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Additive Fertigung Wann Maschinenbauunternehmen von der Additiven Fertigung profitieren

| Autor / Redakteur: Sonja Rasch / Stefanie Michel

Sie interessieren sich für Additive Fertigung, wissen aber nicht, wo Sie sie einsetzen sollen? Materialise zeigt, bei welchen Bauteilen die meisten Unternehmen profitieren können.

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Alles an seinem Platz: Die Kabelführungen können schnell und einfach angepasst werden und gehen dank Additiver Fertigung direkt vom Rapid Prototyping als Endbauteil in die Fertigung.
Alles an seinem Platz: Die Kabelführungen können schnell und einfach angepasst werden und gehen dank Additiver Fertigung direkt vom Rapid Prototyping als Endbauteil in die Fertigung.
(Bild: Labman)
  • Additive Fertigungsverfahren bieten zahlreiche Vorteile. Die Herausforderung besteht jedoch darin, sie kosteneffizient einzusetzen. Dabei will Materialise mit einem Überblick helfen.
  • Sinnvolle Anwendungen für additiv gefertigte Endprodukte bieten sich bei Ersatzteilen, komplexen Bauteilen oder kleinen Serien an, bei denen die Herstellung eines Werkzeugs oder die Fertigung selbst zu teuer wäre.
  • Können aufgrund der additiven Verfahren Komponenten leichter gebaut oder Baugruppen in ein Bauteil zusammengefasst werden, dann eröffnen sich weitere Vorteile und Einsparpotenziale.

Unter den Maschinenbauern nutzen knapp 50 % bereits die Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM). Die zahlreichen Vorteile der AM sind allgemein bekannt. Dennoch tun sich viele Unternehmen schwer, AM tatsächlich kosteneffizient einzusetzen und wirklich relevante Anwendungen zu finden. Wie lassen sich unter den zahlreichen Bauteilen diejenigen identifizieren, deren Additive Fertigung sinnvoll ist? Eine systematische Vorgehensweise kann Einsteigern wie Fortgeschrittenen helfen, verborgene Verbesserungspotenziale und damit Wettbewerbsvorteile zu realisieren.

Für Unternehmen, die noch am Anfang des AM-Einsatzes stehen, bietet es sich an, den Blick zunächst auf das Prototyping zu richten. In den Fokus sollten vor allem Bauteile rücken, die konventionell relativ aufwendig herzustellen sind.

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Typisch sind vor allem Teile, für die normalerweise zunächst Gussformen oder individuelle Werkzeuge angefertigt werden müssen, oder aber Blechkonstruktionen, die aufwendige Stanz-Biege-­Formen erfordern. Zu den geeigneten Bauteilen zählen auch komplexe, zu fräsende Bauteile, die eine aufwendige Programmierung sowie ein mehrfaches Wechseln der Werkzeuge und der Einspannung des Bearbeitungsobjekts erfordern. Ebenso eignen sich Metallbauteile, bei denen teure oder schwer zu verarbeitende Materialien zum Einsatz kommen und der Materialabtrag sehr hoch ist. In all diesen Fällen ist die AM häufig kostengünstiger als konventionelle Verfahren.

Der Begriff „Rapid Prototyping“ verrät, dass ein Vorteil im meist sehr viel schnelleren Fertigungsprozess liegt. Die Zeitersparnis bei Werkzeug- und Formenherstellung oder auch Umrüstung bietet oft einen ausreichend hohen Vorteil, damit sich AM lohnt. Durch die werkzeuglose Additive Fertigung können zudem Prototyp-Iterationen schnell umgesetzt oder auch zeitgleich parallel gefertigt werden. Die verschiedenen Prototypen lassen sich dadurch nach der Fertigung unmittelbar testen und vergleichen. Das verkürzt die Entwicklungsphase drastisch.

On demand: von Ersatzteilen bis zur Kleinserie

Über Prototypen hinaus gibt es weitere Fälle für den sinnvollen Einsatz von AM. Das können beispielsweise Teile von Produktionslinien, Vorrichtungen, Werkzeuge oder Hilfsmittel sein. Ein wichtiger Anwendungsfall sind additiv gefertigte On-Demand-Ersatzteile für konventionell konstruierte Lösungen. Meist handelt es sich um Eins-zu-eins-Ersatz im Serienmaterial, da in diesen Fällen eine erneute Design-Qualifikation nicht möglich ist und somit lediglich die Qualifikation des alternativen Produktionsprozesses anfällt. Vorteile dieser On-Demand-Ersatzteile sind neben einer schnellen Verfügbarkeit auch geringere Lagerhaltungskosten und gegebenenfalls auch eine bedarfsgerechte Vor-­Ort-­Produktion, um lange Anlieferzeiten zu vermeiden.

Der Einsatz von AM ist nur dann ein Mehrwert, wenn das Resultat mehr wert ist oder weniger kostet.

Ein Augenmerk sollte man ebenso auf schwer zu beschaffende, systemrelevante oder zeitkritische Ersatzteile legen. Hier empfiehlt es sich, zu prüfen, ob gegebenenfalls auch schnelle, vorübergehende Ersatzlösungen sinnvoll sind. Es kann sich lohnen, einen alternativen Ersatzteilkatalog mit deutlich reduziertem Anforderungsprofil zu entwickeln. Mit den enthaltenen Ersatzteilen lassen sich Überbrückungslösungen anbieten, um Produktionslinien am Laufen zu halten. Das fängt Stillstandszeiten so auf, bis das finale Bauteil eintrifft.

