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Additive Manufacturing generiert neue Geschäftsmodelle

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Mitte Mai trafen sich zum neunten Mal Experten und Neueinsteiger auf der Messe in Erfurt um sich auf der Rapid.Tech über den aktuellen Stand und den zu erwartenden Weg des Additive Manufacturing (AM) zu informieren und auszutauschen. AM, in den Medien immer häufiger simplifiziert als „3D Drucken“ bezeichnet, ist eine Querschnitttechnologie, die sich in vielen Anwendungsbereichen längst vom bloßen Rapid Prototyping verabschiedet und zu einem Fertigungsverfahren mit besonderen Eigenschaften entwickelt hat. Mit weitreichenden Folgen für die Produktentwickl

Additive Manufacturing – Kraftverstärker einer neuen industriellen Revolution?

Die Globalisierung hat nahezu uneingeschränkte, offene Waren-, Finanz- und Dienstleistungsmärkte hervorgebracht. Mit weitreichenden, oft ambivalenten Folgen: Die Verlagerung ganzer Produktionsbereiche in Niedriglohnländer bringt den Endkunden Preisvorteile, erzeugt jedoch in vielen Branchen einen enormen Preisdruck, mit gravierenden Folgen für die Wirtschafts- und Sozialstrukturen in vielen Regionen. Die neuen Informationstechnologien (IT) scheinen diesen Trend noch zu forcieren: Geistiges Eigentum (Intellectual Property: IP) existiert fast nur noch auf dem Papier, längst überrollt von der schier allgegenwärtigen elektronischen Verfügbarkeit. Produktpiraterie bedroht auch viele Hochtechnologie-Unternehmen. Außerhalb von sich dynamisch beschleunigenden Zirkulationsprozessen und zunehmender Polarisierung der Produktion gewinnen gegenwärtig aber auch Dezentralisierung und Effizienz als Wirtschaftstreiber an Fahrt.

Jeremy Rifkin, US-amerikanischer Soziologe und Berater der Bundesregierung, bezeichnet diese Entwicklung gar als „Die dritte industrielle Revolution“. Im gleichnamigen Buch skizziert er die Wirtschaft im postfossilen bzw. -atomaren Zeitalter. Rifkin koppelt Energie- und Informationstechnologie und stellt fest: Immer wenn es gleichzeitig bei beiden zu Entwicklungssprüngen kommt, findet eine industrielle Revolution statt. Gegenwärtig gehen regenerative, dezentrale Energieerzeugung und IT aufeinander zu und legen mit „smart grids“ und elektronischen Effizienzwerkzeugen die Basis für die neue Energieversorgung. Bei diesem wirtschaftlichen Umgestaltungsprozess spielt, so Rifkin, AM eine wichtige Rolle. Er bemerkt, dass auch für Additive Manufacturing sowohl Energie- und Materialeffizienz als auch dezentrales Produzieren in digitalen Netzen charakteristisch sind. Generative Fertigung kommt mitunter mit nur einem Zehntel an Material und Energie aus. Wenn in Zukunft 3D-Drucker flächendeckend verbreitet sind, spart der Wegfall von Liefer- und Transportwegen weitere Kosten und Energie ein. Gekoppelt mit neuer dezentraler, Rifkin spricht von demokratisierter Energieversorgung, Informationsvermittlung und Marketing wird AM also eine wesentliche Rolle spielen beim Umbau der industriellen Wirtschaft und somit notwendigerweise zu neuen Geschäftsmodellen führen.

Additive Manufacturing: Wachstumstreiber für die Wirtschaft

Dr. Phil Reeves, Wirtschaftsanalyst, Berater und diesjähriger Keynote Speaker der Rapid.Tech machte in Erfurt anhand von sechs wichtigen Merkmalen das ökonomische Potenzial von AM deutlich und diskutierte, wie daraus neue Geschäftsmodelle entstehen. Gerade für die Kleinserienfertigung sind generative Verfahren bestens geeignet: Das Herstellen von Werkzeugen sowie finanzielle Investitionen werden eingespart und Lieferwege und -zeiten verkürzt. Die nahezu uneingeschränkte gestalterische Freiheit, die AM erlaubt, ist ein weiteres großes Plus: Höchst komplexe, oftmals bislang nicht realisierbare Geometrien sind möglich, ohne hohe Kosten. Außerdem, so führte Reeves aus, lassen sich mit einem Arbeitsprozess gleich mehrere Funktionalitäten des Bauteils ausführen. Gut bekannt ist mittlerweile der vierte wichtige Aspekt: Das Personalisieren von Produkten.

