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Wann sich der Einsatz von 3D-Druck lohnt

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Christoph Klahn, Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt* / Katharina Juschkat

Viele Unternehmen setzen inzwischen auf 3D-Druck. Welche Kosten dabei anfallen und was sie beachten sollten, stellen wir vor.
Viele Unternehmen setzen inzwischen auf 3D-Druck. Welche Kosten dabei anfallen und was sie beachten sollten, stellen wir vor. (Bild: ©blackday/stock.adobe.com)

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Der Einsatz von 3D-Druck kann für Unternehmen lohnenswert sein. Doch was ist beim Einsatz zu beachten und welche Kosten fallen an? Ein Überblick.

Die Additive Fertigung ist längst nicht mehr nur für die Prototypen-Herstellung im Einsatz. Inzwischen setzen laut einer aktuellen VDMA-Studie fast 50 % aller Maschinenbauer auf 3D-Druck. Davon wiederum verwenden die Hälfte die additive Fertigung für das Prototyping und die andere Hälfte auch für andere Anwendungen wie Serienproduktion, Werkzeuge und Ersatzteile. Viele weitere Maschinenbauer überlegen den Einsatz. Dabei spielt natürlich die Kostenfrage eine entscheidende Rolle: Ab wann lohnt sich der Einsatz von 3D-Druck?

Was der Einsatz von additiver Fertigung kostet

Abb. 1: Anhand drei beispielhaft ausgewählter Bauteile werden die variablen Kosten pro Kubikzentimeter bei Additiver Fertigung und konventioneller Fertigung gegenübergestellt. Abhängig von Verfahren und Bauteildesign können die variablen Kosten beim 3D-Druck um das Fünf- bis Fünfzigfache höher liegen als bei konventioneller Fertigung.
Abb. 1: Anhand drei beispielhaft ausgewählter Bauteile werden die variablen Kosten pro Kubikzentimeter bei Additiver Fertigung und konventioneller Fertigung gegenübergestellt. Abhängig von Verfahren und Bauteildesign können die variablen Kosten beim 3D-Druck um das Fünf- bis Fünfzigfache höher liegen als bei konventioneller Fertigung. (Bild: ETHZ pd|z)

Die Kostenstruktur beschreibt das Verhältnis von Kosten zu Nutzen und ist damit entscheidend für die Frage, ob eine Serienproduktion wirtschaftlich sinnvoll ist oder nicht. Da sich die Kostenstrukturen von konventionellen und additiven Fertigungsverfahren teils deutlich unterscheiden, müssen die Kostenfaktoren sorgsam gegeneinander abgewogen werden. Eine erste Kostenabschätzung für 3D-gedruckte Produkte erfolgt üblicherweise pro gefertigtem Kubikzentimeter. Die Nachbearbeitung der additiven Bauteile ist ebenfalls ein Kostenfaktor.

Beim Einsatz von 3D-Druck werden die Kosten maßgeblich durch die Anschaffungskosten des 3D-Druckers bestimmt, gefolgt von den Kosten für die Werkstoffe und Lohnkosten. Andere Faktoren wie Verbrauchsmittel (z. B. Gas) und Energiekosten können dagegen vernachlässigt werden. Vor allem Maschinen für die Fertigungsmethoden Selektives Lasersintern (SLS) und Laserschmelzen (SLM) sind sehr kapitalintensiv. Der Kostenaufwand von pulverbettbasierten Verfahren wird oft mit jenem von werkzeugintensiven konventionellen Fertigungsverfahren wie Spritzguss und Druckguss verglichen oder auch mit Bearbeitungsverfahren wie CNC-Fräsen (Abbildung 1).

BUCHTIPP Das Thema „Kostenstrukturen der Additiven Fertigung“ ist dem Buch „Additive Fertigung“ entnommen. Das Fachbuch des Autorenteams der ETH Zürich beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie und richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

Wann lohnt sich 3D-Druck?

Trotz der höheren variablen Kosten kann der Einsatz additiver Verfahren in der Fertigung ökonomisch sinnvoll sein, wie ein Blick auf die Fixkosten deutlich macht. Fixkosten verteilen sich bei klassischen Herstellungstechniken nur auf ein einzelnes spezifisches Bauteildesign. So kann beispielsweise eine Form im Druckguss nur für die Herstellung des spezifischen Produkts eingesetzt werden, für das sie entwickelt wurde. Entsprechend müssen sich die Kosten der Form über die Zahl der produzierten Teile rechnen. Die Kosten für das Rüsten einer Werkzeugmaschine oder den Werkzeugwechsel an einer Spritzgussmaschine müssen auf die Anzahl der in diesem Fertigungslos produzierten Teile bis zum nächsten Umrüsten verteilt werden. Werden nur wenige Einheiten pro Batch produziert, können die Fixkosten bei weitem die variablen Kosten übersteigen, sodass 3D-Druck kostengünstiger ist als eine Fertigung mit konventionellen Verfahren.

