Industrialisierung der additiven Fertigung
Teil 1

Michael Süß und Horst Wildemann

Welche Potenziale der 3D-Druck ermöglicht, ist mittlerweile in alle Ecken der verarbeitenden Industrie vorgedrungen. In den Köpfen vieler CEOs folgt dem Hype aber oft kühle Ernüchterung, wenn es im eigenen Portfolio vermeintlich keine Angriffspunkte gibt. Soll der 3D-Druck den vollmundigen Wachstumsversprechen der Additive Manufacturing (AM)-Pioniere gerecht werden, ist mehr erforderlich als inkrementelle Technologieoptimierung.

Die Wachstumsprognosen sind sportlich und die Erwartungen hoch. Experten prognostizieren bis 2021 ein jährliches Umsatzwachstum von 20 bis 30 Prozent für den AM-Markt [1]. Die verhältnismäßig junge Technologie hat es in weniger als 20 Jahren bis zum ersten industriellen Einsatz geschafft. Eine Zusammenstellung repräsentativer Use-Cases wäre im Moment der Fertigstellung aber schon wieder obsolet, denn täglich kommen neue Anwendungsfelder hinzu. Es stellt sich die Frage: Was treibt das Wachstum in die Breite und wie kann es beschleunigt werden? Eines vorweg: Eine reine Technologieverfeinerung innerhalb des Bauraumes ist es sicher nicht alleine. Es ist die Frage nach der Einbettung der Technologie in die Wertschöpfungskette [2]. Die wichtigsten Determinanten hier: die Produktivität und Erschließung attraktiver Nischen.


Die Wachstumsziele schaffen?

Nur durch Prototypentüftler und Druckaufträge im Labormaßstab sind die Marktziele nicht zu erreichen. Das Problem: Die AM-Produktion gleicht heute mehr einer vorindustriellen Manufaktur als einer effizienten Prozesskette [3]. Dies führt dazu, dass die Stückkosten nach wie vor hoch sind und sich die Anwendungsfelder der additiven Fertigung auf Spezialbereiche wie den Prototypenbau oder die Luftfahrtindustrie beschränken – also auf Bereiche, in denen die Komplexität hoch oder die Stückzahlen gering sind.

Die Skalenkurve ist flach und das heißt Folgendes: Beim 3D-Metall-Druck kommt es nicht mehr so sehr auf die großen Mengen an, da sich mit einem Drucker fast beliebig viele unterschiedliche Teile in noch so kleiner Stückzahl herstellen lassen. Im Gegenzug gibt es Komplexität fast kostenfrei [4]. Als Investitionsentscheidung wird sich der 3D-Druck aber immer im Vergleich mit konventioneller Technologie messen müssen und hier ist unsere einzige Chance, die Kostenkurve im Additive Manufacturing nach unten zu ziehen, um die Anwendungsbereiche anwachsen zu lassen. Mehr Produktivität heißt mathematisch: Weniger Kosten bei höherem Output. Das besondere hierbei – es geht um die gesamte Wertschöpfungskette.

Die heutigen Stand Alone-Maschinen erreichen nämlich bei weitem nicht die Effizienz einer automatisierten Prozesskette, wie wir sie aus der Automobilindustrie kennen [3]. Viele Anlagenhersteller haben dies erkannt und es gibt erste Ansätze, Einzelprozesse zu verketten, wie etwa beim Pulverkreislauf. Von einer Komplettautomatisierung sind wir jedoch noch weit entfernt. Wenn der Laserstrahl Schicht für Schicht das physische Replikat des digitalen Abbilds aus einem Pulverbett erzeugt, hat das durchaus etwas Majestätisches. Die Videos hierzu finden sich von allen großen Maschinenherstellern im Internet. Diese Videos bilden aber häufig nur genau diesen Abschnitt der Entstehungsgeschichte ab und das ist kein Zufall. Denn vor- und nachgelagerte Abschnitte sind höchst manuell und lassen sich kaum werbewirksam mit Industrie 4.0 in Verbindung bringen.

