Der industrielle 3D-Druck ist ein zentraler Treiber der digitalisierten Produktion und der smarten Fabrik. Unternehmensführung und Konstrukteure sind allerdings gefordert, neu zu denken: Voraussetzung für den erfolgreichen Einstieg in die Technologie ist das Know-how der Mitarbeiter. Die Entscheidung, ob und wie sie ihre Märkte und Geschäftsmodelle verändern, obliegt den Unternehmen selbst.

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Als Pioniere wie das deutsche Unternehmen EOS vor rund 30 Jahren begannen, mit der additiven Fertigung (AM = Additive Manufacturing) Konstruktion und Fertigung neu zu denken, bestimmten noch konventionelle, fertigungsgetriebene und werkzeugbasierte Verfahren Prototypenbau und Produktion vieler Unternehmen. Mit steigender industrieller Reife stießen diese jedoch immer häufiger an die Grenzen des technisch Mach­baren. Genau hier setzt das pulverbasierte industrielle 3D-Druckverfahren an, bei dem sich durch den Schicht-für-Schicht-Aufbau von Bauteilen völlig neue Freiheitsgrade für Konstruktion und Fertigung erschließen.

Zu Beginn setzten die innovativen Erstnutzer die Technologie vornehmlich zur Erstellung von Anschauungs- und Funktionsprototypen ein. Produktentwicklungen und Markteinführungen von der ersten Kon­struktionsidee zu den fertigen Prototypen lassen sich durch dieses werkzeuglose Herstellungsverfahren entscheidend verkürzen. Damit können auch die Entwicklungskosten je nach Anwendung signifikant reduziert werden.

Der Mensch bleibt neben der innovativen Technologie der zweite entscheidende Faktor.

Inzwischen hat der industrielle 3D-Druck einen Reifegrad erreicht, der Kunden die Herstellung von Endteilen in Serie ermöglicht – und sich somit zu einem industriellen Produktionsverfahren entwickelt. Die aktuellen Fertigungslandschaften stehen unter einem hohen Digitalisierungsdruck. Auch dadurch legt der industrielle 3D-Druck schnell an Dynamik zu und hat enormes Potenzial, traditionelle Geschäftsmodelle grundlegend zu verändern. Von günstigen Kunststoffteilen bis hin zu hochwertigen Metallteilen, von kundenspezifischen kleinen Produktionschargen bis hin zur Massenproduktion, von lokalen Print-Shops hin zu globalen Fertigungsnetzwerken beeinflusst die Technologie alle Branchenbereiche. Der Mensch – genauer die Transformationsfähigkeit von Managern und Ingenieuren – bleibt neben der innovativen Technologie der zweite entscheidende Erfolgsfaktor.

Klares Ziel, aber fehlendes Wissen

Bereits 2016 ergab eine von Ernst & Young (EY) durchgeführte Studie (sämtliche Quellen finden Sie über den QR-Code auf Seite 15), dass Unternehmen grundsätzlich eine klare Vorstellung davon haben, wie der industrielle 3D-Druck zu nachhaltigem Geschäftserfolg beitragen kann: Hauptvorteile aus Sicht der Befragten waren Wettbewerbsvorteile (25 Prozent), die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle (14 Prozent) und ein stärkerer Wertschöpfungsprozess (14 Prozent). Global agierende Unternehmen begannen sukzessive mit der Nutzung der Technologie, jedoch hatten drei von vier Unternehmen zum Zeitpunkt der Studie noch keine Erfahrungen damit gesammelt. Als „wesentliche Hürde für die Anwendung des 3D-Drucks“ gaben zwei Drittel der Führungskräfte eine unvorteilhafte Kostensituation an, ein Drittel nannte als Grund die fehlende hauseigene AM-Expertise.

Globale Technologiekonzerne haben das Potenzial des industriellen 3D-Drucks längst für ihr jeweiliges Geschäft erkannt, jedoch ist der Aufbau von internem Know-how und ebensolcher Erfahrung ein Schlüsselfaktor. Genau das stellt für viele Unternehmen nach wie vor eine Herausforderung dar. Entsprechende Aus- und Weiterbildungsprogramme sind im Aufbau, häufig aber noch nicht verfügbar. Gleichzeitig herrscht am Arbeitsmarkt eine große Nachfrage nach gut ausgebildeten und erfahrenen AM-Experten. Der Kampf um die besten Talente mit den entscheidenden Schlüsselkompetenzen ist in vollem Gange.