Auch der 3D-Druck unterliegt zu einem gewissen Grad Fixkosten, jedoch können sich diese einfacher durch unterschiedliche Produkte ausgleichen, die in einer einzelnen Batch hergestellt werden. Die tatsächlichen Kosten, die in einem additiven Baujob pro Kubikzentimeter anfallen, sind abhängig von einer komplexen Kombination aus technischen Parametern und den Betriebsbedingungen der Maschinen.

Die wichtigsten Parameter für pulverbettbasierte Verfahren:

  • Maschinendaten
  • Materialien
  • Parameter Baujob
  • Verbrauchsmitteldaten
  • Betriebskalkulationen

Schematische Darstellung der üblichen Parameter, die bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren die Gesamtkosten pro cm³ beeinflussen.
Schematische Darstellung der üblichen Parameter, die bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren die Gesamtkosten pro cm³ beeinflussen. (Bild: ETHZ pd|z)

Eine Möglichkeit, um die Gesamtkosten für die additive Fertigung zu reduzieren, ist, die Parameter zu verändern. Da Lasersinter- und Laserschmelz-Maschinen teuer in der Anschaffung sind, ist die Produktivität der Maschinen ein kritischer Parameter, der die Gesamtkosten beeinflusst. Die Produktivität der Maschinen ergibt sich aus dem Quotienten aus tatsächlichem Durchsatz eines Baujobs (also dem exakten Materialvolumen der gefertigten Bauteile) und der Durchlaufzeit des Baujobs (also der Zeit, die benötigt wird, um den Baujob auszuführen).

Es ist dementsprechend wichtig, die Struktur der Durchlaufzeit des Baujobs bei pulverbettbasierten Verfahren zu kennen, da sie der Schlüssel zur Optimierung der Gesamtkosten sind.

Die Durchlaufzeit umfasst:

  • Zeit für Rüsten der Maschine, Laden der 3D-Dateien und Entnahme der gefertigten Bauteile
  • Zeit, die die Maschine in der additiven Fertigung zum Vorwärmen und Abkühlen benötigt
  • Zeit, die der Laser zum Belichten und Aufschmelzen aller Bauteilflächen benötigt
  • Zeit, die das Auftragen und ggf. Aufwärmen der Pulverschichten in Anspruch nimmt
  • ggf. Zeit für die Qualitätssicherung im laufenden Baujob
Entwickeln und konstruieren von additiv zu fertigenden Bauteilen

Buchtipp

Entwickeln und konstruieren von additiv zu fertigenden Bauteilen

16.05.18 - Bei Vogel Business Media ist das Fachbuch „Entwicklung und Konstruktion für die Additive Fertigung“ erschienen. Die Herausgeber Christoph Klahn und Mirko Meboldt richten sich mit ihrem Buch vorrangig an Konstrukteure und Entwickler, die die Vorteile additiver Fertigungsverfahren für industriell einsatzfähige Bauteile nutzen wollen. lesen

Die Fertigungsszeit beim SLS-Verfahren

Betrachtet man das SLS-Verfahren, so macht die eigentliche Fertigungszeit etwa 90 % bis 95 % der Gesamtdurchlaufzeit des Baujobs aus. In dieser Zeit ist der Drucker vom Bediener unabhängig. Die Fertigungszeit besteht aus Vorwärmen der Maschine, Bau der Teile und Abkühlen. Die Zeiten für Vorwärmen und Abkühlen sind weitgehend konstant für jeden Baujob und abhängig von der Größe des Bauraums des jeweiligen 3D-Druckers. Die tatsächliche Bauphase nimmt etwa 60 % bis 70 % der Fertigungszeit in Anspruch, abhängig von Maschine und Bauraumauslastung. Für eine erste Abschätzung des Platzbedarfs eines Bauteils im Bauraum wird häufig das Hüllvolumen, auch Bounding Box genannt, verwendet.

Die Bauzeit selbst besteht bei normalem Betrieb zu 50 % aus Belichten bzw. Schmelzen und zu 50 % aus Aufwärmen bzw. Auftragen neuer Pulverschichten. Diese Angaben treffen allgemein auch auf das SLM-Verfahren zu, wobei die prozentualen Anteile zum Teil deutlich abweichen, da das Aufschmelzen des Metallpulvers deutlich langsamer erfolgt.