Sicher ist die industrielle Fertigung des Additive Manufacturing dem Stadium des Prototypenbaus entwachsen und vereinzelt existieren automatisierte Teilarbeitsschritte [5]. Was jedoch fehlt, ist die Betrachtung der kompletten Logistik und Automation der ganzen Prozesskette. Erst, wenn es durchgehende Produktionssysteme gibt, kann effiziente additive Fertigung betrieben werden – so schaffen wir auch die Marktziele. Möchte man die Entwicklungsgeschichte mit der Automobilindustrie vergleichen, könnte man sagen, stehen wir am Beginn der Linienfertigung am Anfang des 20. Jahrhunderts. Gelingt es uns, Produktionssysteme zu entwickeln, welche den kompletten Prozess von der Materialanlieferung bis zur automatisierten Qualitätskontrolle abdecken, dann ist der 3D-Druck auch in der Serie vorstellbar.


Effizienzerhöhung 

Die Druckzeit reduziert sich, wenn Maschinen mit 4 statt 2 Lasern ausgestattet werden. Das führt sicher zur Reduktion der Bauzeit, ist aber eben nur die halbe Miete auf dem Weg zur Industrialisierung. Nicht nur die bestehenden Prozesse müssen beschleunigt, sondern die Prozesskette als solche muss verändert werden – ähnlich wie Henry Ford es 1913 mit dem Fließband in Detroit geschafft hat. Das manufakturhafte Zusammensetzen von Fahrzeugen wich dort zum ersten Mal einem effizienten Fließprozess – dem Grundstein einer effizienten Massenfertigung – und ist ein echter Paradigmenwechsel. Damals verzehnfachte sich der Ausstoß in einer Fabrik auf etwa 1000 Fahrzeuge pro Tag. Das Model T wurde durch diesen Produktivitätssprung zum ersten „Volkswagen“ der USA. Die gleichen Gesetzmäßigkeiten gelten auch für die additive Fertigung.

Auch heute brauchen wir einen beherzten Sprung nach vorne. Anders werden wir in Deutschland die gute Marktposition der Marktanteil von Firmen mit Sitz in Deutschland an dem Gesamtmarkt europäischer Systemanbieter für additive Metall-Fertigung lag 2017 bei 70 Prozent nicht langfristig halten können [1].

 

Bild 1: Vergleich konventioneller Produktion und 3D-Druck


Industrialisierung in Stufen

Die Automatisierung der Prozesskette ist eine logische Schlussfolgerung. Fließprinzipien sowie Roboterunterstützung sind ein wesentlicher Hebel zur Produktivitätssteigerung. Soll die Industrialisierung den 3D-Druck vollends durchdringen, gilt es die gesamte Prozesskette abzubilden: Bauteilauslegung, Rüstprozesse, Pulverkreislauf, Post-Processing, Qualitätsmanagement und die Prozessüberwachung [6].

Sehen wir uns die Entwicklungsgeschichte anderer Industrien an, so können wir annehmen, dass sich die Industrialisierung in mehreren Stufen vollziehen wird. Es ist ein Prozess, bei dem eine logische Sequenz von Verbesserungen aufeinander aufbaut. 


Stufe 0 „Manuell geprägte Prozessabläufe 

Wir befinden uns in den frühen Phasen der Industrialisierung. Grundsätzlich funktioniert das komplette Bauteilhandling häufig nur durch menschliche Mithilfe. Dies gilt auch für den Transfer der Zeichnungsdaten, denn von der Vision, dass Maschinen gegebene CAD-Modelle einlesen und perfekte Bauteile ausgeben, sind wir noch weit entfernt. Zunächst gilt es, Modelle aus konventionellen CAD-Zeichnungsmodellen in Maschinenparameter zu übersetzen. Der momentane Arbeitsplan der Druckmaschine umfasst Angaben wie Lasergeschwindigkeit, Stromstärke oder Fahrwege [7]. Hier entscheidet das Ingenieursgeschick, ob später Verzug oder Bauteilspannungen auftreten und ob die Festigkeit des Bauteils den Anforderungen entspricht. Da kann es bei neuen Bauteilen schon mal zu mehreren Anläufen kommen, bis das Ergebnis stimmt. Dies alles verbinden wir mit Stufe 0 – die wir jedoch bereits verlassen haben.