Die konstruktiven Vorteile von AM nutzen

Werden die konstruktiven Vorteile von AM berücksichtigt, dann erweitert sich der Kreis sinnvoller Anwendungen erheblich. Für Serien mit geringen Stückzahlen kann AM eine lohnenswerte Alternative sein, denn gerade dann ist ein großer Anteil der finalen Stückkosten bedingt durch den hohen Werkzeuginvest. Häufig werden Serien mit kleiner Stückzahl in einem Schwung gefertigt und müssen lange und teuer gelagert werden. Kommen dann noch lange Produktlebenszyklen hinzu, summieren sich oft immense Lagerhaltungskosten. Designänderungen wiederum bedeuten Kosten für ein geändertes Werkzeug und für die Verschrottung der auf Lager liegenden alten Teile. Die Folgekosten sind im Nachhinein oft höher als die reinen Teilekosten.

Gerade weil keine Werkzeuge erforderlich sind und bedarfsgerecht gefertigt werden kann, lässt sich mit additiv hergestellten Bauteilen wesentlich besser auf schwankenden oder gar reduzierten Bedarf und flexibel auf geänderte Design- oder Marktanforderungen reagieren. Lagerhaltungskosten reduzieren sich auf ein Minimum. Die Vorteile der flexiblen additiven Fertigung sollte man in der Kostenkalkulation berücksichtigen.

Redesign: Hier kann man sparen

Will man mit AM in Serie fertigen, ist ein AM-gerechtes Design fast immer zwingend erforderlich. Das gilt für Kunststoff- wie auch für Metallteile. Mit einer AM-gerechten Konstruktion kann man die Druckzeiten verkürzen, die Nachbearbeitung vereinfachen und so die Fertigungskosten senken. Ist ein Redesign nötig, relativieren sich dessen Kosten schnell, rechnet man die Kosteneinsparungen in der Herstellung gegen. Es empfiehlt sich, frühzeitig mit dem Fertiger über Einsparpotenziale zu sprechen. Idealerweise geschieht dies schon im Designprozess. So addieren sich die Redesign-Kosten nicht zusätzlich zu den bereits geleisteten Designkosten, sie sind dann Bestandteil der normalen Konstruktion.

Das volle Potenzial schöpft man im Design

Noch mehr lohnende Anwendungen findet man, wenn man mit dem „additiven Design“ eine Funktionssteigerung und eine Reduzierung der Total Cost of Owner­ship erzielen kann. Vor allem Maschinenteile beziehungsweise Endeffektoren und Formen, die konventionell nicht optimal zu lösen sind, sind in dieser Hinsicht interessant.

Oft beginnt das Design mit der Frage, wo Platz oder Gewicht eingespart werden können. Mithilfe von AM lassen sich viele Bauteile kompakter gestalten oder Baugruppen in einem Bauteil zusammenfassen. Dadurch sind entweder kleinere Maschinen möglich oder das gegebene Raumangebot lässt bessere Lösungen zu. Zudem spart man durch die Zusammenfassung verschiedener Bauteile Montageschritte. Gerade bei Baugruppen, die mittels verschiedener Technologien gefertigt werden, kann sich eine Umstellung auf AM aus diesem Grund lohnen. So lässt sich auch die Lieferkette vereinfachen.

Gewichtseinsparung – ob durch Zusammenfassen von Komponenten oder Leichtbauweise – zahlt sich im Maschinenbau langfristig aus. Leichtere Maschinenteile können schneller beschleunigt und abgebremst werden. Das steigert Dynamik und Frequenz im Fertigungsprozess. Teilweise lässt sich durch Leichtbauweise auch die Lebensdauer besonders beanspruchter Maschinenteile verlängern, denn leichtere Endeffektoren ermöglichen den Einsatz niedrigerer Roboterklassen. Das senkt Beschaffungs- und Energiekosten erheblich.

Wenn das Problem im Bauteil liegt

Ein weiterer Ansatz für die Nutzung von AM ist die Suche nach Bauteilen oder -gruppen, bei denen regelmäßig Probleme auftretenden: Welche müssen öfter als andere repariert oder ersetzt werden, welche führen öfter zu Produktionsfehlern? So lässt sich beispielsweise eine ungleichmäßige beziehungsweise ineffektive Wärmeverteilung durch AM verbessern. Konturnahe Kanäle sorgen im Werkzeug nicht nur für eine gleichmäßige, effiziente Erhitzung und Abkühlung, sondern beschleunigen den Zyklus.

Der Mehrwert ist entscheidend für den Einsatz von AM

Ein anderer Grund für regelmäßige Defekte und hohen Ausschuss kann sein, dass Werkzeuge und Formen mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht optimal und zu vertretbaren Kosten an das zu verarbeitende Bauteil angepasst werden können. Da additiv gefertigte Bauteile individuell exakt anpassbar sind, lassen sich diese Mängel meist problemlos beseitigen. Wenn Unternehmen also geeignete AM-Anwendungen finden wollen, sollten sie immer den Mehrwert der additiven Fertigung und die Gesamtkosten im Blick haben. Der Einsatz von AM ist nur dann ein Mehrwert, wenn das Resultat am Ende mehr wert ist oder weniger kostet.

Buchtipp

Das Buch „Additive Fertigung" beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

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* Sonja Rasch ist Sales Director Manufacturing bei Materialise Deutschland in 82205 Gilching, Tel. (0 81 05) 77 85 90

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