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Mit dem 3D-Druck signifikante Kosten- und Zeitvorteile erschließen

Mit dem 3D-Druck signifikante Kosten- und Zeitvorteile erschließen

DIE INZWISCHEN ERREICHTE TECHNOLOGISCHE REIFE ADDITIVER FERTIGUNGSVERFAHREN MACHT DAS 3D-DRUCKEN ZU EINEM IDEALEN BINDEGLIED IM DIGITALISIERTEN PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS von Thomas Pletsch, TMG CONSULTANTS

Additive Fertigungsverfahren gibt es bereits sehr mehr als 25 Jahren. Seit kurzem ist um den industriellen 3D-Druck allerdings ein regelrechter Hype entstanden: Stetige Weiterentwicklungen in der Technologie und die enorm gewachsene technische Reife der Verfahren haben dazu geführt, dass „Additive Manufacturing“ (AM) nicht nur im klassischen Prototyping zum Einsatz kommt, sondern zunehmend auch für seriennahe Prototypen und die Kleinserienfertigung zu einer attraktiven Alternative wird. Mit der fortschreitenden Digitalisierung des Produktentstehungsprozesses (PEP) wird der 3D-Druck zudem zu einem elementaren Baustein in der Industrie-4.0-Welt und zu einem wichtigen Bindeglied zwischen Entwicklung und Produktion: Der 3D-Druck gibt dem digitalen PEP die notwendige Bodenhaftung. Das Potenzial der AM-Technologien ist insgesamt so bedeutend, dass R&D-Verantwortliche in Unternehmen der produzierenden Industrie gut beraten sind, das Thema ganz weit oben auf ihrer Agenda zu platzieren und ihre Prozesse zu überdenken.

Die Herausforderungen in den Entwicklungsprozessen werden immer größer: Die Variantenvielfalt nimmt weiter zu, die Lebenszyklen der Produkte verkürzen sich, Bauteile werden immer komplexer, die Digitalisierung schreitet auch in der Entwicklung weiter voran. Vor dem Hintergrund all dieser Entwicklungen sind die R&D-Verantwortlichen aktuell mehr denn je gefordert, neue Wege zu finden, um die im gesamten Entwicklungsprozess wachsenden Aufgaben überhaupt lösen zu können. Wir sind überzeugt: Die Nutzung additiver Fertigungsverfahren ist ein wichtiger Lösungsbaustein und ein wirksamer Hebel, um im R&D-Umfeld signifikante Kosten- und Zeitvorteile zu erschließen.

Viele Unternehmen der produzierenden Industrie haben allerdings noch nicht erkannt, welch enorme Weiterentwicklungen es in der jüngeren Vergangenheit bei den sogenannten „Additive Manufacturing (AM)“-Technologien gegeben hat: unter bestimmten Rahmenbedingungen lassen sich mit dem industriellen 3D-Druck schon heute bessere Material- und Bauteileigenschaften realisieren als im klassischen Gussprozess. Die verfahrensbedingte Formgestaltungsfreiheit erlaubt es, Teile zu fertigen, die auf konventionelle Art und Weise nicht oder nur zu horrenden Kosten hergestellt werden könnten. Unternehmen wird es mit AM zudem möglich, erheblich schneller und flexibler zu agieren und damit bei ihren Auftraggebern nachhaltig zu „punkten“ – zum Beispiel, wenn unterschiedliche Funktionsvarianten schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt in einem serienidentischen oder serienvergleichbaren Material vorgelegt und erprobt werden können. In vielen Unternehmen sind all diese AM-Vorzüge nicht bekannt, signifikante Verbesserungspotenziale bleiben ungenutzt.

Additive-Manufacturing-Potenziale in R&D

In der Produktentwicklung sehen wir signifikante Verbesserungspotenziale durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren im Großen und Ganzen auf drei Themenfeldern:

  • bei der Flexibilisierung der Produktentstehungsprozesse
  • bei der Entwicklung neuer Produkte, Funktionen und Geschäftsmodelle
  • bei der geänderten Rolle des Prototyps in der neuen, digitalen Industriewelt

Flexibilisierung der Produktentstehungsprozesse

Die eingangs erwähnten zunehmenden Herausforderungen – vor allem hinsichtlich wachsender Vielfalt und Komplexität – bedeuten unter anderem, dass Unternehmen in ihren Produktentstehungsprozessen wesentlich flexibler werden müssen. Es geht schlicht und einfach darum, Lösungen zu finden, mit denen in der selben Zeit und mit einem gleich hohen Budget eine größere Anzahl vergleichbarer Projekte durchgeführt werden kann, ohne dies mit einem Verlust an Qualität, Leistungs- und Aussagefähigkeit erkaufen zu müssen. Die Nutzung additiver Fertigungstechnologien ist hierfür in zunehmendem Maße eine Voraussetzung. Die enorme Flexibilität der additiven Fertigungstechnologien kann den Unternehmen helfen, mit der Problematik wachsender Vielfalt und Komplexität in der Entwicklung besser fertig zu werden:

