Additive Fertigung Metall-3D-Druck sinnvoll einsetzen

Die Fertigung per 3D-Druck ist vergleichsweise teuer, wenn sie nur als Ersatztechnologie für konventionell designte Bauteile dient. Ihr Potenzial der Gestaltungsfreiheit muss zu Beginn der Produktentwicklung berücksichtigt werden.

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Eine Umfrage des VDMA zeigt, dass etwa die Hälfte aller Maschinenbauunternehmen bereits 3D-gedruckte Bauteile einsetzt – insbesondere als Prototypen und Ersatzteile. Doch auch für Werkzeuge und Serienteile kann die Technologie eine sinnvolle Option sein. Nur wann rechnet sich der Einsatz? Insbesondere beim Metalldruck, der im Vergleich zum Kunststoffdruck teurer ist und im Wettbewerb steht mit dem Gießen und der spanenden Fertigung, stellt sich diese Frage.

Manche Unternehmen, die mit Metall arbeiten, kennen die Situation vielleicht: Eine neue Baugruppe soll eingeführt werden, die Konstruktionsabteilung hat alles bereits komplett entworfen und auch die Hauptmerkmale der Teile schon weitgehend festgelegt – und dann funktioniert das zusammengesetzte Teil nicht wie geplant. Eine schnelle Lösung ist nötig. Ist 3D-Druck nicht eine Möglichkeit, die fehlerhaften Teile zeitnah neu zu fertigen? Und wenn das Unternehmen schon dabei ist, können nicht auch gleich andere, sogar speziell für die spangebende Fertigung konstruierten Bauteile einfach mitgedruckt werden?

In den meisten Fällen wird der anfänglichen Begeisterung schnell Ernüchterung folgen: Die Fertigung per 3D-Druck ist vergleichsweise teuer, wenn sie lediglich als Ersatztechnologie genutzt wird um konventionell designte Bauteile zu fertigen. Für Prototypen ist das auf Grund der geringen Losgröße und der kurzen Vorlaufzeit sinnvoll, aber für alle anderen Fälle ist eine solches Vorgehen in der Regel unwirtschaftlich und wenig zielführend.

Der typischer Fehler, der hier gemacht wird: Die additive Fertigung ist in einem zu späten Stadium der Produktentwicklung eingeflossen. Dadurch kann der zentrale Vorteil des 3D-Metalldrucks, die hohe Gestaltungsfreiheit, nicht optimal ausgenutzt werden. Sie macht es möglich, neue Teile oder Baugruppen zu schaffen, die besser oder sogar günstiger sind als das, was mit traditionellen Verfahren realisierbar ist. Im optimalen Fall wird die Technologie bereits in den frühesten Phasen des Konstruktionsprozesses berücksichtigt, wenn benachbarte Teile und Baugruppen noch nicht vollständig konstruiert sind und die Produktionslinie dafür noch nicht geplant ist. Und auch beim Redesign bestehender Elemente sind komplett neue, oft in mehrfacher Hinsicht bessere Lösungen möglich.

Wann sich 3D-Druck rechnet

Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks ist die Fähigkeit, ohne Mehrkosten komplexe Strukturen zu erschaffen. Soll heißen: Auch wenn das Verfahren der additiven Metallfertigung meist an sich teuerer ist als traditionelle Verfahren, ist es beim 3D-Druck mit Blick auf die Kosten weitgehend egal, wie komplex das Bauteil am Ende wird. Mit entsprechendem Wissen und guter Planung lässt sich zum Beispiel Vollmaterial durch Gitterstrukturen ersetzen, ohne die Stabilität und Funktionalität eines Bauteils zu beeinträchtigen. Entsprechend sinkt das Gewicht der Lösung.

Eine solche Leichtbauweise ist in vielen Branchen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau von entscheidendem Vorteil. Aber auch überall dort, wo Teile immer wieder bewegt werden müssen, kann ihr Einsatz sinnvoll sein, um Energie einzusparen, die Prozessgeschwindigkeit zu steigern oder Menschen bestimmte Tätigkeiten zu erleichtern. Die höheren Kosten bei der Produktion der Bauteile werden hier vor allem durch die verbesserte Funktionalität oder andere Vorteile bei der Nutzung ausgeglichen.

Der 3D-Druck ist dann eine kosteneffizientere Fertigungsmethode, wenn die Funktionalitäten eines Bauteils verbessert oder erweitert werden. Unter anderem lassen sich problemlos und ohne Mehrkosten Formen in das Bauteil integrieren, die eine Montage mit anderen Teilen vereinfachen oder die bei der späteren Anwendung von Vorteil sind – etwa Aufnahmepunkte oder innenliegende Kanäle. Da keine neuen oder zusätzlichen Formen oder Werkzeug für ein komplexes, verschachteltes Teil zu erstellen sind, ist oft auch die funktionale Zusammenführung verschiedener Bauteile einer Baugruppe in einem einzigenTeil möglich.

