So verändert die hochentwickelte und hochwertige additive Fertigung von Metall die Ökonomie des 3D-Drucks

Benny Buller, Gründer und CEO des 3D-Drucker-Herstellers VELO3D, erklärt in einem Gastbeitrag für 3Druck.com wie die hochentwickelte und hochwertige additive Fertigung von Metall die Ökonomie des 3D-Drucks verändert.

Hersteller auf der ganzen Welt nutzen zunehmend die Vorteile der additiven Fertigung (auch Additive Manufacturing – AM – oder 3D-Druck) bei der Herstellung hochwertiger, serienreifer Metallprodukte. Erzeuger haben erkannt, dass diese Technologie das Potenzial für weitreichende Veränderungen in der industriellen Fertigung und marktbeeinflussende Leistung birgt. Hochwertige Produkte, die weder mit herkömmlicher additiver Fertigung noch traditionellen Verfahren herzustellen waren, lassen sich nun mit Leichtigkeit produzieren. Die Stabilität des AM-Verfahrens selbst mindert das Investitionsrisiko und fördert die Entdeckung und Umsetzung neuer Ideen.

Zwar lassen sich anhand der Verkäufe von AM-Ausrüstung in den letzten zehn Jahren maßgebliche Investitionen der Hersteller in die Zukunft ablesen, aber der große industrielle Fortschritt, der technische Quantensprung also, verlief nach meiner Überzeugung eher langsam und ungleichmäßig.

Das am meisten industrieorientierte und wirkungsstärkste Segment der additiven Fertigung von Metall ist wohl das selektive Laserschmelzen L-PBF (Laser Powder Bed Fusion). In diesem Bereich war der Fortschritt auf dem Weg zu massentauglicher Leistung alles andere als beständig und ermutigend. Es stimmt zwar, dass weitere Laser und eine größere Vielfalt bei den verwendeten Pulvern hinzukamen. Aber die Gestaltungsfreiheit wurde bisher immer noch durch alte Regeln, Einschränkungen und Kosten behindert. Diese “Freiheit” sollte unbegrenzte Geometrien ohne aufwendiges Nacharbeiten von Oberflächen oder mühevolles Entfernen von Support-Strukturen ermöglichen. Und sie sollte messbare Prozess- und Qualitätskontrollen in Echtzeit liefern. Bis vor kurzem stand von all dem aber einfach noch nichts zur Verfügung.

Wahre Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bedeuten, dass das erste, zehnte, hundertste Teil mit identischer Geometrie und identischen Materialeigenschaften sowohl in Oklahoma und Ohio als auch in Sevilla und Seoul auf verschiedenen selbstkalibrierenden Maschinen exakt gleich gedruckt wird. Das sind die Voraussetzungen für innovationsbasiertes Marktwachstum, das neue Kapitel, das es aufzuschlagen gilt. Echtes Wachstum, welches durch Innovation entsteht und das neue, einzigartige, weitreichende und bahnbrechende Anwendungen schafft, kann ohne reproduzierbare Herstellungsergebnisse von höchster Qualität nicht erreicht werden. Bis heute fehlte diese Dynamik größtenteils bei der additiven Fertigung von Waren.

Die folgende Feststellung mag sich hart anhören: Trotz der großen Fortschritte, solange additive Fertigung nicht genauso verlässlich, vorhersehbar und einfach funktioniert wie CNC-Bearbeitung, wird das tatsächliche Potenzial von additiver Fertigung viel zu langsam ausgeschöpft werden. Da können Luft- und Raumfahrtindustrie, Energiewirtschaft und Schwerindustrie noch so lautstark ein Konzept zur Großserienfertigung fordern.

Wie werden sich Lieferketten durch additive Fertigung in Serienreife verändern?

Es gibt drei Kernbereiche, in denen selektives Laserschmelzen von Metall der Fertigungsagilität eines Unternehmens und seiner Innovationsfähigkeit beim Produktdesign zugutekommt. Diese lauten:

1. Direkter Teileersatz von existierenden Designs, ohne Anwendung von DfAM
2. Konsolidierung von Bauteilgruppen bestehender Designs in druckbare, individuelle, multifunktionale Bauteile
3. Grundlegend neues, voll-optimiertes AM-Produktdesign

Diese drei Bereiche der Konstruktionstechnik decken den gesamten Bereich der additiven Fertigung ab. Jeder einzelne kann durch fortschrittliche additive Fertigung funktionell verbessert werden und die Wirtschaftlichkeit der Produkte entsprechend erhöhen.

Direkter Teileersatz ist zum Greifen nahe

Direkter Teileersatz ist ein Bereich, in dem sich zertifizierte AM-Prozesse (zusammen mit Richtlinien für zugelassenes Material) unmittelbar auswirken können. Zum Beispiel in der gewerblichen Luftfahrt. Diese Branche befindet sich aktuell nicht nur aufgrund pandemiebedingter Rückgänge in der Krise, sondern auch weil der Ersatz von Verschleißteilen nicht erschwinglich ist.