  • Komplexe Bauteile, die herkömmlich nur mit sehr hohem Aufwand gefertigt werden können, lassen sich mittels 3D-Druck schneller und wirtschaftlicher herstellen.
  • Beim Übergang von der Entwicklungs- in die Produktionsphase kommt es in vielen Unternehmen immer wieder zu Verzögerungen, weil angepasst, nachgebessert und/oder Änderungen an Produktionswerkzeugen vorgenommen werden müssen. Durch Anwendung von AM-Verfahren lassen sich diese Prozesse sehr stark beschleunigen. Änderungen können wesentlich schneller erfolgen, weil ja nur die entsprechenden Daten geändert werden müssen, um eine neue oder nachgebesserte Funktion drucken zu können.

Entwicklung neuer Produkte, Funktionen und Geschäftsmodelle

Das prominenteste Beispiel für Produktinnovationen, die erst durch den Einsatz additiver Fertigungsverfahren realisiert werden konnten, ist wohl der Triebwerksbau. Ein amerikanischer Triebwerkshersteller hat als erster erkannt, dass über eine systematische Durchdringung der Produkte mit neuen formgestalteten Komponenten auf AM-Basis eine deutliche Performance-Verbesserung zu erzielen war: Die neu designten Triebwerke sollen in Zukunft eine Kerosinersparnis von rund 3 Prozent bringen.

Teile konstruieren zu können, die äußerst komplex sein dürfen, aber dennoch sehr leicht und stabil sind, ist ein Vorzug, der die additive Fertigung insbesondere für die Aviation-Industrie so interessant macht. Dort zählt jedes Gramm Gewichtseinsparung. Welchen Beitrag AM hier einzubringen vermag, zeigt ein zweites Beispiel aus dem Flugzeugbau: Eine additiv statt konventionell gefertigte Gurtschnalle bringt pro Flugzeugsitz eine Gewichtsersparnis von etwa 85 Gramm. Bei einem Airbus A 380 ergibt das in Summe eine Gewichtsreduktion von etwa 75 kg. Bezogen auf die Lebensdauer des besagten Flugzeugs lässt sich daraus eine potenzielle Kerosin-Einsparung von insgesamt rund 3,3 Millionen Litern hochrechnen1 – und damit eine Kosteneinsparung von weit mehr als einer Million Euro bei einem einzigen Flugzeug.

1 - The Saving Project – Creating sustainable products through innovative design and additive manufacture/Case Study: saving litres of aviation fuel

In der Aviation-Industrie werden bestimmte AM-Technologien bereits seit einiger Zeit für spezielle Serienteile eingesetzt. Diese Entwicklung werden wir mehr und mehr auch in weiteren Bereichen der Industrie erleben – vor allem dort, wo Bauteile hoher Formkomplexität in geringen Stückzahlen und mit hoher Kosteneffizienz und Flexibilität hergestellt werden sollen. Es gibt bereits eine ganze Bandbreite an innovativen Ansätzen für Produkte, die nur mittels 3D-Druck kosteneffizient hergestellt werden können. Stellvertretend sei hier nur das Beispiel der Speed Factory von Adidas erwähnt. Mittels eines flexiblen Produktionsverfahrens können dort kundenindividuelle Designs für Schuhkomponenten vollautomatisch in Produktionsdaten überführt und lokal 3D-gedruckt werden. Der einzelne Kunde bekommt einen hochgradig individualisierten Schuh mit einem ganz anderen Laufkomfort. Das Unternehmen plant, basierend auf diesen technologischen Möglichkeiten ein ganz neues Geschäftsmodell zu entwickeln.

Die herkömmlichen Prozesse, wie Prototypen erstellt werden, passen nicht mehr in die neue, digitale Welt. Die Prozesse sind schlicht und einfach zu langsam und zu inflexibel.

