3D Druck mit Einfluss auf andere Fertigungsverfahren

Mit diesem Artikel geben wir einen Einblick in die additive Fertigung. Wir betrachten den industriellen 3D-Druck und welchen Einfluss dieser auf bestehende Fertigungsverfahren hat. Die Frage, ob der 3D-Druck disruptive Auswirkungen hat, ist für viele produzierende Gewerbe u.a. Herstellern von Werkzeugmaschinen, von zentraler Bedeutung. Eine hundertprozentige Antwort können wir darauf nicht liefern, allerdings ermöglichen es Szenarien ein abschätzbares Zukunftsbild zu skizzieren. 

Das Thema 3D-Druck wird im Maschinenbau sehr kontrovers betrachtet. Dies beruht auf der Tatsache, dass sich viele nur unzureichend mit diesem Fertigungsverfahren auseinandersetzen.

3D-Druck ist den meisten bekannt. Überwiegend widmen sich diese Darstellungen jedoch den Bereichen der privaten Anwendung wie Modellbau, Ersatzteile und Anschauungsmodelle. 3D Drucker für die private Anwendung sind zum Teil sehr günstig, erfordern aber im Anschluss viel Wartung durch den Anwender, um eine reproduzierbare Qualität der gefertigten Teile zu realisieren. Somit kann schnell der Eindruck entstehen, dass sich der 3D-Druck noch in einem experimentellen Stadium befindet. Jedoch sind die Unterschiede in Zuverlässigkeit, Präzision und Bedienung zwischen regulären Heimdruckern und industriellen 3D-Druck Produktionsanlagen enorm.

Der 3D-Druck ist durch seine Vielfältigkeit in Industriezweigen wie Automotive, Luft und Raumfahrttechnik oder Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. Neben der breiten Auswahl an verwendbaren Materialien, liegt dies auch daran, dass der 3D-Druck ein werkzeugloses Fertigungsverfahren ist. Bei herkömmlichen Verfahren wie Gießen oder Fräsen, müssen je nach Komplexität der Geometrie entsprechende Werkzeuge hergestellt werden, um die Fertigung überhaupt zu ermöglichen. Dieser zusätzliche Prozess erhöht die Gesamtkosten des fertigen Produktes. 3D-Druck bietet insbesondere bei individuellen Teilen, welche in geringer Stückzahl gefertigt werden sollen, ein erhebliches Einsparungspotential. 

Ein deutscher Automobilhersteller nutzt den 3D-Druck, um Betriebsmittel zu produzieren. Durch den Druck eines Positionierungswerkzeugs konnten 48% an Kosten und 92% an Zeit eingespart werden. Folglich konnte damit die eigene Produktivität, bei gleichzeitiger Kostenreduktion, gesteigert werden. 

Ein weiterer Aspekt, der sehr häufig Aufklärung verlangt, sind die neuen Möglichkeiten und Freiheiten, der konstruktiven Gestaltung von Bauteilen. Aus Tradition wird in jedem Technischen Beruf der Grundsatz „fit for function“ gelehrt welcher besagt, dass die Umsetzbarkeit der Fertigung Vorrang vor der Funktion des Bauteils hat. 3D-Druck kehrt dieses Prinzip um. Der Konstrukteur kann sich vorrangig darauf konzentrieren je nach Anforderung das Bauteil stabiler zu gestalten, die Form zur Optimierung der Strömungseigenschaften entsprechend auszulegen oder durch die Materialeinsparung das Gewicht zu reduzieren. Damit schafft der 3D-Druck eine bisher unbekannte Durchgängigkeit von der Konstruktion zur Produktion und darüber hinaus eine primär funktions- statt fertigungsorientierte Konstruktion.

Die folgende Abbildung verdeutlicht die Möglichkeit bionische Strukturen, durch den Einsatz von 3D-Druckverfahren fertigen zu können.

Abbildung 2: Strömungssimulation an einer optimierten Brennerdüse, nach dem bionischen Vorbild der Schalenstruktur einer Fenchelknolle.

Ein Forscherteam der Siemens Corporate Technology hat eine Brennerdüse nach dem biologischen Vorbild einer Fenchelknolle geometrisch optimiert. Somit konnte ein effizienterer Strömungsfluss und eine optimierte Kühlung in der Brennerdüse ermöglicht werden. Als Resultat zahlreicher Simulationen ist so ein Bauteil entstanden, dass durch 3D-Druckverfahren gefertigt wurde.

Damit wird es offensichtlich, dass der 3D-Druck dem Konstrukteur neue Freiheiten bei der Entwicklung ermöglicht. Es erfordert allerdings schon beim ersten Entwurf eines solchen Modells ein Umdenken bzw. das gedankliche Loslösung von den Standardformen wie rund und eckig. Wird dies berücksichtigt, ergibt sich ein bedeutendes Potential im Bereich der Fertigungsverfahren. Der 3D-Druck ermöglicht die Fertigung von Teilen die bisher gar nicht fertigbar waren.

Die Berechnungsgrundlage der Fertigungskosten aller 3D-Druckverfahren basiert auf der eingesetzten Menge an Material. Es gilt der Grundsatz: Je weniger desto günstiger! Der Entwurf sollte demnach direkt additiv erfolgen. Dabei entstehen zuerst Formelemente, die zwingend für die Funktion benötigt werden. Im Anschluss daran können diese Formelemente miteinander verbunden werden und durch Vernetzungsstrukturen eine Optimierung im Bereich der Stabilität erfolgen. 

Diese Art des Umdenkens kommt natürlich nicht über Nacht und ist ein Prozess der erst adaptiert werden muss. Feststeht: der 3D-Druck ist eine Technologie die aus der Fertigungsindustrie nicht mehr wegzudenken ist. Wer in Zukunft seinen Kunden immer individuellere Produkte, in immer kürzerer Zeit, bei gleichbleibend hoher Qualität anbieten möchte, kommt nicht darum herum sich dieser Technologie zu öffnen nicht aus der Sicht bestehende Bauteile 1:1 zu übertragen, sondern als ergänzender Einsatz, der neue Märkte öffnet und weitere Möglichkeiten schafft, um weiterhin wettbewerbsfähig am spezifischen Markt bestehen zu können.