Die Gesundheit der Branche hängt stark von einer finanziell tragfähigeren und agileren Versorgung mit Ersatzteilen ab. Das heißt, hohe Vorabinvestitionen in Fertigungsmittel müssen vermieden werden, wenn der Ersatzteilbestand zurückgeht und die Nachfrage ungewiss oder gar rückläufig ist.

Bei Flotten mit älterem Luftfahrzeugbestand investiert man nur äußerst ungern hunderttausende von Dollar in Werkzeugbestückung für eine große Anzahl verschiedener Teile mit einer Auflage von jeweils nur fünf bis 30 Stück pro Jahr. Mit einem derart geringen Lagerumschlag lassen sich die unverhältnismäßig hohen Kapitalinvestitionen in Fertigungsmittel für neue Produkte nicht rechtfertigen.

Folglich müssen immer noch wertvolle Luftfahrzeuge am Boden bleiben, weil hochwertige, kostengünstige Gussteile für Fahrwerke, Triebwerke usw. fehlen.

Der Markt für direkten Teileersatz, in der Luftfahrt und darüber hinaus, ist mehr als bereit für Teile aus hochwertiger additiver Fertigung. Additive Fertigung ermöglicht eine agile Fertigung und digitales Bestandsmanagement, sodass angemessene Lagerbestände gewährleistet sind und somit die Unsicherheiten und Defizite im Zusammenhang mit JIT-Belieferung vermieden werden können. Additiv gefertigte Metalle sind außerdem metallurgisch hochwertiger als Gussmetalle und eignen sich daher perfekt als leistungsfähiges Ersatzteil und Lieferkettenlösung. Im Gesamtbild der Kosten zum Beispiel für den Erhalt der Flug- bzw. Betriebsbereitschaft älterer Flugzeuge oder Bohrinseln können dank der Geschwindigkeit, Flexibilität und Leistungsstärke additiver Fertigung kostspielige Ausfallzeiten vermieden werden.

Passgenauigkeit durch Konsolidierung von Teilen bestehender Designs

Die Vorzüge des direkten Teileersatzes tragen auch zu einer Senkung der Fertigungskosten für bewährte bzw. traditionelle Designs bei. Ein in die Jahre gekommenes Design hat sich oft in der Praxis bewährt. Es ist zuverlässig, von den Kunden gewünscht und in einem stabilen Geschäftssystem etabliert. Warum also seine Einzelteile konsolidieren? Wenn man einmal bedenkt, dass ein Großteil der Teilefertigungskosten, sowohl im Hinblick auf Maßgenauigkeit als auch Oberflächengüte, für optimale Kontaktflächen aufgewendet wird, dann ist eine Minimierung der Anzahl an Oberflächen der sicherste Weg zur Kostensenkung. Darüber hinaus kann eine Baugruppe wesentlich leichter und schneller in einem einzigen Druckvorgang gefertigt als aus einzelnen Komponenten zusammengestellt werden. Dies wiederum führt zu stark verkürzten Fertigungszeiten.

Die Möglichkeit, eine Baugruppe zu “elegant” gefertigten AM-Teilen zu konsolidieren, ist äußert attraktiv, weil reduzierte Kosten und kürzere Herstellungszeiten mit relativ wenig technischem Invest und Risiko erreicht werden können. Additive Fertigung ist das perfekte Verfahren für die Konsolidierung von Teilen. Besser als Gieß- und Formverfahren. Mit keiner anderen Methode ist es möglich, die Anzahl einzelner Komponenten zu minimieren und gleichzeitig mehr Funktionen und Betriebseigenschaften unterzubringen.

Ein gutes Beispiel hierfür ist die Neukonstruktion eines beliebten Triebwerks. Der Hersteller hatte sich entschlossen, seine Kostenlast zu reduzieren, indem er mithilfe einer AM-Maschine älterer Generation ein einziges Teil fertigen wollte, das zuvor aus 100 Teilen bestand. Der Erfolg war enorm. Die Kosten wurden um 50 % gesenkt und die Vorlaufzeit sogar um 90 %. Allerdings gingen dabei 30 % der Leistung verloren. Somit stellte sich folgende Frage: Könnten mithilfe moderner additiver Fertigung die spezifischen Leistungsbereiche hergestellt werden, die mit herkömmlichen AM-Verfahren und DfAM-Methoden nicht möglich waren?

Es stellte sich heraus, dass die Anpassung und Neugestaltung im Rahmen der DfAM-Grenzen herkömmlicher additiver Fertigung die Wirksamkeit des ursprünglichen konsolidierten Designs gemindert hatten. Die Leistung war zugunsten der Herstellbarkeit der konsolidierten Baugruppe im AM-Verfahren geopfert worden.

