Additive Serienfertigung Generativ in Serie fertigen

Autor / Redakteur: Dr. Thomas Isenburg / Peter Königsreuther

Eigentlich widersprechen sich Kleinserienfertigungen und Massenproduktion, denn je niedriger der Produktpreis ist, umso wichtiger sind hohe Stückzahlen. Auch müssen bei der Serienproduktion Opfer gebracht werden, die vergleichbar sind mit dem Weg vom Roman zu einem Hollywood-Blockbuster.

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Der Freeformer von Arburg ermöglicht die individualisierte Serienfertigung von Kunststoffkomponenten.
Der Freeformer von Arburg ermöglicht die individualisierte Serienfertigung von Kunststoffkomponenten.
(Bild: Arburg)

Außerdem lauern Probleme aufgrund des Skaleneffektes. Diesem steht die Versuchung entgegen, das Design zu ändern. Denn jeder konstruktive Eingriff, jedes kleine Update, jede winzige Variation zehrt am Gewinn. Vielleicht können additive Verfahren dabei helfen, dieses Spannungsfeld zu entschärfen. Alternativ können qualifizierte Handwerker kundenspezifische Produkte in kleinen Mengen produzieren. Die finanziellen Konsequenzen der Serienfertigung, wenn Hunderte oder gar Tausende fehlerhafte Produkte produziert werden, betreffen die Einzelfertigung nicht. Nun können mithilfe der 3D-Druck-Verfahren neue Wege beschritten und Aspekte der Serien- und Einzelfertigung kombiniert werden: Wie ein Handwerker ist auch ein 3D-Drucker vielseitig, denn er kann unterschiedliche Objekte erstellen, ohne dass vorab Investitionen erforderlich sind.

Einige Materialien versprechen viel Potenzial

Bei der Kostenstruktur ist es gleichgültig, ob tausend gleiche oder unterschiedliche Geometrien erstellt werden, weil die Kosten bei einer Veränderung verschwindend gering sind. Ein Unternehmen, das sich mit beiden Techniken beschäftigt, ist die Arburg GmbH und Co KG aus Loßburg im Schwarzwald. Zum Thema befragt, meinen die Schwarzwälder, dass sich durch das Zusammenspiel von Spritzgießen, additiver Fertigung und Industrie-4.0-Technologien Großserienteile kundenspezifisch bis hin zu Losgröße 1 produzieren lassen.

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Dr. Eberhard Duffner, Bereichsleiter Entwicklung bei Arburg, beantwortet die Frage nach dem aktuellen Stand in puncto generativ gefertigter Serienteile: „In der letzten Zeit hat Arburg einige Materialien sowie Materialkombinationen gezeigt, die durchaus Potenzial für die Fertigung von Serienteilen haben und die in dieser Art und Weise nur der Freeformer verarbeiten kann.“ Das nutzbare Materialspektrum umfasst laut Duffner PC/ABS-Blend mit Flammschutz, aus dem exemplarisch das Bauteil „Nautilus Gear“ entstanden sind, Zweikomponenten-Planetenrollen aus elastischem TPU (Elastollan) sowie biologisch abbaubarem PHA (Arboblend), ein Nussknacker aus Bio-Polyamid (Grilamid) sowie Implantate aus resorbierbarem, medizinischem Polylactid (Resomer), das sich nach definierter Zeit von selbst im Körper auflöst.

Schon fit genug für Autobauer

Dabei fällt besonders die Verarbeitung einiger Biokunststoffe auf. Mögliche Anwendungsfelder sieht man für den Freeformer auch im Automobilbau. Zum Beispiel kann die additive Fertigung im Bereich der Vorserienfertigung für kleinere Stückzahlen eingesetzt werden. Damit additive Fertigungsverfahren serientauglich würden, müsse die Bauteilkonstruktion dem Verfahren und Herstellungsprozess gerecht werden, meint Duffner zu den Entwicklungsschwerpunkten. Auf diesem Weg sind noch viele Fragen offen, die zum Beispiel die passenden Konstruktionsrichtlinien betreffen. Ein weiteres breites Themenfeld in Sachen Serientauglichkeit betrifft die Vorhersagbarkeit von Qualitätsmerkmalen bei Losgröße 1. Denn diese hängen von vielen variierbaren Slice- und Prozessparametern ab. Die Qualität gedruckter Teile wird derzeit noch meist nach „modischen“ Kriterien wie Oberfläche oder Bauzeit beurteilt.