Das nötige Know-How

EOS hat es sich mit seiner bisher in der AM-Industrie einmaligen Beratungssparte „Additive Minds“ zur Aufgabe gemacht, Unternehmen bei ihrem abteilungsübergreifenden Veränderungsprozess zu unterstützen. Das Team aus erfahrenen Ingenieuren und Beratern begleitet Unternehmen vom Einstieg in den industriellen 3D-Druck über die Auswahl des richtigen Bauteils und Designoptimierungen bis hin zur industriellen Produktionsplanung und Prozessvalidierung. Lernkurven werden so beschleunigt und notwendige technische Kompetenzen für einen erfolgreichen Einsatz der additiven Fertigung aufgebaut. So können aus anfänglicher Begeisterung für die Technologie schließlich Know-how-Träger und Additive Minds werden.

Auf Basis von über 300 durchgeführten Kundenprojekten hat EOS vier Phasen identifiziert, die Unternehmen bei der Einführung des industriellen 3D-Drucks typischerweise durchlaufen. Sie brauchen in diesem Prozess häufig noch Unterstützung. Einmal erfolgreich bewältigt, kann die Technologie ihr volles Potenzial entfalten.


„Aus- und Weiterbil- dungsprogramme sind im Aufbau, aber häufig noch nicht verfügbar.“

Güngör Kara


#1: Die richtige Anwendung identifizieren

Unternehmen sollten zunächst ihr existierendes Anwendungsportfolio dahingehend überprüfen, welche Bauteile additiv hergestellt werden könnten. Geeignet sind insbesondere Teile mit einer hohen Design-Komplexität sowie einer geringen Gewicht-zu-Volumen-Ratio. Entscheidend hierbei ist ein Perspektivenwechsel, um z. B. Designoptimierungen entlang der Lebenszyklusphasen des Bauteils umzusetzen und idealerweise einen Mehrwert in den einzelnen Wertschöpfungsketten zu erzielen. Grundsätzlich hilfreich sind bei der Teileauswahl zentrale Erfolgskriterien wie die Erhöhung der technischen Leistungsfähigkeit des Bauteils, Kostenreduzierungen – für Rohstoffeinkauf, Herstellung und Working Capital – sowie zusätzliche Umsatzpotenziale basierend auf einem höheren technischen Mehrwert.

EOS hat seinen Kunden EvoBus GmbH, ein Tochterunternehmen der Daimler AG und einer der führenden Hersteller im Omnibusmarkt weltweit, beim effektiven Einstieg in die additive Fertigung für den Aufbau eines nachhaltigen Ersatzteilmanagements beraten. Gemeinsam durchlief man den Prozess der Bauteilauswahl für einen Teil der von EvoBus vorgehaltenen 320.000 Ersatzteile und identifizierte zunächst 2.600 geeignete Teile für den Einsatz des industriellen 3D-Drucks. In der ersten Projektphase wurden bereits 35 Metall- und Polymerteile additiv gefertigt und EOS unterstützte EvoBus bei weiteren Designoptimierungen. Ziel war es, die Führungsposition von EvoBus trotz steigenden Wettbewerbsdrucks weiter auszubauen, deren Rentabilität nachhaltig zu steigern und Innovationskapazitäten zu erweitern.

#2: Technologiegerechtes Design

Wurden die richtigen Anwendungen identifiziert, gilt es, die unbegrenzten Vorteile des industriellen 3D-Drucks zur Erzielung bestmöglicher Ergebnisse zu nutzen –etwa über eine technologiegerechte Design-Optimierung oder sogar Neukonstruktion des ausgewählten Bauteils. Funktionsintegration, Topologie-Optimierung oder die Erzeugung komplexer bionischer Strukturen spielen hier häufig eine entscheidende Rolle, flankiert von maßgeschneiderten Belichtungsstrategien. Für das ausgewählte Bauteil münden die technischen Verbesserungen typischerweise in einen soliden Business Case, der auch die kommerziellen und strategischen Aspekte eines Wechsels hin zur AM-Technologie beinhaltet.

EOS Additive Minds hat seinen Kunden Linde in dieser Phase begleitet. Sein Wettbewerbsumfeld ist herausfordernd, Leistung und Kostenstrukturen entlang der Wertschöpfungskette sind bei den bisher eingesetzten herkömmlichen Fertigungsverfahren ausgereizt. Das Unternehmen brauchte schnelle Ergebnisse und musste kurzfristig Design- und Fertigungskompetenz für den industriellen 3D-Druck aufbauen. In einem Workshop mit EOS wurden Bauteile für den Einsatz von AM identifiziert, u. a. ein sogenannter Hydropox-Brenner. Schnell stellte sich heraus, dass das bestehende Produkt signifikant optimiert werden konnte. Der Brenner verfügt nun über eine bessere Leistung. Gleichzeitig reduzierte sich die Zahl der Komponenten von vorher 15 auf jetzt eine, wodurch auch die Gesamtbetriebskosten sanken. Linde hat damit die Grundlage für eine kundenspezifische Massenproduktion geschaffen. Das aufgebaute AM-Know-how wurde permanent im Unternehmen verankert und ist nun auch für andere Unternehmensbereiche nutzbar.