Abbildung 3: Vergleich der Durchlaufzeit für einen beispielhaften Baujob auf zwei verschiedenen SLS-Maschinen
Abbildung 3: Vergleich der Durchlaufzeit für einen beispielhaften Baujob auf zwei verschiedenen SLS-Maschinen (Bild: ETHZ pd|z, nach Ruffo, Tuck & Hague 2006)

Eine Reihe von technischen und betrieblichen Maßnahmen können die Gesamtkosten pro Kubikzentimeter reduzieren. Technische Maßnahmen von Seiten der Maschinenproduzenten sind, die Zeit für das Belichten und Auftragen von Pulverschichten zu verringern, ebenso wie die Vorwärm- und Abkühlzeiten. Häufig wird dies erreicht durch eine größere Zahl von Lasern und das Erarbeiten von Konzepten zum schnelleren Auftragen der Schichten. Abbildung 3 gibt einen Eindruck davon, wie deutlich die Fertigungszeit maschinenabhängig variieren kann.

Wann sich ein eigener 3D-Drucker lohnt

Bei der Eigenfertigung investiert das Unternehmen selbst in Additive-Manufacturing-Maschinen und betreibt diese direkt. Damit sich die Maschinen rentiert, ist eine hohe Kapazitätsauslastung notwendig. Zudem sollten folgende Maßnahmen berücksichtigt werden, um die Gesamtkosten so niedrig wie möglich zu halten:

  • 1. Sicherstellung einer engen Befüllung des Bauraums mit Bauteilen
  • 2. Maximierung des Anteils von tatsächlicher Belichtungszeit an der Gesamtdurchlaufzeit, beispielsweise durch eine hohe Bauraumauslastung.

Abbildung 4: Darstellung der Stückkosten als Funktion der Stückzahl von 1 oder mehr, die in einem Baujob mit SLS gefertigt werden
Abbildung 4: Darstellung der Stückkosten als Funktion der Stückzahl von 1 oder mehr, die in einem Baujob mit SLS gefertigt werden (Bild: ETHZ pd|z, nach RUFFO, TUCK & HAGUE 2006)

Beim Laserschmelzen kann eine dichte Packung nur auf der horizontalen Ebene der Maschine erfolgen, da die Bauteile bei diesem Verfahren nicht in mehreren Schichten aufeinander gefertigt werden können. Der Lasersinter-Prozess erreicht die beste Wirtschaftlichkeit, wenn die Bauteile eng gepackt in mehreren Schichten übereinander gefertigt werden. Abbildung 4 veranschaulicht die Auswirkungen von hoher Baujob-Packungsdichte auf die Stückkosten eines kleinen Hebels. Es ist zu erkennen, wie sich die Gesamtkosten weitgehend stabilisieren, nachdem die erste Schicht gefüllt ist.

Tipp: Anwendertreff LeichtbauUm Additive Fertigung, 3D-Druck-Methoden und Werkstoffe geht es auch auf dem Anwendertreff Leichtbau, der vom 4. bis 5. Dezember 2018 in Würzburg stattfindet. Weitere Themen sind die Ressourceneffizienz durch Leichtbau und praxisnahe Workshops.
Mehr Informationen: Anwendertreff Leichtbau

Für einen effizienten Betrieb von Lasersinter-Maschinen sollte dementsprechend mindestens eine dichte Ebene von Bauteilen erreicht werden. Die Diskontinuitäten im Graph ergeben sich aus der Tatsache, dass jedes Mal, wenn eine neue Schicht begonnen wird, die Gesamtzeit für das Auftragen der Schichten im Baujob steigt. Die Höhe der Bauteile in Aufbaurichtung (z-Richtung) nutzt jedoch, bedingt durch die Gestalt der Bauteile, meist nicht den gesamten zur Verfügung stehenden horizontalen Raum (x-y-Richtung) der Maschine. Dementsprechend wird der Anstieg von Zeit und Kosten des Aufbaus in die Höhe nicht vollständig auf eine neue dicht gepackte horizontale Schicht verteilt. Es ist deshalb zu empfehlen, dass die Höhe des Aufbaus so konstant wie möglich für den gesamten Baujob geplant wird. Einzelne Bereiche, die höhere z-Koordinaten erreichen, lassen die Kosten des Baujobs unnötig steigen.