Im Vergleich dazu seien bei der additiven Fertigung „echter“ Funktionsbauteile mechanische Werte wie Zug- beziehungsweise Reißfestigkeit, Dichte oder auch Veränderungen in der Chemie des Ausgangsmaterials von entscheidender Bedeutung, wie der Entwicklungsexperte des Maschinenbauers betont. Zu den kurzfristigen Trends gefragt, ist man im Schwarzwald folgender Meinung: „Generell werden zunehmende Produktvielfalt, kundenspezifische Sonderlösungen in kleinen Stückzahlen sowie kurze Lebenszyklen Argumente dafür sein, dass immer mehr Kunststoff verarbeitende Betriebe auch ein System zur additiven Fertigung ins Unternehmen integrieren werden.“

Synchrondrucker halbiert die Produktfertigungszeit

Anders sieht die Situation bei der Piccos 3D Word GmbH aus Deggendorf aus: Dieses Unternehmen steht für einen der kleinen und jungen Player, die sich am rasch wachsenden Markt der generativen Fertigung tummeln. Kürzlich überraschte Piccos etwa mit einem Simultandrucker für die Serienfertigung in der 3D-Geometrie. Und das wurde bereits zwei Jahre nach der Unternehmensgründung geschafft. Der neu entwickelte 3D-Drucker arbeitet mit zwei Extrudern, die parallel geführt werden und so in einem Durchgang zwei gleiche Bauteile synchron herstellen. Die Druckzeit wird quasi halbiert und im Zuge dessen verringert sich der Aufwand für die Einrichtung. Gefertigt wird auf einer 700 mm × 700 mm großen Trägerfläche des Systems. Darüber hinaus können dank der maximalen Bauraumhöhe von 1200 mm selbst recht lange beziehungsweise hohe Werkstücke gedruckt werden. Durch den Simultandruck verdoppelt sich der Durchsatz, was einen wirtschaftlichen Vorteil im Vergleich zum Parallelbetrieb zweier einzelner Drucker bringt. Denn dabei wäre logischerweise die doppelte Investitionssumme nötig. Verglichen mit der Anschaffung von zwei Druckern, wird in der Praxis für den Piccos-Drucker ein relativ geringer Aufpreis fällig.

Das Unternehmen EOS GmbH aus Krailing bei München ist auf Systeme für das Lasersintern spezialisiert. Für diese Prozessvariante der additiven Fertigung eignet sich eine Vielzahl von Kunststoffen und Metallen. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Lasersintern auch aus schwer zerspanbaren oder teueren Metallen einsatzfähige Bauteile erzeugt, ohne Abfall zu verursachen. EOS verfügt dazu über Materialkompetenz sowie ein umfassendes Portfolio an Polymer- und Metallwerkstoffen. Dafür stehen für das Lasersintern von Kunststoffprodukten Polyamide (PA), Polystyrole (PS), thermoplastische Elastomere (TPE) und Polyaryletherketon (PAEK) zur Verfügung, aus denen sich in individuelle Produkte fertigen lassen.

Serienfertigung mit additiven Verfahren erweitert die Machbarkeitsgrenzen

Insbesondere ist die Produktion metallischer Bauteile ein Kernthema bei EOS. Dabei hilft eine Auswahl an Pulvern von Aluminium und Maraging-Stahl (hochfest durch Martensitaushärtung) über Edelstahl und Titan bis hin zu Nickel- und Kobalt-Chrom-Legierungen bei der materialflexiblen Herstellung von Metallkomponenten. Kürzlich wurde der Werkstoff „EOS Stainlesssteel CX“, ein außerordentlich korrosionsbeständiger Edelstahl mit höchster Festigkeit und ausgezeichneter Härte, eingeführt. Die Frage, was für die additive Fertigung spricht, beantwortet Peter Segrodnik wie folgt: „Generell zeigt die additive Fertigung dort ihre Stärken, wo die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen stößt.“ Die Technologie setzt laut Segrodnik an den Stellen an, wo Konstruktion, Design und Fertigung neu durchdacht werden müssen, um machbare Lösungen zu finden. Sie ermögliche einen „design-driven manufacturing process“, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt – und nicht umgekehrt! Das ist ganz klar ein Statement, das auf die Produktion individueller und mit klassischen Fertigungsverfahren nur schwer herstellbarer Geometrien abzielt. EOS bietet ein hohes Maß an Designfreiheit, Funktionsoptimierung und -integration, die Produktion kleiner Losgrößen zu angemessenen Stückkosten sowie eine hohe Individualisierung von Produkten – nicht zuletzt auch in der Serienfertigung. Damit können die Vorteile additiver Verfahren bereits auf Kleinserien übertragen werden – ein nicht zu unterschätzender Vorteil, wenn es um die Produktion von Bauteilen geht, die sonst mit keiner bekannten Technik zu fertigen sind.