Deutsche Unternehmen gehen beim 3D-Druck voran – Knapp die Hälfte der Unternehmen nutzt 3D-Druck bzw. plant die Nutzung

Quelle: © 2016 Ernst & Young GmbH Wirtschaftsprüfgesellschaft. KKL 1607-302

#3: Aufbau einer additiven Fertigung

Die erfolgreiche Durchführung der Vorphasen führt in der Regel zu einer strategischen Entscheidung, den industriellen 3D-Druck im Unternehmen durch den Aufbau einer additiven Fertigung zu verankern. Serien­relevante Aspekte wie z. B. eine Qualitätssicherung zur Sicherstellung wiederholbarer Bauteilqualitäten spielen in dieser Phase eine große Rolle. Zu diesem Zweck gibt es bereits heute technische Lösungen für die Echtzeit-Überwachung des Bauprozesses, z. B. durch eine Monitoring-Suite. Zudem bieten ausgewählte Lösungsanbieter spezielle Beratungs- und Trainingsdienstleistungen an.

Die ArianeGroup hat als führendes Unternehmen diese Phase erfolgreich bewältigt. Das Unternehmen produziert Einspritzköpfe für Raketentriebwerke – und damit ein entscheidendes Bauteil für Raketenstarts. Die herkömmliche Konstruktion umfasste 248 Komponenten, die in verschiedenen Fertigungsschritten – Guss, Hartlöten, Schweißen und Bohren – hergestellt und montiert werden mussten. Ziel war es, Zeitaufwand und Komplexität zu reduzieren und die Einspritzköpfe so umzukonstruieren, dass sie aus möglichst wenigen Komponenten bestehen und niedrigere Stückkosten verursachen.

Die ArianeGroup entwickelte ein neues Design, das 122 Düsen in einem Bauteil zusammenfasst. EOS unterstützte das Unternehmen bei der Erstellung eines optimalen Fertigungsaufbaus und Fabriklayouts, bei der Bauteilorientierung und Nachbearbeitung, bei der Entwicklung von Geschäftsszenarien, Risikoanalyse und Stückkostenoptimierung. Im Ergebnis konnte die ArianeGroup Kosteneinsparungen von etwa 60 Prozent realisieren, die Vorlaufzeit um etwa 80 Prozent verkürzen, eine sehr wirtschaftliche AM-Fertigung im Unternehmen aufbauen und höhere Bauteilqualitäten im Vergleich zu Guss und Schweißen erzeugen.

#4: Skalierung und Zertifizierung

Hat ein Unternehmen die ersten drei Phasen durchlaufen, kann es nun eine industrielle, vollständig skalierbare additive Fertigung im Unternehmen implementieren. Über die Validierung und Zertifizierung von eingesetzter Technologie und Werkstoffen wird ein spezifisches Qualitätssicherungssystem aufgesetzt. Robuste Prozesse im Einklang mit den vorgegebenen rechtlichen Bestimmungen und Regularien werden definiert und implementiert. Damit baut das Unternehmen solide organisatorische Abläufe auf und kann sehr flexibel auf Kundenbedürfnisse reagieren. Gleichzeitig kann der Bauprozess von den mittlerweile ausgebildeten, unternehmensinternen AM-Experten kontinuierlich optimiert und damit an steigende Erwartungen und Nachfragen angepasst werden.

Die Firma Permedica, ein italienischer Hersteller von medizinischen Implantaten, hat dies erfolgreich umgesetzt. Das Unternehmen hat die additive Fertigung eingeführt und dabei entsprechendes Know-how innerhalb des Unternehmens – insbesondere für den Metallprozess – aufgebaut. Ziel war die schnelle Entwicklung eines neuen, fortschrittlichen Hüftpfannensystems und eine Unterstützung bei der Validierung von System und Verfahren. EOS begleitete Permedica entsprechend vom Start bis hin zur Serienproduktion – mit besonderem Fokus auf Qualität, Fertigungsaufbau und Qualifizierungsprozess. Gemeinsam entwickelte man Geschäfts­szenarien und ein Design für die additive Fertigung, führte eine 360-Grad-Beurteilung, eine Betriebseignungsprüfung (OQ) und eine Produktionseignungsprüfung (PQ) durch. Nach schnellem Wissensaufbau konnte Permedica eine zügige Validierung der Anlage und des Verfahrens durchführen und seinen Marktanteil durch die Umstellung auf AM erhöhen. Gleichzeitig fand ein erfolgreicher Wissenstransfer für die Fertigung anderer Implantate statt, so etwa für Schulterprothesen und patientenspezifische Implantate.