Konstrukteure für 3D-Druck gesucht wie nie

Stellenmarkt

Konstrukteure für 3D-Druck gesucht wie nie

22.01.18 - 3D-Druck schafft neue Jobs: Laut einer Analyse der Jobbörse Joblift haben sich im letzten Jahr die Stellenanzeigen im 3D-Druck-Bereich fast verdoppelt. Vor allem Konstrukteure und Maschinenbauer für den Maschinen- und Anlagenbau sind gesucht. lesen

Außerdem müssen beim 3D-Druck die Faktoren Zeit und Bauteilqualität gegeneinander abgewogen werden, da höhere Qualität grundsätzlich mit einem erhöhten Zeitaufwand in der Fertigung einhergeht. Ausschlaggebend sind hier die gewählten Parameter, wie etwa die Schichtdicke. Kleinere Schichtdicken ermöglichen eine größere Detailgenauigkeit und bessere Oberflächenqualität, benötigen aber mehr Fertigungszeit und erhöhen so die Gesamtkosten. Speziell beim Lasersintern spielt außerdem der Faktor des Pulverrecyclings eine wichtige Rolle für die Baukosten. Je höher der Anteil an wiederverwendetem Altpulver, desto kostengünstiger ist der Baujob. Ein zu hoher Anteil an Altpulver kann allerdings die Fließfähigkeit beeinflussen und die Bauqualität verschlechtern oder sogar zu Defekten in den gefertigten Bauteilen führen.

Wann es sich lohnt, 3D-gedruckte Teile extern beziehen

Alternativ zur Eigenfertigung kann der Anwender auch über Dienstleister 3D-gedruckte Teile beziehen. Das ist zunächst die einfachste Methode für ein Unternehmen, um zu additiven Fertigungstechnologien einen Zugang zu erhalten. Er erfordert kein spezifisches Wissen über den Betrieb der Maschinen und auch keine im Vorfeld anfallenden größeren Investitionen. Die Entscheidung für einen Bezug über Dienstleister bedeutet für das Unternehmen zudem geringere Risiken und Preisschwankungen in der Fertigung, da die effiziente Nutzung des 3D-Druckers Aufgabe des Zulieferers ist.

Die Preise für Fremdbezug sind abhängig vom Gesamt-Materialvolumen der Bestellung wie auch von der Auswirkung der Bauteilgestalt auf die Bauraumauslastung. So können etwa raumgreifende Leichtbaustrukturen viel Platz auf der Bauplatte einnehmen, obwohl sie nur ein geringes Materialvolumen besitzen. Aufträge mit größerem Materialvolumen und höherer Packungsdichte erreichen niedrigere Preisofferten, da diese den Betrieb der Maschinen beim Zulieferer vereinfachen.

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Was man bei 3D-Druck-Dienstleistern beachten sollte

Abbildung 5: Preisangebote verschiedener Additive Manufacturing-Dienstleister bei Losgrößen von 1 und 100
Abbildung 5: Preisangebote verschiedener Additive Manufacturing-Dienstleister bei Losgrößen von 1 und 100 (Bild: ETHZ pd|z, nach BALDINGER & DUCHI 2014)

Entsprechend einer Studie aus dem Jahr 2014 können bei 3D-Druck-Dienstleistern zwei unterschiedliche Preisstrategien festgestellt werden. Die Studie vergleicht 21 Angebote verschiedener Dienstleister weltweit und unterteilt sie in zwei Kategorien:

Kategorie A (violette Ellipse):

Die 3D-Druck-Dienstleister verlangen ähnliche Preise pro cm³ bei Stückzahlen von 1 und 100. Vermutlich wollen die Zulieferer in Kategorie A eine optimale Bauraumauslastung ihrer Maschine sicherstellen, indem sie die Bestellungen verschiedener Kunden zusammenfassen. Das erlaubt es den Dienstleistern, stabile Preise pro Kubikzentimeter anzubieten.

Kategorie B (grüne Ellipse):

Die 3D-Druck-Dienstleister berechnen höhere Preise bei niedrigen Stückzahlen (zwischen 5 und 10 Euro pro cm³) als bei größeren Mengen (zwischen 0,5 und 1 Euro pro cm³). Diese Dienstleister priorisieren offensichtlich eine schnelle Lieferung und fassen Bestellungen nicht oder nur nachrangig zusammen. Die daraus entstehende Kostensituation ähnelt eher jener, die bei Eigenfertigung des Unternehmens auftreten würde, also umgekehrt proportional zur Menge des bestellten Bauteilvolumens. Weiß man um diese Strategien der Dienstleister, kann man besser planen, wo es rentabel ist, einzukaufen.

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Weitere Informationen

* * Dr.-Ing. Christoph Klahn, Leiter pdz an der ETH Zürich, Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt, Leitprofessor der ETH Zürich

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