Flexibilität und Individualisierung sind die neuen Herausforderungen für die Serienproduktion. Mit dem 3D-Druck können auch KMU besser darauf reagieren.

Bis eine Serienproduktion richtig läuft, passiert einiges. Zunächst müssen Prototypen entwickelt, getestet und verbessert werden. Dann werden die passenden Werkzeuge gebaut. Die sind meistens sehr teuer. Das alles braucht Zeit. Doch der Markt und die Nachfrage verändern sich rasant. Zusätzlich geht der Trend in Richtung Flexibilität und Individualisierung. Schnelle Anpassungen und Produktumstellungen kommen immer häufiger vor.

Die Additive Fertigung vereinfacht diese Prozesse und eignet sich sogar für eine Serienproduktion. Sie wird bereits bei Unternehmen beispielsweise aus dem Medizinsektor oder der Consumerbranche eingesetzt, um Produkte kostengünstig, inhouse skalierbar und on demand herstellen zu können. Sowohl große Produktionen als auch der Mittelstand profitiert von den additiven Verfahren. So müssen Modelle und Bauteile mit einem Desktop-3D-Drucker nicht mehr bestellt, sondern können direkt vor Ort in wenigen Stunden oder gar Minuten gedruckt werden. Mehrere zusammengeschlossene Drucker können dabei eine Produktionsstraße bilden. Der digitale Workflow hat das Potenzial, die Fertigung zu verändern und verspricht eine schnellere Markteinführung, eine höhere Flexibilität und mehr Individualisierung.

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In Branchen mit hohem Konkurrenzdruck kann die Markteinführungszeit über den Erfolg eines Produktes entscheiden. Daher ist die Entwicklungszeit von Prototypen und Endverbrauchteilen in der Serienproduktion maßgeblich. Eine traditionelle Werkzeugausstattung kann die Durchlaufzeit enorm beeinflussen sowie viel Zeit und Geld kosten. Durch 3D-Drucker können Prototypen und Endverbrauchteile meistens direkt gedruckt werden. Teure, traditionelle Werkzeuge sind oft nicht nötig. Die Markteinführungszeit verkürzt sich. Werden Werkzeuge doch benötigt, lassen sie sich mit dem 3D-Druck günstig und maßgefertigt herstellen. Ein Beispiel sind maßgefertigte 3D-gedruckte Formen für den Spritzguss. Bei einer Kleinserienfertigung (10 bis 100 Teile) ermöglichen die 3D-gedruckten Formen eine agile Fertigungsweise. Ingenieure und Designer können so Formen problemlos anpassen und Designs von funktionsfähigen Endverbrauchteilen iterieren.

Das Unternehmen Braskem entwickelte mithilfe eines 3D-Druckers und einer Spritzgießmaschine eine maßgefertigte 3D-gedruckte Form aus dem hitzebeständigen Kunstharz von Formlabs „High Temp Resin“ und fertigte pro Schuss zwei Bänder für Masken. Über das Rapid Prototyping konnte das Unternehmen tausende von Bändern für Masken herstellen und somit die globale Belegschaft in der Pandemie schützen, ohne dabei auf eine teure, outgesourcte Metallform angewiesen zu sein. Schuss folgte auf Schuss und schnell stapelte sich ein Berg aus Bändern. Ein flexibles Polypropylen mit geringer Viskosität wurde in die Form gespritzt, um den Druck im Hohlraum zu verringern und die Lebensdauer des 3D-Druckteils zu verlängern. Das Team von Braskem war erstaunt, wie Spritzguss das Potenzial von 3D-Druckern über das Rapid Prototyp­ing erweiterte und für die Serienproduktion nutzbar machte.

So reduzieren Sie die Bauteilkosten in der Additiven Fertigung

Große Investitionen in teure Werkzeuge und Fertigungsmaschinen machen die Umstellung einer Produktion behäbig und kostenintensiv. Der Flexibilität sind Grenzen gesetzt, denn kleine Änderungen und Anpassungen sind in der Serienproduktion ohne großen Aufwand kaum möglich. Für Branchen, in denen eine schnelle Anpassung auf Marktveränderungen Vorteile bringt, kommt es daher darauf an, ein geeignetes Mittel für eine flexible Herstellung zu finden. Die Additive Fertigung steht für Vielseitigkeit und Flexibilität.

Desktop-3D-Drucker sind sehr kompakt, ihre Standfläche ist etwa so groß wie ein DIN A3 Blatt. Sie können daher wesentlich leichter auf- und abgebaut werden als große Maschinen. In den 3D-Druckern von Formlabs befindet sich ein Tank, der mit einem flüssigen Kunstharz gefüllt ist. Welches Material verwendet wird, bestimmt dabei der Anwendungsbereich des Produkts. Es gibt besonders schlagresistente, flexible oder temperaturbeständige Werkstoffe. Auch für die Zahnmedizin oder den Maschinenbau gibt es spezifische Kunstharze. 