Ob medizintechnische Elemente, Konsumgüter, Kunsthandwerkszeug oder online skalierbare oder zu designende Objekte – die Individualisierung ist eine besondere Stärke der Schichtbauverfahren. Die Nachhaltigkeitsaspekte von AM werden in den kommenden Jahren zunehmend in den Mittelpunkt rücken. Im wesentlichen sind sie mit der Leichtbauweise verbunden, durch die sich generative Fertigungsverfahren besonders auszeichnen. Sie erlaubt enorme Kosteneinsparungen bei Energie und Material. Phil Reeves belegte dies sehr eindrucksvoll am Beispiel eines Kabinenelements in Passagierflugzeugen, das zum Aus- und Einklappen von Monitoren dient. Konventionell produziert wiegt dieser Aluminiumarm 0,8 kg. In der endgültigen Gestalt mit Lasermelting (SLM) hergestellt, ist sein Gewicht 0,37 kg. Betrachtet man seine Lebenszyklusanalyse werden die ökonomischen und ökologischen Vorteile des AM besonders deutlich: Aufgrund des um ein Vielfaches geringeren Materialverbrauches bei der Fertigung werden schon bei der Herstellung des Materials auch nur weniger als 20% an Energie gebraucht.

Beim Fertigungsprozess selbst ist der Energieaufwand beim Laserschmelzen allerdings rund viermal so hoch. Dieser Nachteil wiegt jedoch gering bei der Gesamtbetrachtung des „CO2-Fußabdrucks“ von Material und Produktion: Bei maschineller Bearbeitung beträgt er 102 kg CO2, mit SLM nur 25 kg CO2. Für den gesamten Lebenszyklus durchgerechnet, vom Materialaufwand über die Nutzung bis hin zum Recycling, entspricht der CO2-Fußabdruck des SLM-Fabrikats nur 46% des konventionell hergestellten.

Für den Auftraggeber, Virgin Airlines, war die Entscheidung für AM jedoch keine Frage eines ökologischen Images, sondern betriebswirtschaftlich geleitet. Dank der Leichtbauweise rentiert sich das SLM-Fabrikat über die Kosteneinsparung für Treibstoff bereits nach 2 Jahren. Bei einer Nutzungsdauer von 5-7 Jahren bringt die Investition also eine außerordentlich gute Rendite. Schließlich wies Reeves auch auf veränderte Vertriebsstrukturen hin, als Folge der neuen, digitalen Produktions- und Kommunikationswege: So verändern sich Lieferketten radikal und dank Inhouse-Produktion entfällt ein Großteil der Lagerhaltung. Trotz derzeit exponentiell steigender Verkaufszahlen bei AM-Maschinen kann, so Reeves, jedoch noch nicht von einer Revolution die Rede sein. Dafür ist die Anwendung noch nicht stabil genug, unter anderem gibt es in der Qualitätssicherung- und Bewertung sowie bei der Prozesssteuerung, den Eigenschaften von Oberflächen und Material noch zu große Unsicherheiten.

Qualität im Fokus der Anwendertagung

Die Qualitätssicherung ist eines der vornehmsten Probleme im gegenwärtigen Entwicklungsprozess der generativen Fertigungsverfahren. Schichtbauverfahren werden sich nur durchsetzen, wenn auch bei Losgrößenproduktionen > 1 eine gleichbleibende Qualität der Werkstücke gewährleistet ist. Mindestens gleich hoch sind auch die Anforderungen an die Qualitätssicherheit bei Losgröße 1, denn hier droht unter Umständen ein totaler Produktionsausfall. Qualitätsbewertung, Qualitätssicherung und Qualitätsmanagement bildeten die Schwerpunkte der zweitägigen Anwendertagung. In den Vorträgen ging es um Prozessüberwachung, neue Anwendungsfälle und Werkzeuge.

Thomas Reinhardt von der Universität Duisburg-Essen stellte in seinem mit Prof. Dr. Gerd Witt konzipierten Vortrag ein Kennzahlensystem zur Qualitätsüberwachung und -bewertung von generativen Fertigungsverfahren vor. Dabei wurden zunächst Anforderungsprofile definiert, die in Form einer Prüfkörpergeometrie abgebildet werden. Das Prüfen der Profile eines gefertigten Prüfkörpers erfolgt mit Hilfe definierter Mess- und Prüfverfahren. Als Bewertungsmaßstab der Profile wurden Einzelkennzahlen eingeführt. Eine Zusammenführung zu einem gesamtheitlichen Kennzahlensystem bewertet den Prozess anhand der definierten Anforderungsprofile. Im Ergebnis können Aussagen über die Qualität des Prozesses bzw. des generativ gefertigten Bauteils getroffen und mögliche Störeinflüsse eindeutig identifiziert werden.