Die Zukunft der Fertigung ist digital, additiv und integriert

Die nächste Innovationsstufe

Bereits heute ist abzusehen, dass neben der technischen Optimierung von Bauteil-Design, Prozess und Produktionsabläufen die digitale Disruption ein starker Treiber für Veränderungen sein wird. Die AM-Technologie wird die digitale Transformation ganzer Wertschöpfungsketten in vielen Unternehmen grundlegend beeinflussen. Längst bedienen additiv gefertigte Bauteile diverse Anforderungen aus unterschiedlichsten Industrien. Zukünftig gilt es, die Vorteile additiv gefertigter Bauteile weiter auszubauen, indem sie z. B. durch die Integration von Sensoren zu intelligenten Bauteilen werden. Das Ziel: eine vollständig integrierte Datenerzeugung und Sensorik, die additiv gefertigte Bauteile zu smarten, in höchstem Maße kundenspezifischen Anwendungen adelt.

Ist das intelligente Bauteil definiert und konzipiert, geht es in den nächsten Jahren um die Integration der additiven Fertigung in die höchst flexible, digitale Fabrik. Es gilt, dafür den industriellen 3D-Druck und konventionelle Fertigungstechnologien in existierenden und noch aufzubauenden Fertigungsumgebungen optimal miteinander zu verbinden. Bauteildaten liegen in einer solchen Produktionsumgebung vom Design über die Herstellung bis hin zum intelligenten Bauteil vor bzw. können über den Lebenszyklus des Bauteils gesammelt werden. Am Ende liefert die digitale Innovationskette wertvolle Informationen, mit denen iterative Verbesserungen vorgenommen werden können. In der Folge entstehen Effizienzsprünge über Unternehmensgrenzen hinweg, ganze Wertschöpfungsketten verändern sich. Damit ist die Zukunft der Fertigung digital, additiv und integriert.

Technologie als Game Changer

Die Fertigungsindustrie blickt optimistisch in die Zukunft. Ein noch stärkeres, industrieübergreifendes Marktwachstum für den industriellen 3D-Druck wird im Zuge von fortschreitendem Wissensaufbau und Mitarbeiterausbildung prognostiziert. Bis zum dritten Quartal 2018 wird der Markt für industrielle 3D-Druck-Lösungen auf über 3,7 Milliarden US-Dollar anwachsen, bis zum dritten Quartal 2025 wird der Umsatz für Polymer- und Metallsysteme auf 15,7 Milliarden US-Dollar steigen, so die Prognose von SmarTech Markets Publishing.

Gleichzeitig steigt der Innovationsdruck für Unternehmen weiter, der Wettbewerb in einer globalisierten Welt wird zunehmend härter, die Innovationszyklen entsprechend kürzer. Organisationen müssen immer schneller und flexibler auf die sich wandelnden Marktgegebenheiten und Kundenbedürfnisse reagieren. Wird jede einzelne der vier beschriebenen Phasen erfolgreich durchgeführt, können Unternehmen die Innovationssprünge auch intern meistern. Zur Erhaltung der eigenen Wettbewerbsfähigkeit müssen sie nicht nur ihre existierenden Geschäftsmodelle schützen, sondern auch neue Geschäftsfelder entwickeln. Innovative Technologien wie der industrielle 3D-Druck werden den Unterschied ausmachen in einer global vernetzten Industriewelt, in der die gewinnen werden, die die höchsten Differenzierungsmerkmale auf sich vereinen. Ein weiterer Faktor: Im Rahmen von Industrie 4.0 bestimmen Paradigmenwechsel und damit auch eine zunehmende Digitalisierung die Produktion – mit dem indus­triellen 3D-Druck als einer der zentralen Komponenten.

Damit wird die Technologie bereits heute für viele Unternehmen zum Game Changer. EOS versteht sich mit seiner Additive-Minds-Einheit als Impulsgeber und technischer Berater auf dem Weg zum gemeinsamen Ziel: die digital verknüpfte und intelligente Fabrik, in der neben dem industriellen 3D-Druck Technologien wie Sensorik, Robotik oder Maschine-zu-Maschine-zu-Mensch-Kommunikation eine Rolle spielen werden.

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www.eos.info

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