2023 1,1 Euro pro Kubikzentimeter prognostiziert.⁴³ Additive Fertigungsverfahren zeigen ihr Potenzial bereits bei der Herstellung von Werkzeugen in Serienproduktion. Beispielsweise konnte der Automobilhersteller Volvo die Zeitspanne für die Herstellung von Werkzeugen von 36 Tage auf 2 Tage verkürzen. Werkzeuge werden nur in kleinen Stückzahlen benötigt und müssen besondere Anforderungen erfüllen. Der Kostenvorteil für die Fertigung von Werkzeugen aus Metall beläuft sich mit herkömmlichen Mitteln auf 100 Euro pro Kubikzentimeter. Im 3D- Druck kann durch Thermoplastik das gleiche Werkzeug, wie oben beschrieben, deutlich günstiger hergestellt werden. Diesen Vorteil nutzt der Automobilhersteller und hat bereits 30 verschiedene Werkzeuge mit einem 3D-Drucker hergestellt.⁴⁴ Durch generative Fertigungsverfahren werden neue Geschäftsmodelle ermöglicht. Kunden können Produkte mit den gegebenen Werkstoffen, der Prozesstechnologie und der Funktionalität, selbst entwerfen. So können Produkte mit individuellen Eigenschaften entwickelt werden und Marktnischen erschaffen werden.⁴⁵ Ein Re-Design eines Produktes kann ebenfalls ein Vorteil der additiven Fertigung sein. So kann die Herstellung einer Standardschraube mittels additiver Fertigung nie erschwinglicher sein, als mit herkömmlichen Fertigungsverfahren. Durch die hohe Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung, kann ein neues Produkt oder auch ein neues Geschäftsmodell entstehen, um die Schraube zu verbessern. Es können z.B. innere Hohlräume gedruckt werden, die das Gewicht bei gleicher Steifigkeit verringern oder Kanäle für weitere Merkmale wie eine innovative Schraubensicherung, eine Sensorintegration oder einen nicht kopierbaren Plagiatsschutz bereitstellen. Die hieraus erhöhten Herstellkosten würden durch die verbesserten mechanischen Eigenschaften und zusätzlichen Funktionen gerechtfertigt.⁴⁶ Wenn generative Fertigungsverfahren mit herkömmlichen Fertigungsprozessen verbunden werden, können daraus neue Prozessketten entwickelt werden. Diese bringen nicht nur technologische Vorteile, sondern auch betriebswirtschaftliche Vorteile wie geringere Bestände und Durchlaufzeiten mit sich.⁴⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 veranschaulicht das Kosten-Nutzen Modell, welches auf einem dreiteiligen Lösungsansatz beruht.

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¹ Vgl. Krause (2019)

² Vgl. Statista (2013)

³ Vgl. Krämer (2018)

⁴ Vgl. Krause (2019)

⁵ Vgl. FIR-Forschungsprojekte (2018), S. 10.

⁶ Gebhardt (2013), S. 1.

⁷ Vgl. Gebhardt (2013), S. 3.

⁸ Vgl. Berger (2013), S. 23.

⁹ Vgl. Gebhardt (2013), S. 7.

¹⁰ Vgl. Geuer (1996), S. 43.

¹¹ Vgl. Gebhardt (2013), S. 7.

¹² Vgl. Berger (2013), S. 27.

¹³ Vgl. Berger (2013), S. 23.

¹⁴ Vgl. Berger (2013), S. 28.

¹⁵ Vgl. Flastermann (2012), S.13.

¹⁶ Vgl. Berger (2013), S. 29.

¹⁷ Vgl. Berger (2013), S. 27.

¹⁸ Vgl. Berger (2013) S. 30.

¹⁹ Vgl. Gebhardt (2014)

²⁰ Vgl. Berger (2013), S. 37.

²¹ Vgl. Berger (2013), S.35.

²² Vgl. Gebhardt (2014), S.10.

²³ Vgl. Gebhardt (2014), S. 453.

²⁴ Vgl. Statista (2016)

²⁵ Vgl. Leupold (2016), S. 1.

²⁶ Vgl. Leupold (2016), S. 2.

²⁷ Vgl. Leupold (2016), S. 3.

²⁸ Vgl. FIR-Forschungsprojekte (2018), S.24.

²⁹ Vgl. Leupold (2016), S. 5.

³⁰ Vgl. FIR-Forschungsprojekte (2018), S.24.

³¹ Vgl. Leupold (2016), S. 9.

³² Vgl. Leupold (2016), S. 7.

³³ Vgl. Leupold (2016), S. 8.

³⁴ Vgl. Leupold (2016), S. 9.

³⁵ Vgl. Leupold (2016), S. 6.

³⁶ Vgl. Maurer (2020)

³⁷ Vgl. Statista (2020)

³⁸ Vgl. FIR-Forschungsprojekte (2018)

³⁹ S. FIR-Forschungsprojekte (2018)

⁴⁰ Vgl. Statista (2018)

⁴¹ Vgl. Vogeel-Heuser (2017), S. 330.

⁴² Vgl. Statista (2016)

⁴³ Vgl. Statista (2014)

⁴⁴ Vgl. Leupold (2016), S. 51.

⁴⁵ Vgl. Klocke (2015), S. 162.

⁴⁶ Vgl. FIR-Forschungsprojekte (2018), S.24.

⁴⁷ Vgl. Klocke (2015), S. 166.