Die Lösung kam schließlich in Form eines hochentwickelten L-PBF-Druckers. Das neue Design konnte vollständig umgesetzt, Kosten weiterhin eingespart und die Triebwerksleistung mit ihren ursprünglichen Metriken wiederhergestellt werden. Natürlich kann dieses Beispiel aus der gewerblichen Luftfahrt auch für andere Branchen herangezogen werden. Die Konsolidierung von Teilen bei Altprodukten ist ein Schlüsselfaktor für Spitzenleistung und Rentabilität, denn hierdurch werden Kosten in der Lieferkette, in Produktionsstätten sowie in ERP- und MES-System eliminiert und Qualitätsmängel bei Passflächen vermieden.

Ingenieure haben verstanden, oder realisieren gerade, dass Kosten (und Qualität) bereits frühzeitig im Design festgelegt werden. Jedes einzelne Teil in einem Produkt, das ja auch in eine einzige multifunktionale Komponente integriert werden könnte, verfügt über eine individuelle Teilenummer und Existenz. Diese unnötigen Teile mit ihren Nummern durchlaufen alle Stationen – Konstruktions-, Buchhaltungs-, Einkaufs-, Fertigungs- und Planungssysteme in Richtung Endmontage, Verpackung und Auslieferung. Im Laufe des Herstellungsprozesses fallen weitere Material- und Produktionskosten an sowie externe Lieferanten, die verwaltet werden wollen. Große Einsparungen beginnen immer beim Design, mit enormen Auswirkungen auf den weiteren Prozess. Mit fortschrittlicher additiver Fertigung lässt sich dieser “Teile-Wildwuchs” vermeiden und hochwertige, konsolidierte Designs produzieren. Es hat sich erwiesen, dass additive Fertigung die kumulierten Belastungen in der Herstellung und Lieferkette reduziert und die nachgelagerten Kosten positiv beeinflusst.

Neuartiges AM-Design … ein Traum wird wahr

Noch nie war es so einfach wie heute, Kernanforderungen in konzeptionelles Design zu konvertieren. Wenn wir von einem reinen thermodynamischen, strömungstechnischen, energetischen oder strukturellen Ziel ausgehen, kann ein Design realistisch auf der Grundlage der angestrebten Leistungsgröße Gestalt annehmen, losgelöst von den Einschränkungen des CAD-Systems oder der Fertigungsmethode. Wir sprechen hier von einer noch sehr neuen Realität. Design und fortschrittliche additive Fertigung sind jetzt miteinander verwoben und ermöglichen nun die Entwicklung komplexer, sehr detaillierter Produkte, die im Hinblick auf alle wichtigen physikalischen Faktoren, welche die Leistung beeinflussen, optimiert sind.

Jetzt, da wir einen neuen Höhepunkt in der Modellierung und Simulation erreicht haben, muss additive Fertigung als Fertigungskategorie ein ebenso hohes Maß an interner Automatisierung, Vorhersehbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Serienreife erreichen wie ihr Fabrikhallen-Pendant CNC. Die alten DfAM-Regeln, auf die sich AM-Bauteilstrukturen der ersten und aktuellen Generation buchstäblich gestützt haben, müssen über Bord geworfen und die AM-Systeme überarbeitet werden. Es darf jetzt keine Verschnaufpause geben.

Der wirtschaftliche Wandel durch fortschrittliche additive Fertigung von Metall im L-PBF-Verfahren ist da und wird sowohl angestammten als auch geplanten Flugzeugentwicklungen, erfindungsreichen Luft- und Raumfahrtprojekten, kritischen Aktivitäten im Öl- und Gassektor sowie alternativen Energieprojekten – und jedem auf Höchstleistung ausgerichteten Bereich der Industrie im Allgemeinen – zu neuen Höhepunkten zu verhelfen. Mit fortschrittlicher additiver Fertigung können althergebrachte Designs dupliziert oder aber neue bahnbrechende Raketentreibstoffdüsen hergestellt werden. In jedem Fall werden neue technische Meisterleistungen vollbracht und durch skalierbare und dezentrale Fertigungsstrategien eine weitaus bessere Produktionsökonomie geschaffen. Diese Flexibilität bietet mehr Möglichkeiten, bestehende Märkte neu zu definieren, völlig neue Produktkategorien zu erschaffen und Qualitätsprodukte mit höherer Akzeptanz, mehr Nutzen für den Endverbraucher und höheren Gewinnen zu entwickeln. Wir fordern die Design-Community auf, alte Grenzen und Regeln der additiven Fertigung zu überwinden. Es wird Zeit, unsere ambitioniertesten Designkonzepte mithilfe der neuen, fortschrittlichen additiven Fertigung von Metall auszutesten.