Stufe 1 „Assistierte additive Fertigung“ 

Schauen wir in den Industriequerschnitt, befinden wir uns bei vielen Playern gerade auf dieser Stufe. Technische Systeme unterstützen den Menschen innerhalb von Teilprozessabschnitten. Die Assistenzfunktion der Technik hat hierbei zwei Dimensionen. Die menschliche Intelligenz bekommt etwa Hilfestellung bei der Stützstrukturberechnung. Die Stützstrukturen sind ein wichtiger Hebel und können später über Ausschuss und Gutteil entscheiden. Über Augmented Reality lassen sich diese Stützstrukturen dann im gedruckten Bauteil auch einfacher erkennen, was zu Erleichterungen bei der Nachbearbeitung führt. Zudem sind es einfache, händische Handgriffe, welche durch Automatisierung einzelner Prozessschritte entfallen. Das bedeutet eine Erleichterung für den Werker. Am Ende der Prozesskette kommen beim assistierten 3D-Druck stellenweise sensorbasierte Qualitätskontrollen zum Einsatz und speziell für AM hergestellte Pulver führen zu einem deutlichen Qualitätssprung.

Fazit: Auf Stufe 1 entsteht ein Flickenteppich an Assistenzsystemen, welche aber durchaus die Produktivität positiv beeinflussen.


Stufe 2  „Teilautomatisierte additive Fertigung“  

Auf Stufe 2 werden zum ersten Mal komplexere Arbeitsschritte durch Maschinen durchgeführt und Teilprozesse im Fertigungsablauf verknüpft. Bereits heute existieren Systeme, welche beispielsweise Rüstprozesse durch Roboterassistenz ermöglichen. Zudem nimmt die Spezialisierung am Anfang der Wertkette zu. Durch Simulation der Druckprozesse lassen sich zum ersten Mal in begrenztem Umfang zukünftige Druckergebnisse vorwegnehmen. Eine Interpretation der Simulationsergebnisse ist jedoch weiterhin nicht ohne das Erfahrungswissen von versierten Experten möglich. Wer einmal dem Entstehungskreislauf eines gedruckten Bauteils beiwohnte, weiß: das Metallpulver-Handling – mit Schutzanzug und Atemmaske – gehörte bisher zu den zeitintensivsten Arbeiten vor und nach einem Druckauftrag. Ein geschlossener Pulverkreislauf ohne menschlichen Eingriff ist eine Errungenschaft dieser Industrialisierungsstufe und verspricht eine deutliche Produktivitätssteigerung. Auf Stufe 2 arbeiten innovative Maschinenhersteller gerade an der Marktdurchdringung mit den eigenen Lösungen.


Stufe 3 „Hochautomatisierte additive Fertigung“ 

Auf Stufe 3 verlassen wir allmählich die Grenze der in der Breite realisierten Industrieapplikationen und bewegen uns tiefer in aktuelle Forschungsbereiche. Durch die Verknüpfung von größeren Teilprozessabschnitten durch Automatisierung lassen sich in vielen Bereichen der Prozesskette hohe Produktivitätsvorteile heben. Die Arbeitsschritte bis zum Post-Processing geschehen dann zum allergrößten Teil ohne menschlichen Eingriff. Zudem legt die Performance digitaler Helfer zu. Um die Materialausnutzung zu optimieren, sind auf diesem Level leistungsfähige Feinplanungs- und Nestingprozesse im Bereich Application
Engineering Stand der Technik. Die Bauteilauslegung profitiert von standardisierten und digital hinterlegten Gestaltungsregeln. Durch eine durchgängige Sensorunterstützung wachsen die Messpunkte an einzelnen Arbeitsstationen endgültig zu einer geschlossenen Prozesskette zusammen. Ein völliges E2E-Management ist zwar noch nicht umgesetzt, aber für einen effizienten Auftragsabwicklungsprozess mit kurzen Durchlaufzeiten wurde auf dieser Stufe der Grundstein gelegt. Trotz des hohen Automatisierungsgrades ist manuelles Handling aber weiterhin vorhanden.

 

Bild 2: Industrialisierungsstufen im Additive Manufacturing


Stufe 4 „Vollautomatisierung der Druckprozesse“ 

Auf Stufe 4 macht die Vollautomatisierung der Druckprozesse menschliche Interaktion fast völlig obsolet. Spezifisch für diese Stufe ist, dass auch die Ränder der gesamten Prozesskette in den automatisierten Ablauf integriert werden. Neben dem Bauteil-Handling erfolgen selbst das Post-Processing und die Qualitätsprüfung völlig automatisiert. Hiervon sind wir heute aber noch weit entfernt. Die Nutzung eines digitalen Zwillings wird auf Level 4 über alle Prozess-
phasen hinweg Standard sein und bietet dann die Grundlage für vollständig digital abgebildete Prozesse. Geringe Durchlaufzeiten lassen sich zudem nur realisieren, wenn auch indirekte Prozesse berücksichtigt werden. Auch dies geschieht auf Stufe 4: Die Produktionsplanung und die Auftragsabwicklung sind Teil eines automatisierten E2E-Prozesses. Haben wir Stufe 4 erreicht, bieten modulare Materialmixe schier grenzenlose Spielräume zur Anpassung an kundenspezifische Anforderungen. Pulver werden automatisch anwendungsbezogen gemischt und die Maschinen stellen sich darauf ein. Der Mensch orchestriert im Hintergrund also vollautomatisierte Druckprozesse und zieht sich aus prognostizierbaren Standardabläufen zurück.