Gewohnte Denkmuster müssen verlassen werden

Ein wichtiger Aspekt dabei heißt Qualitätssicherung. Auf diese legt EOS ein besonderes Augenmerk, denn bei jeder Serienfertigung ist eine möglichst einheitliche und wiederholbare Teilequalität von entscheidender Bedeutung für den wirtschaftlichen Erfolg. Dementsprechend werden die Technologieentwicklung und die Qualitätssicherung bei EOS besonders fokussiert. Nach den dabei existierenden Herausforderungen befragt, antworten die EOS-Experten: „Die Herausforderung für Unternehmen liegen bei der Einführung additiver Fertigungsverfahren generell darin, dass sie besonders zu Beginn noch von konventionellen Fertigungsverfahren getrieben sind. Bauteile werden oft wie gewohnt konstruiert und nicht auf die speziellen Bedürfnisse der additiven Fertigung hin optimiert.“ Infolgedessen könne sich das Vorteilsspektrum generativer Methoden zunächst nicht voll entfalten, heißt es weiter. An diesem Punkt sei es wichtig, die gewohnte Denkweise zu verlassen und Designrichtlinien für die additive Fertigung stringent anzuwenden. Ein Forderung, die auch von Arburg unterstützt wird, indem die Loßburger allgemein auf angepasste Konstruktionsrichtlinien pochen.

Der Faktor Mensch bleibt wichtig

Für alle Werkzeugmaschinennutzer ist die Mapal Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG ein international führender Anbieter der dafür benötigten Präzisionswerkzeuge mit Hauptsitz in Aalen. Besonders die Feinbearbeitung mit spanenden Werkzeugen ist dabei eine Stärke des Unternehmens. Der bei Mapal für Forschung und Entwicklung Verantwortliche, Dr. Dirk Sellmer, fasst zusammen: „Für die additive Fertigung sprechen in allererster Linie die besonderen Gestaltungsmöglichkeiten, die sich für Konstrukteure bieten.“ Unabhängig von den Beschränkungen der konventionellen Fertigung werde mit generativen Prozessen ein hoher Freiheitsgrad erreicht. Außerdem können auch kleine Losgrößen noch wirtschaftlich hergestellt werden, weil ein Großteil der Rüstzeit entfällt, wie Sellmer erklärt. Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist auch, dass deutlich materialeffizienter produziert werden kann, beispielsweise durch integrierte Rippenstrukturen im Inneren eines Werkzeugs. Einer der wohl wichtigsten Aspekte ist aber der Faktor Mensch! Denn die Ausbildung von Konstrukteuren ist ganz klar auf die konventionelle Fertigung ausgerichtet. Das Konstruieren für den 3D-Drucker erfordert ein Umdenken und den Aufbau entsprechender Qualifikationsmaßnahmen.

Bedeutende Schritte sind geschafft

Zusammenfassend kann behauptet werden, dass generative Verfahren, von der Losgröße 1 beginnend, schon einen bedeutenden Schritt hin zum Seriendruck geschafft haben, wenn auch von einer echten Massenproduktion noch nicht die Rede sein kann. Insbesondere dann, wenn es um die Individualisierung der in Serien gefertigten Produkte geht, bieten sich generative Verfahren aber schon heute als Alternative an. Denn auch bei kleineren Stückzahlen können mit herkömmlichen Methoden nicht mehr herstellbare Geometrien, sowohl bei Bauteilen aus Kunststoffen als auch Metallen, mit additiven Fertigungsverfahren wirtschaftlich Realität werden. Um das aber noch effizienter und vor allem breit gefächert und qualitativ hochwertig sowie wiederholgenau zu erreichen, braucht es prozessspezifische und schlüssige Richtlinien, die den verschiedenen Anwendern den möglichst stolperfreien Weg in die generativ fertigende Produktionswelt bahnen. MM

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