Print it out, Scotty!“ – AM in der Luft- und Raumfahrt

In Extremsituationen wie in Unterwasserstationen oder auch in Forschungs- und Erkundungscamps in der Antarktis bieten 3D-Drucker bislang nicht mögliche Lösungen für die Ersatzteilbeschaffung. Die Problematik ist mittlerweile einem Millionenpublikum bekannt durch den Fall der Apollo 13-Mission, deren fatales Scheitern nur dank eines mit Bordmitteln gebastelten Bauteils verhindert werden konnte. NASA und ESA planen für die Zukunft Langzeitflüge, eine bemannte Marsexpedition ist das ehrgeizige Ziel. Im Rahmen des zweiten Fachforums „Luftfahrt“ stellte Jürgen K. von der Lippe aktuelle industrielle Experimente vor, bei denen in Parabelflügen die Anwendung von AM in Schwerelosigkeit getestet werden. Ebenso wenig Science Fiction war der Vortrag von Marina Wall vom Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn.

Darin griff sie das Kernthema der diesjährigen Rapid.Tech auf und referierte über das Spannungsfeld Technology Push (Weiterentwicklung der Verfahren) und Market Pull (Marktanforderungen) für die Zukunft des Direct Manufacturing (DM). Ihr Institut nutzt die Szenariotechnik, um zukünftige DM-Anwendungen in der Flugzeug-, Automobil- und Elektronikindustrie vorauszudenken. Die Synchronisation von Market Pull und Technology Push erfolgt in Innovationsroadmaps, die aufzeigen, wann die Verfahren die Anforderungen erfüllen werden und die damit identifizierten Erfolg versprechenden Anwendungen realisiert werden können.

Die Digitalisierung der Zahntechnik verändert Wertschöpfungsketten

Die Digitalisierung sowohl im zahntechnischen Labor als auch in der Zahnarztpraxis nimmt aktuell rasant zu. Der Technologiewandel innerhalb der Dentalwelt führt zu einer Veränderung der Prozess- und somit auch der Wertschöpfungsketten. Das vierte Fachforum „CAD/CAM und Rapid Prototyping in der Zahntechnik“ informierte zwei Tage lang umfassend über den aktuellen Stand und neue Trends. Die Prozesskette von der Abformung bis zur Eingliederung einer prothetischen Restauration ist ein Beispiel für den Wandel. Stefan Richter (Concept Laser GmbH) und Dr. Jürgen Lindigkeit (Dentaurum GmbH & Co. KG) betonten in ihrem Vortrag, dass es beim Einsatz bewährter Materialien immer darauf ankommt sie in einen geeigneten Prozess einzubinden. Sie beschrieben neben den Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten der langjährig bewährten Dentallegierungen remanium® star CL (CoCr) und rematitan® CL (Ti- Legierung) in Pulverform auch die wirtschaftliche und präzise Herstellung von dentalen Prothetikgerüsten mit dem generativen LaserCUSING®-Prozess. Die gesamte digitale Prozesskette von Oral-Scan, CAD/CAM-Design und 3D-Druck stellte Andreas Langfeld (Objet GmbH) vor. Er erläuterte wie Dentallabore ihren Geschäftsbereich durch den Einsatz von 3D-Druckern erweitern und sich damit Wettbewerbsvorteile verschaffen können.

Mensch und Material: AM optimiert Qualität und Biokompatibilität von Implantaten

Das dritte Fachforum „Medizintechnik“ illustrierte einen weiteren Anwendungsbereich, in dem generative Fertigungsverfahren mit großem Erfolg eingesetzt werden. Generativ hergestellte, kontur- und steifigkeitsangepasste Implantate zur Überbrückung von Knochendefekten weisen durch ihre individuelle Anpassung Vorteile gegenüber den derzeit verwendeten standardisierten Osteosyntheseplatten oder Vollkörperimplantaten (in Guss- oder Fräsverfahren hergestellt) auf. Philip Sembdner, Christine Schöne und Ralph Stelzer von der TU Dresden stellten in ihrem Beitrag eine Methode vor für die Rekonstruktion eines Knochendefekts auf Grundlage bereits bekannter Schnittkonturen.

