Additive Fertigung 3 Gründe für 3D-Druck in der Serienproduktion

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Flexibilität und Individualisierung auch in der Serie sind die neuen Herausforderungen. Mit 3D-Druck können auch KMU besser darauf reagieren. Wie, erfahren Sie hier an Beispielen.

Zuerst müssen Prototypen entwickelt, getestet und verbessert werden. Dann wird die Herstellung für das Endprodukt vorbereitet, sprich die passenden Werkzeuge werden gebaut. Die sind meistens sehr teuer. Das alles braucht Zeit. Doch der Markt und die Nachfrage verändern sich rasant. Zusätzlich geht der Trend immer mehr in Richtung Flexibilität und Individualisierung. Schnelle Anpassungen und Produktumstellungen kommen immer häufiger vor. Bei einer Serienproduktion gar nicht so einfach.

Die Additive Fertigung vereinfacht diese Prozesse und eignet sich sogar für eine Serienproduktion. Sie wird bereits bei Unternehmen beispielsweise aus dem Medizinsektor oder der Consumerbranche eingesetzt, um Produkte kostengünstig, inhouse skalierbar und on demand herstellen zu können. Nicht nur große Produktionen sondern auch der Mittelstand profitiert von den additiven Verfahren.

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So müssen Modelle und Bauteile mit einem Desktop-3D-Drucker nicht mehr bestellt, sondern können direkt vor Ort in wenigen Stunden oder gar Minuten gedruckt werden. Mehrere zusammengeschlossene Drucker können dabei eine Produktionsstraße bilden. Der digitale Workflow hat das Potenzial die Fertigung zu verändern und verspricht eine schnellere Markteinführung, eine höhere Flexibilität und mehr Individualisierung.

1. Schnellere Markteinführung

In Branchen mit hohem Konkurrenzdruck kann die Markteinführungszeit über den Erfolg eines Produktes entscheiden. Daher ist die Entwicklungszeit von Prototypen und Endverbrauchteilen in der Serienproduktion maßgeblich. Eine traditionelle Werkzeugausstattung kann die Durchlaufzeit dabei enorm beeinflussen sowie viel Zeit und Geld kosten.

Durch den Einsatz von 3D-Druckern können Prototypen und Endverbrauchteile meistens direkt gedruckt werden. Teure, traditionelle Werkzeuge sind oft nicht nötig. Die Markteinführungszeit verkürzt sich. Werden Werkzeuge doch benötigt, lassen sie sich mit dem 3D-Druck günstig und maßgefertigt herstellen. Ein Beispiel sind maßgefertigte 3D-gedruckte Formen für den Spritzguss. Bei einer Kleinserienfertigung (10 bis 100 Teile) ermöglichen die 3D-gedruckten Formen eine agile Fertigungsweise. Ingenieure und Designer können so Formen problemlos anpassen und Designs von funktionsfähigen Endverbrauchteilen iterieren.

Das Unternehmen Braskem entwickelte mithilfe eines 3D-Druckers und einer Spritzgießmaschine eine maßgefertigte 3D-gedruckte Form aus dem hitzebeständigen Kunstharz von Formlabs „High Temp Resin“ und fertigte pro Schuss zwei Bänder für Masken. Über das Rapid Prototyping konnte das Unternehmen tausende von Bändern für Masken herstellen und somit die globale Belegschaft in der Pandemie schützen ohne dabei auf eine teure, outgesourcte Metallform angewiesen zu sein.

Der Podcast zum Thema „„Wann kommt die (Groß-)Serie mit Additiver Fertigung?“

Schuss folgte auf Schuss und schnell stapelte sich ein Berg aus Bändern. Ein flexibles Polypropylen mit geringer Viskosität wurde in die Form gespritzt, um den Druck im Hohlraum zu verringern und die Lebensdauer des 3D-Druckteils zu verlängern. Das Team von Braskem war erstaunt, wie Spritzguss das Potenzial von 3D-Druckern über das Rapid Prototyping erweiterte und für die Serienproduktion nutzbar machte.

2. Hohe Flexibilität

Große Investitionen in teure Werkzeuge und Fertigungsmaschinen machen die Umstellung einer Produktion behäbig und kostenintensiv. Der Flexibilität sind Grenzen gesetzt, denn kleine Änderungen und Anpassungen sind in der Serienproduktion ohne großen Aufwand kaum möglich. Für Branchen, in denen eine schnelle Anpassung auf Marktveränderungen Vorteile bringt, kommt es daher darauf an, ein geeignetes Mittel für eine flexible Herstellung zu finden. Die Additive Fertigung steht für Vielseitigkeit und Flexibilität.

