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Additive Fertigung –  eine erste Bestandsaufnahme

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Der Vorteil von Losgröße 1 für die Industrie liegt nicht nur im Endkundenprodukt. Der neben dem Prototyping wohl für viele interessanteste Bereich ist das unendliche Feld der Ersatzteile. Manche Komponente wird schon länger nicht mehr hergestellt, auch im Lager ist sie nicht mehr vorrätig. Die bisherige Lösung hieß: mit subtraktiven Verfahren teuer und langwierig nachfertigen lassen. Per Reverse Engineering lassen sich relativ einfach CAD-Daten eines alten Bauteils erstellen, die dann für ein additives Verfahren optimiert werden können. Gleichzeitig lohnt es sich möglicherweise, über eine konstruktive Veränderung des Ersatzteils nachzudenken: Können mehrere Bauteile in eines integriert werden, sind Funktionserweiterungen möglich und sinnvoll oder bietet sich ein anderes Material an?

Automatisierung und Vernetzung wurden bisher vernachlässigt

Außer den bereits erwähnten Problemen bietet die Additive Fertigung noch weitere Herausforderungen. Da fehlt es zum einen an Automatisierung. Sicher, der Druck an sich läuft komplett alleine, aber in einer additiven industriellen Produktion ist der Drucker keine abgeschottete Insel. Material will zugeführt und abgeführt werden und jemand muss das gedruckte Bauteil zum Nachbearbeitungsprozess bringen, die Bauplatte säubern und für den nächsten Baujob vorbereiten; derzeit alles Schritte, die Menschen erledigen – und durch die es auch zu Stillstandszeiten kommt. Unternehmen wie EOS, Concept Laser (respektive GE Additive), Trumpf und Arburg arbeiten daran, mit fahrerlosen Transportsystemen und Roboterarmen die Bestückung und das Entnehmen zu automatisieren. Eine andere Lösung hat der Auftragsfertiger Fit für sich entwickelt: In seiner Produktion wird das Pulver über Rohre der Maschine zugeführt und das überschüssige abtransportiert. Aber insgesamt steckt das Thema automatisierte Additive Fertigung noch in der Lösungsfindungs- und Entwicklungsphase.

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Der andere Problemfall kann grob mit Vernetzung überschrieben werden. Viele 3D-Drucker-Hersteller haben nicht bedacht, dass ihre Maschine ein Bestandteil einer Produktionskette sein könnte und daher sowohl passende Schnittstellen für ERP und MES benötigt als auch auf Big Data und Cloud-Services vorbereitet sein sollte. Dazu braucht die Maschine ebenso eine entsprechende Sensorik wie für Qualitätssicherungsprozesse. Auch zum Thema Rückverfolgbarkeit hat die Branche noch keine Antwort.

Von Software bis Nachbearbeitung – die Bausteine der Additiven Fertigung

Es reicht also offensichtlich nicht, sich einen 3D-Drucker zu kaufen und ein bisschen Additive Fertigung zu machen. Zuerst sollte man wissen, was man additiv fertigen will. Für den Einsatz im F&E-Bereich bieten sich andere Drucker an als für die Ersatzteilfertigung oder gar Produktherstellung. Von dieser Entscheidung hängt auch die Frage nach Peripheriegeräten und Schnittstellen des Druckers ab. Außerdem bestimmt der Werkstoff das Verfahren und somit auch den 3D-Drucker.

Zu beachten ist auch die Durchgängigkeit der Konstruktionssoftware. Denn die CAD-Modelle der Bauteile müssen für den Druck aufbereitet werden. Also wird der Datensatz in ein anderes Format transferiert, meistens STL oder AMF. Hier geht es darum, das Modell im Bauraum auszurichten, die benötigten Stützstrukturen einzuplanen und es in druckbare Schichten zu zerlegen. Danach kann bei der Übertragung in die Maschine herstellerabhängig eine zweite Datenumwandlung folgen. Der Umwandlungsschritt von CAD-Daten in ein Format der Datenaufbereitung erübrigt sich, wenn man ein Bauteil mit einem 3D-Scanner einliest, der ein 3D-Modell im STL-Format erstellt. Außerdem rät unter anderen Kaj Führer, Leiter vom Systemhaus Technik beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, von der Konstruktion in CAD-Programmen ab. Für ihn ist die Topologieoptimierung eher für additive Prozesse geeignet, unter anderem da Lastpfade besser festgelegt werden können. Wer weiterhin CAD-Daten bevorzugt, der sollte auf die Unternehmen achten, die an einer durchgängigen Software arbeiten, wie Dassault Systèmes oder Autodesk.

Endlich kann das Bauteil gedruckt werden. Das heißt, die Bauplattform muss eingelegt und der Werkstoff an die Maschine angebunden sein. Während des Drucks achten bei einigen Maschinen bereits Programme auf Fehler und brechen möglicherweise den Druck ab. Nach dem Baujob will bei Pulverbettverfahren das überschüssige Material entfernt und einem Recyclingprozess zugeführt werden. Hier benötigt man also auch entsprechende Aufbereitungsgeräte. Außerdem wird das Bauteil von der Bauplattform entfernt und nachbearbeitet. Für beide Vorgänge gibt es – abhängig von Verfahren, Material, Funktion des Bauteils und Stützstrukturen – entsprechende Maschinen, die womöglich noch angeschafft werden müssen.

Nicht vernachlässigen darf man die Kosten für die Aus- und Weiterbildung der Konstrukteure und das vielleicht zusätzliche Personal, dessen Aufgabe eine manuelle Nachbearbeitung ist. Je nachdem für welche Aufgabe die Additive Fertigung im Unternehmen vorgesehen ist, müssen auch Prozess- und Personalstrukturen verändert und Räume entsprechend ausgebaut werden. Um es mit den Worten von David Dahl, Anwendungstechniker der Composite Solutions Group bei Stratasys USA, auszudrücken: „Wenn man entscheiden muss, wie die Additive Fertigung in bestehende Prozesse eingegliedert werden soll, kann man ein wenig Angst bekommen.”

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung und Werkstoffe, MM MaschinenMarkt