Damit wird nicht nur die Zahl der Bauteile insgesamt verringert, was die Logistik vereinfacht, sondern es entfällt auch der kostenverursachende Montageaufwand im Nachgang. Allein dadurch ist das neue Bauteil insgesamt meist günstiger als die Baugruppe, die es ersetzt. Ebenso können sich daraus Zeitvorteile ergeben. Hinzu kommt, dass solche „Many-in-One“-Lösungen oft in verschiedener Hinsicht besser als entsprechende Baugruppenlösungen sind. Sie können beispielsweise kleiner oder leichter sein, auf andere Weise nicht realisierbare Funktionalitäten aufweisen oder bestimmte Aufgaben besser erfüllen. Der Entfall von Schnittstellen senkt zudem das Leckagerisiko, wenn in der Anwendung mit Flüssigkeiten oder Gasen gearbeitet wird. So können auch Wartungskosten gesenkt werden.

Sparsamer Umgang mit Materialien

Insbesondere bei spanender Fertigung und wenn teure Materialien zur Herstellung des Bauteils erforderlich sind, bietet additive Fertigung einen weiteren elementaren Kostenvorteil: der besonders sparsame Umgang mit Ausgangsmaterialien. Denn der 3D-Metalldruck ermöglicht nicht nur wie beschrieben außerordentlich schlanke, leichte Strukturen, sondern erfordert auch fast nur die Materialmenge, aus der das Bauteilteil am Ende besteht. Anders als beim Fräsen bleiben hier nämlich keine Späne zurück, die aufwändig wieder eingeschmolzen werden müssen, um das Material wiederverwenden zu können. Bei der additiven Fertigung dagegen lässt sich das Metallpulver, das während des Druckvorgangs nicht per Laser verschmolzen wird, fast vollständig zurückgewinnen und direkt wieder für einen weiteren Fertigungsvorgang nutzen. Durch diesen sparsamen Materialeinsatz bei der additiven Fertigung kann es letztlich sogar sinnvoll sein, Materialien zu nutzen, die besser, aber bei spangebender Fertigung unwirtschaftlich sind: Aus einem teuren Titanblock zum Beispiel wird nicht gefräst; der Einsatz von Titanpulver für ein vergleichbares, additiv gefertigtes Bauteil kann sich jedoch rechnen.

Rahmenbedingungen berücksichtigen

Die wichtigsten derzeit bei der Planung zu berücksichtigenden Faktoren sind die verfügbaren Materialien, das Produktionsvolumen und die Fertigungsinfrastruktur.

Die Auswahl an Legierungen umfasst bereits sehr vielseitige Typen von Titan, Aluminium und Edelstahl, deren an sich schon unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften durch das Design zusätzlich moduliert werden können. Ein Beispiel dafür sind leichtgewichtige Strukturen, die sich auch mit schwerem Material schaffen lassen. Darüber hinaus können Sonderlegierungen mit speziellen Eigenschaften entwickelt werden, wenn im Planungsprozess frühzeitig festgestellt wird, dass die Anforderungen nicht ausreichend gut von den üblichen Materialien erfüllt werden können.

Neben den einsetzbaren Materialien spielen auch die Produktionsvolumen und die Zahl und Art der verfügbaren Maschinen eine Rolle. Viele Einsteiger im 3D-Metalldruck starten zunächst mit wenigen verschiedenen Teilen beziehungsweise mit kleinen Mengen einzelner Teile, sodass sich die Anschaffung spezieller Drucker für sie in der Regel nicht lohnt. In solchen Fällen können die anfallenden Druckarbeiten problemlos an externe, zertifizierte Auftragsfertiger ausgelagert werden. Außer davon, dass zunächst keine hohen Investitionen nötig sind, profitieren die Unternehmen hier auch von der Vielzahl additiver Fertigungstechnologien, die ihnen mehr Flexibilität bei der Planung bieten als wenn sie auf ein oder zwei eigene Maschinen festgelegt wären.

Über die Nutzung verschiedener Technologien gewinnen Betriebe darüber hinaus wichtige Erkenntnisse über die Möglichkeiten und Grenzen, die Vor- und die Nachteile der verschiedenen Verfahren und Drucker. Liegt die Zahl der zu druckenden Teile irgendwann in einem Bereich, in dem sich der Auf- beziehungsweise der Ausbau einer eigenen 3D-Drucker-Infrastruktur rechnet, hilft ihnen diese Erfahrung, fundierte Entscheidungen über die für sie am besten geeigneten Lösungen zu treffen. (qui)

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Entwickeln und konstruieren von additiv zu fertigenden Bauteilen

* Dr. Ingo Uckelmann, Technsicher Leiter Metall-3D-Druckwerk Materialise, Bremen

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