Desktop-3D-Drucker sind sehr kompakt, ihre Standfläche ist etwa so groß wie ein DIN A3 Blatt. Sie können daher wesentlich leichter auf- und abgebaut werden als große Maschinen. In den 3D-Druckern von Formlabs befindet sich ein Tank, der mit einem flüssigen Kunstharz gefüllt ist. Welches Material verwendet wird, bestimmt dabei der Anwendungsbereich des Produkts. Es gibt besonders schlagresistente, flexible oder temperaturbeständige Werkstoffe. Auch für die Zahnmedizin oder den Maschinenbau gibt es spezifische Kunstharze. 

Im Unterschied zu herkömmlichen Methoden, bietet die Additive Fertigung große Vorteile: Die Produkte werden in einer CAD-Software designt und können dort leicht angepasst und verändert werden. Ein Vorteil der kompakten Desktop-Drucker: Sie erfordern keine großen Investitionen. So können Unternehmen mit wenigen Druckern beginnen und je nach Bedarf weitere weitere Geräte hinzukaufen. Im Unterschied zu großen industriellen 3D-Druckern können die Desktop-Drucker sehr schnell eingerichtet und somit schnell an die Produktion angeschlossen werden.

3. Mehr Individualisierung

Für viele Unternehmen ist es schwierig, ihren Kunden eine größere Individualisierung zu bieten. Schnelle Fluktuation bei der Nachfrage nach verschiedenen Produkten kann sehr problematisch für Unternehmen sein, die bereits in teure Werkzeuge investiert haben. Das macht Produktumstellungen langsam und teuer.

Der Rasierklingenhersteller Gillette hat auf den zunehmenden Druck der Direktvertriebsmarken reagiert und den Razor Maker eingeführt. Das ist eine Plattform zum Designen und zur Fertigung individuell angepasster und limitierter Griffe für Rasierer. Kunden können so online ihre eigenen Rasierklingen gestalten. Dabei wird per Stereolithografie (SLA) gefertigt. Verschiedene Kunstharze können flexibel ausgetauscht werden. Beim Druck fließt das flüssige Kunstharz in einen Tank und wird dort mit UV-Strahlen gehärtet. Zu Beginn des Drucks fährt eine Druckplattform herunter, bis sie mit dem Kunstharz abschließt. Anschließend härtet der Laser Schicht für Schicht das Produkt aus dem flüssigen Harz. In diesem Prozess taucht die unterste Schicht immer wieder in das Kunstharz ein, sodass ein nahtloser Druck möglich ist.

Mit der großen Auswahl an Druckmaterialien bot das SLA-Verfahren die idealen Voraussetzungen für den Druck von individuellen Griffen. Außerdem konnte die Produktion an den Bestelleingang angepasst werden. Wenn die Nachfrage nach einem bestimmten Design wuchs, wurde die Produktion sofort skaliert. Damit zeigt Gillette, wie sich ein Unternehmen von der Konkurrenz abhebt, indem es per 3D-Druck in Echtzeit auf die Nachfrage reagiert und mehr Individualisierung auf den Markt bringt.

Auch Turnschuhhersteller New Balance hat sich die Möglichkeiten der Additiven Fertigung zunutze gemacht. Das eigens für das Unternehmen entwickelte Hochleistungsharz bietet als Teil der Schuhsohle die Unterstützung und Federung, die Athleten benötigen. Das Material besitzt eine fünffache Reißfestigkeit, die dreifache Zugfestigkeit und die doppelte Dehnung von anderen Elastomeren für die Serienproduktion. Die Herstellung neuer Kunstharze ermöglicht es New Balance, ohne zusätzliche Investitionen – über ihre aktuellen Produktionskapazitäten hinaus – den 3D-Druck für die Serienproduktion zu nutzen. Mit dem betriebsinternen 3D-Druck und einem leistungsstarken Material kann New Balance direkt verschiedene Teile des Schuhs je nach Bedarf für das jeweilige Modell drucken.

Die Zukunft der Serienproduktion

Die Additive Fertigung spielt eine transformative Rolle in der Serienproduktion.

• Sie erleichtert und beschleunigt die Entwicklung und Produktion von innovativen Produkten.

• Durch den einfachen Workflow mit einem 3D-Drucker kann die Produktionszeit von Objekten deutlich verkürzt werden.

• Die Herstellung ist kostengünstig und findet vor Ort statt.

• Lieferketten können individuell angepasst werden, sodass entweder ein einzelner Drucker oder eine gesamte Produktionsstraße mit 3D-Druckern für eine reibungslose Lieferkette sorgt.

• Maßgefertigten Konsumgütern bis hin zur Erstellung von Montagevorrichtungen, Ausstattungen und Werkzeugen sind mit Additiver Fertigung einfacher umzusetzen.

* Stefan Holländer ist Managing Director EMEA bei Formlabs in 12459 Berlin.

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