Thomas Pletsch

Neue Rolle des Prototyps

Die herkömmlichen Prozesse, wie Prototypen erstellt werden, passen nicht mehr in die neue, digitale Welt. Die Prozesse sind schlicht und einfach zu langsam und zu inflexibel. Je weiter die Digitalisierung der Entwicklungsprozesse voranschreitet, desto größer wird der Druck werden, sich vom klassischen Vorgehen zu verabschieden. Denn: Idealerweise sollen Produkte dann ja weitestgehend in der digitalen Welt entstehen. Komplett wird das nicht möglich sein, da digitale Zwischenergebnisse immer wieder in der realen Welt verifiziert werden müssen. Und dazu braucht es ein sehr leistungsstarkes Gesamtsystem: Ein System, bei dem die Hardware, die Prototypen, den sehr hohen Anforderungen der digitalen Entwicklungstools voll und ganz gerecht werden. Die AM-Technologie wird hier zum Bindeglied und idealen Baustein im digitalen Prozess. Anders als beim klassischen Vorgehen beißen sich Hardware und digitaler Prozess in diesem Fall nicht. Vom Prototyp zur Serie entstehen keine Erkenntnisbrüche, die Entwicklungsprototypen weisen bereits sehr seriennahe Eigenschaften auf. Und: Die Herstellung von Prototypen im Entwicklungsprozess lässt sich durch den Einsatz von AM-Verfahren von mehreren Monaten auf wenige Tage verkürzen.

Auf seinen Kern reduziert bedeutet dies: Der 3D-Druck ist die ideale Schnittstelle im digitalen Entwicklungsprozess und ein wirksamer Hebel, um dem Prozess die notwendige Bodenhaftung zu geben und signifikante Kosten- und Zeitvorteile zu erzielen.

Umdenken im Unternehmen erforderlich

Um von den Vorzügen der additiven Fertigungstechnologien profitieren und die Potenziale in der Entwicklung voll ausschöpfen zu können, werden die meisten Unternehmen Anpassungen vornehmen müssen. Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Nutzung der AM-Technologie ist, dass man sich erst einmal grundlegend mit der Technologie und deren neuen Möglichkeiten befasst. Oft wird ein Umdenken im Unternehmen stattfinden müssen – dies betrifft zunächst die Prozessgestaltung und die neue Rolle des Prototyps. Hier gilt es zu überlegen, wie der gesamte Entwicklungsprozess gestrafft werden kann und welche Folgewirkungen damit verbunden sind.

Sollen additiv gefertigte Teile als neu entwickelte Serienteile zum Einsatz kommen, gilt: Die Additive-Manufacturing-Technologie einfach nur zu verwenden, um ein klassisch gefertigtes Bauteil 1:1 zu ersetzen, ist im Allgemeinen der falsche Ansatz. Gerade weil es möglich ist, mit dem 3D-Druck ein vollkommen individualisiertes Kundenprodukt herzustellen, muss sich dies bereits in der Konstruktion niederschlagen. Die Konstrukteure müssen sich in die neuen geometrischen Freiheitsgrade hindenken können. Wenn wir uns noch einmal das Beispiel der Gurtschnalle für den Flugzeugsitz anschauen: Der Konstrukteur musste hier in der Lage sein, bionisch oder in einer Art von Fachwerkstrukturen zu konstruieren, um die Gewichtsreduktion durch die Hohlbauweise zu erzielen. Für viele Konstrukteure ist diese Art umzudenken oft nicht ganz leicht. Letztlich wird man in der Produktentwicklung allerdings nicht umhinkönnen, sich intensiv mit dieser Thematik auseinanderzusetzen und das neue Denken bei allen Gestaltungsaufgaben einzubringen. Ohne dieses Umdenken wird es nicht möglich sein, die vorhandenen Potenziale voll und ganz auszuschöpfen. Das Umdenken gehört einfach mit dazu.

Die Entwicklungsdynamik bei den additiven Fertigungstechnologien ist so extrem, dass es für ein Anwender-Unternehmen schier unmöglich ist, den Überblick zu behalten. Bewährt hat sich, Spezialisten hinzuzuziehen, die aus objektiv-neutraler Sicht als allererstes eine Potenzialanalyse erstellen, um zu ermitteln, bei welchen Komponenten aus dem gesamten zu entwickelnden Portfolio eine additive Fertigung überhaupt möglich und wo diese der konventionellen Technologie auch überlegen ist. Wer die unterschiedlichen Verfahren, Technologieansätze und das Umfeld korrespondierender Technologien nicht tiefgreifend einzuschätzen weiß, kann eine solche Analyse überhaupt nicht durchführen. Ein „normales“ Anwender-Unternehmen ist mit dieser Aufgabe meist überfordert.

Gleiches gilt für die Ausarbeitung einer zielführenden AM-Strategie. Viele Unternehmen der produzierenden Industrie arbeiten zwar in irgendeiner Form bereits mit Additive-Manufacturing-Lösungen. Allerdings beileibe nicht mit der Konsequenz und Ernsthaftigkeit, wie es angesichts des neuen Reifegradniveaus dieser Technologie angemessen wäre. Eine vernünftige AM-Strategie und eine Roadmap zu deren erfolgreicher Umsetzung haben nach unseren Erkenntnissen jedenfalls erst wenige Unternehmen entwickelt. Anzuraten wäre beides: Eine AM-Strategie, die mit den anderen Teilstrategien des Unternehmens in Einklang steht, und eine Roadmap, aus der klar hervorgeht, in welchen Schritten die Umsetzung vorangetrieben wird und welche Vorteile dieses Vorgehen dem Unternehmen bringt. Wichtig ist, das Thema additive Fertigung strategisch aufzusetzen und nicht nur punktuell an der einen oder anderen Stelle mal etwas auszuprobieren.