Diese Konturen werden mathematisch über geometrische Formen beschrieben und an den individuellen Patientenfall angepasst. Alexander Bonke (FIT Fruth Innovative Technologien GmbH) beschäftigte sich in Erfurt mit konstruktiven bionischen Grundlagen von Implantaten und ihrer Umsetzung. Die Natur baut Körper aus Gitterstrukturen auf. Durch dieses funktionsgetriebene Gestalten jeder einzelnen Form entsteht eine effiziente Energie- und Materialausnutzung. Jede Struktur muss den Anforderungen, die durch die natürliche Umgebung vorgegeben werden, gerecht werden. Die natürliche Bauteilgeometrie besteht am Ende aus der Kombination der verschiedenen Funktionen bzw. Strukturen. Durch die Verwendung von additiven Fertigungstechnologien kann diese natürliche Bauweise effizient für funktionelle Konstruktionen sowohl in Kunststoffen als auch in Metallen genutzt werden.

Die Natur „dachte“ zuerst daran: Bionisches AM-Design konstruktiv vordenken

Die Natur erschafft aus einem sehr begrenzten Materialpool mittels vielfältiger Strukturvariationen Körper mit völlig unterschiedlichen Materialeigenschaften. Dank additiver Fertigung ist es möglich, sich der limitierenden Denkweise der konventionellen Fertigung – körperorientiertes Design – zu lösen. An ihre Stelle tritt der Natur nachempfundenes, funktionsorientiertes Design, das den Bauteilanforderungen gerecht wird. Mit einem Beitrag und einem Workshop, beide geleitet von Prof. Dr. Bernd Hill (IWM GmbH), stand „angewandte Bionik in systematischen Produktentwicklungsprozessen“ im Mittelpunkt des Konstrukteurstags.

Hills Grundthese lautet:“Viele Probleme, an denen Ingenieure aus den verschiedensten Bereichen arbeiten und nach Lösungen suchen, hat die biologische Evolution in ihren Systemen längst mit Erfolg auf ihre Weise gelöst. Jeder Konstrukteur, Ingenieur oder Designer sollte deshalb von vornherein die Natur nach ihren Lösungen befragen, wenn es um die Lösung eines vergleichbaren technischen Problems geht.“ Bernd Hill stellte die natur-orientierte Innovationsstrategie zur Zielbestimmung und Lösungsfindung mit Katalogen von Naturprinzipien vor. Damit wird den Konstrukteuren eine effiziente Vorgehensweise und wirkungsvolle methodische Orientierung bei der Lösungsfindung an die Hand gegeben. Sie verkürzt Produktentwicklungszyklen und gibt den Unternehmen die Möglichkeit, schneller auf Markt- und Kundenanforderungen reagieren zu können.

Rapid.Tech generiert Benfits für Aussteller, Teilnehmer und Besucher

Seit 2004 bietet die Kongressmesse Rapid.Tech einen einzigartigen Raum für die Präsentation neuer Verfahren, Maschinen und Anlagen, vermittelt einschlägiges Fachwissen und diskutiert Lösungen für Anwendungen von Additive Manufacturing in unterschiedlichen Branchen. Der Erfolg der diesjährigen Auflage gibt den Veranstaltern für ihr Konzept Recht: Ein Besucherplus von 8 Prozent, ein Zuwachs bei den Ausstellern von rund 20 Prozent. Die Zuhörer finden das Konzept gelungen: „Die Rapid.Tech bietet einmalige Möglichkeiten, sich über additive Methoden zu informieren.“ Ein anderer Teilnehmer hob hervor, dass „… die Rapid.Tech auch für Neueinsteiger sehr interessant ist. Die thematische Strukturierung macht die gezielte Auswahl der Vorträge leicht.“ Stellvertretend für die Aussteller äußerte sich Rainer Valter von der Sescoi GmbH: „Die Resonanz steigt von Jahr zu Jahr. Verkaufen, neue Kundenkontakte, das Unternehmen präsentieren: Alles, was wir uns vorgenommen haben, haben wir auf der Rapid.Tech erreicht.“ Erstmals gab es eine kleine Ausstellungsfläche, auf der kostengünstige 3D-Drucker gezeigt wurden und Neueinsteigern auf Anhieb das Prinzip des AM verständlich machten.

Die 10. Rapid.Tech findet vom 14. bis 15. Mai 2013 statt. Weitere Informationen: www.rapidtech.de

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