Im Unterschied zu herkömmlichen Methoden bietet die Additive Fertigung große Vorteile: Die Produkte werden in einer CAD-Software designt und können dort angepasst und verändert werden. Ein Vorteil der Desktop-Drucker: Sie erfordern keine großen Investitionen. So können Unternehmen mit wenigen Druckern beginnen und je nach Bedarf weitere weitere Geräte hinzukaufen. Im Unterschied zu großen industriellen 3D-Druckern können die Desktop-Drucker sehr schnell eingerichtet und somit schnell an die Produktion angeschlossen werden.

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Podcast: Wann kommt die Serie mit Additiver Fertigung? In der Podcast-Reihe „Wann kommt die (Groß-)Serie mit Additiver Fertigung?“ spricht Fachredakteurin Simone Käfer unter anderem mit Vertretern von HP, Oerlikon AM und VW. Druckerhersteller, Auftragsfertiger und Automobilhersteller erzählen, was aus ihrer Sicht ein 3D-Drucker können muss, damit man mit ihm Serie produzieren kann; ob Großserie überhaupt noch zeitgemäß ist, wenn man per Additiver Fertigung auch leicht individualisieren kann; oder wie sich die Additive Fertigung im Vergleich zu Spritzguss und Zerspanung schlägt. Hören Sie rein.

In der Podcast-Reihe „Wann kommt die (Groß-)Serie mit Additiver Fertigung?“ spricht Fachredakteurin Simone Käfer unter anderem mit Vertretern von HP, Oerlikon AM und VW. Druckerhersteller, Auftragsfertiger und Automobilhersteller erzählen, was aus ihrer Sicht ein 3D-Drucker können muss, damit man mit ihm Serie produzieren kann; ob Großserie überhaupt noch zeitgemäß ist, wenn man per Additiver Fertigung auch leicht individualisieren kann; oder wie sich die Additive Fertigung im Vergleich zu Spritzguss und Zerspanung schlägt. Hören Sie rein.

Schnelle Fluktuation bei der Nachfrage nach verschiedenen Produkten kann sehr problematisch für Unternehmen sein, die bereits in teure Werkzeuge investiert haben. Das macht Produktumstellungen langsam und teuer.

Der Rasierklingenhersteller Gillette hat auf den zunehmenden Druck der Direktvertriebsmarken reagiert und den Razor Maker eingeführt. Das ist eine Plattform zum Designen und zur Fertigung individuell angepasster und limitierter Griffe für Rasierer. Kunden können so online ihre eigenen Rasiergriffe gestalten. Dabei wird per Stereolithografie (SLA) gefertigt. Verschiedene Kunstharze können flexibel ausgetauscht werden. Beim Druck fließt das flüssige Kunstharz in einen Tank und wird dort mit UV-Strahlen gehärtet. Zu Beginn des Drucks fährt eine Druckplattform herunter, bis sie mit dem Kunstharz abschließt. Anschließend härtet der Laser Schicht für Schicht das Produkt aus dem flüssigen Harz. In diesem Prozess taucht die unterste Schicht immer wieder in das Kunstharz ein, sodass ein nahtloser Druck möglich ist. Mit der großen Auswahl an Druckmaterialien bot das SLA-Verfahren die idealen Voraussetzungen für den Druck von individuellen Griffen. Außerdem konnte die Produktion an den Bestelleingang angepasst werden. Wenn die Nachfrage nach einem bestimmten Design wuchs, wurde die Produktion sofort skaliert. Damit zeigt Gillette, wie sich ein Unternehmen von der Konkurrenz abhebt, indem es per 3D-Druck in Echtzeit auf die Nachfrage reagiert.

Auch Turnschuhhersteller New Balance hat sich die Möglichkeiten der Additiven Fertigung zunutze gemacht. Das eigens für das Unternehmen entwickelte Hochleistungsharz bietet als Teil der Schuhsohle die Unterstützung und Federung, die Athleten benötigen. Das Material besitzt eine fünffache Reißfes­tigkeit, die dreifache Zugfestigkeit und die doppelte Dehnung gegenüber anderen Elastomeren für die Serienproduktion. Die Herstellung neuer Kunstharze ermöglicht es New Balance, ohne zusätzliche Investitionen den 3D-Druck für die Serienproduktion zu nutzen. Mit dem betriebsinternen 3D-Druck kann New Balance verschiedene Teile des Schuhs je nach Bedarf für das jeweilige Modell drucken.

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

Die Additive Fertigung spielt eine transformative Rolle in der Serienproduktion.

* Stefan Holländer ist Managing Director EMEA bei Formlabs.

Neun neue Materialien, die für den 3D-Druck bereit stehen

Fünf neue Software-Lösungen für die Additive Fertigung

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