Vorgehen in kleinen Schritten

Bei unseren Projekten legen wir großen Wert darauf, die Mitarbeiter des Kunden in der Umsetzung nicht zu überfordern. Die Entwicklungsmannschaft muss sukzessive in kleinen Schritten für die neue Technologie und das neue Denken fit gemacht werden. Das funktioniert nicht auf Knopfdruck. Da gilt es auch, gewisse Ängste und Vorbehalte zu entkräften. Einem Berater, der über genügend Erfahrung auf diesem Themenfeld verfügt und an Erfolgsbeispielen aufzeigen kann, was funktioniert und was nicht, wird dies in aller Regel eher gelingen als jemanden, der selbst noch unsicher ist, inwieweit sich ein AM-Einstieg für das Unternehmen wirklich lohnt.

Sukzessive in kleinen Schritten vorgehen, geeignete Pilotanwendungen herausarbeiten und umsetzen, Erfahrungen sammeln und aus den Erkenntnissen daraus die richtigen Schlussfolgerungen zu den wichtigsten Fragestellungen ziehen:

  • Wie lassen sich die identifizierten AM-Potenziale in der Entwicklung bestmöglich umsetzen?
  • Wie soll der Einstieg in dieses Geschäftsfeld erfolgen und wie sehen dann die weiteren Schritte aus?
  • Welche Kooperationen werden benötigt, um die eigenen Anforderungen zielgenau abbilden zu können?
  • Welches Betreibermodell soll gefahren werden?
  • Auf welchen Feldern sind die Risiken besonders hoch?
  • Wo scheinen die Chancen besonders groß zu sein und wie geht man am sinnvollsten damit um?

Bei all diesen Fragestellungen kann ein erfahrener AM-Berater eine wertvolle Stütze sein. Als Konsequenz der enormen Entwicklungsdynamik bei der additiven Fertigung und im Umfeld dieser Technologie ist ein Anwender-Unternehmen in aller Regel überfordert, den aktuellen Technologie-Status auf das eigene Anforderungsprofil zu übertragen und die tatsächlichen „Knackpunkte“ für den Einstieg respektive den Ausbau zu bestimmen. Die Bandbreite der technologischen Möglichkeiten ist inzwischen so groß und das AM-Themenfeld so komplex, dass es der Expertise von Spezialisten bedarf, deren Kerngeschäft es ist, die Technologie weltweit zu scannen und immer wieder in der Anwendung zu erleben, um deren Eignung für spezifische Anforderungsprofile zutreffend abschätzen zu können. Vom einzelnen Unternehmen kann dies gar nicht geleistet werden. Es ist keine Seltenheit, dass Dienstleistungsanbieter auf diesem Feld für die selbe Anfrage wesentlich schlechtere Lösungen zu einem zigfach höheren Preis anbieten.

Nach unserer Kenntnis verfügt die große Mehrheit der Industrieunternehmen noch nicht über das erforderliche Wissen, um den besonderen Stellenwert der additiven Fertigungstechnologien für das eigene Unternehmen ausreichend einschätzen zu können.

Die Entwicklungsdynamik auf diesem Themenfeld ist zudem so massiv, dass viele Verantwortliche mit dem Einstieg zögern, weil sie befürchten, zu früh auf den Zug aufzuspringen. Wir halten diese abwartende Haltung für einen großen Fehler. Additive Manufacturing ist eine der Technologien, die noch für mindestens 20 Jahre hohes Entwicklungspotential besitzt. Die in ferner Zukunft existierenden AM-Verfahren werden mit den derzeit praktizierten nur wenig gemein haben. Das werden hochgezüchtete Systeme sein – basierend auf einer evolutionären Entwicklung. Für die Unternehmen wird es daher darauf ankommen, eine Strategie zu verfolgen, die es ihnen erlaubt, heute einzusteigen und in entsprechenden zeitlichen Intervallen Zugriff auf neue Verfahren zu bekommen.

Weiter zuzuwarten halten wir bei diesem zukunftsweisenden Thema für keine empfehlenswerte Option. Im Zweifel wird der eine oder andere Konkurrent früher oder später in das Thema einsteigen, im Unternehmen vorhandene AM-Potenziale erschließen und diese zum Aufbau nachhaltig wirkender Wettbewerbsvorteile zu nutzen wissen.

TMG INSIGHTS 08: "Antriebskonzepte der Zukunft"

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