Stufe 5 „Autonome additive Fertigung über Unternehmensgrenzen hinweg im gesamten Ökosytem“ 

Die Besonderheit an Level 5: Das System optimiert sich weitgehend selbst. Die Fertigungskette stellt ein optimiertes Gesamtsystem dar – ohne manuellen Eingriff des Anwenders. Planabweichungen werden bis zu einem gewissen Grad vom System selbst geregelt. Wir sprechen hier aber von einem Reifegrad, den wir auch in der Automobilindustrie noch nicht erreicht haben [8]. Im Sinne der Industrie 4.0 findet nämlich eine intelligente Vernetzung von Maschinen statt. Der Mensch wird zum Dirigenten der digitalen Wertschöpfungskette. Künstliche Intelligenz ist bereits im Anfangsstadium wirksam: Produktionspläne passen sich dann etwa reaktiv und antizipativ den wechselnden Anforderungen an und Werkstücke kommunizieren mit Maschinen. Für die Bauteiloptimierung stehen Qualitätsdaten der gesamten Prozesskette zur Verfügung und die Materialien machen den Sprung in die vierte Dimension: Intelligente Materialen sind dann gängige Praxis in Produktionsprogrammen.

Zugegebenermaßen ist der Weg der Industrialisierung anspruchsvoll, aber extrapoliert man die bisherigen Entwicklungen, können wir optimistisch sein. Zudem ist die Automatisierung zweifelsfrei eine urdeutsche Disziplin. Die jüngsten Produktankündigungen von EOS, Trumpf und Co. sowie Entwicklungskooperationen mit Automatisierungsherstellern stimmen zuversichtlich. Fakt ist, wir haben auch in Deutschland bereits mehrfach gezeigt, dass wir Industrialisierung stemmen können. Klar ist: Die Industrialisierung einer neuen Technologie ist eine Mammutaufgabe, aber notwendig und unvermeidbar ist sie auch.


Lesen Sie den zweiten Teil in der nächsten Ausgabe, die am 21.05 erscheint. 

Schlüsselwörter:

3D-Druck, Additive Fertigung, wirtschaftliche Betrachtung der Prozesskette, Industrialisierungsstufen, Produktivitätshebel der additiven Fertigung

Literatur:

[1] Wohlers, T.: Wohler‘s Report. 3D Printing and Additive Manufacturing State of the Industry. FORT COLLINS 2018.
[2] Scott, A.; Harrison, T. P.: Additive Manufacturing in an End-to-End Supply Chain Setting. In: 3D Printing and Additive Manufacturing 2 (2015) 2, S. 65–77.
[3] Richter, S.; Wischmann, S.: Additive Fertigungsmethoden. Entwicklungsstand, Marktperspektiven für den industriellen Einsatz und IKT-spezifische Herausforderungen bei Forschung und Entwicklung 2016.
[4] Wildemann: Leitfaden 3D Druck - Implementierung additiver Fertigungsverfahren. Teileauswahl, Wirtschaftlichkeitsrechnung, Investitions-, Fabrik- und Personalplanung, 1. Auflage. München 2019.
[5] Wildemann, H.: Eine Revolution in der Fabrik. In: FAZ.net (2018).
[6] Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren. Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion, 5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. München 2016.
[7] Daniel Küpper; Wilderich Heising; Gero Corman; Meldon Wolfgang; Claudio Knizek; Vladimir Lukic: Get Ready for Industrialized Additive Manufacturing 2017.
[8] Wildemann, H.: Digitale Disruption in der Automobilindustrie. In: TCGA (2018).Industrialization of Additive ManufacturingThe potential offered by 3D printing has now reached every corner of the processing industry. In the minds of many CEOs, however, the hype is often followed by cool disillusionment when there are supposedly no points of attack in one‘s own portfolio. If 3D printing is to live up to the full-bodied growth promises of the AM pioneers, more is required than incremental technology optimization.