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ETH ZürichMaßlos über- und unterschätzt: Die Additive Fertigung

Maßlos über- und unterschätzt: Additive Fertigung wird die bestehenden Technologien zur Serienfertigung nicht ersetzen, sondern ergänzen, ist Dr. Mirko Meboldt, Universitätsprofessor für Produktentwicklung und Konstruktion an der ETH Zürich, überzeugt.

12. Januar 2016

„Die Kunst ist, die richtigen Anwendungen zu finden.“



Auf Einladung der Wirtschaftsstandort Vorarlberg GmbH sprach er bei 1zu1 Prototypen über Chancen und Risiken des 3D-Drucks.


3D-Druck ist derzeit zweifellos ein Hype-Thema. Liest man die Zeitungen, kommt ja bald alles aus dem 3D-Drucker – vom Auto über das Haus bis hin zur Nahrung. Wie lautet denn Ihre Einschätzung zu Chancen und Risiken des 3D-Drucks?

Mirko Meboldt: Additive Fertigung wird zeitgleich maßlos über- und unterschätzt. Die Chancen liegen auf der Hand: Es ergeben sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten in der Konstruktion und Logistik. Das größte Risiko ist es meines Erachtens, dass man die Möglichkeiten der Technologie für bestimmte Anwendungen falsch einschätzt. Kurz gesagt: Die Kunst ist es, die richtigen Anwendungen zu finden.

Wird die Additive Fertigung die Art und Weise, wie produziert wird, grundlegend verändern?

Meboldt: Das ist die Frage, die immer kommt: Ist die Additive Fertigung eine disruptive Innovation? Darauf gibt es keine klare Antwort. Es ist immer die Frage, was man damit macht. Es gibt Beispiele, bei denen Additive Fertigung wirklich disruptiv wirkt – zum Beispiel bei Dentalimplantaten. Da haben sich additive Verfahren inzwischen durchgesetzt.

Die Verfahren werden in den nächsten Jahren sicher kontinuierlich günstiger. Heute sind sie noch sehr teuer. Das heißt, man muss Anwendungen finden, wo der Nutzen den hohen Preis legitimiert. In diesen Nischen setzen sich die Technologien durch – und diese Nischen werden wachsen.

Bei 1zu1 Prototypen gibt es immer mehr Anfragen bei denen versucht wird, bestehende Fertigungsprozesse durch additive Verfahren zu ersetzen. Das rechnet sich fast nie.

Meboldt: Die additiven Verfahren brauchen kein Tooling, arbeiten also werkzeuglos. Sie haben deshalb einen Prozessvorteil bei Zeit und Kosten. Deswegen nützt man diese Verfahren schon seit 20 Jahren im Prototypenbau. Konstruiert wird dabei aber immer für ein anderes Verfahren, das später in der Serienfertigung zum Einsatz kommt. Ich konstruiere also beispielsweise ein Gussteil. Das additive Fertigungsverfahren nutze ich nur, solange ich die Werkzeugform noch nicht habe und das Design noch nicht zu hundert Prozent feststeht.

Wenn ich additive Verfahren in der Serienfertigung einsetze, kann ich auch Designvorteile nutzen. Ich kann Geometrien realisieren, die nur mit diesen Verfahren möglich sind. Bei den bekannten Erfolgsbeispielen für Additive Fertigung – etwa einem kleinen Fräser mit innenliegender Kühlung von MAPAL – wird genau dieser Designvorteil genützt.

Das heißt: Man kann bestehende Bauteile nicht einfach kopieren, sondern muss die Konstruktion und die Wertschöpfungskette her von Grund auf neu denken. Es würde ja auch niemand auf die Idee kommen, ohne eine Anpassung der Konstruktion aus einem Drehteil ein Gussteil zu machen. Es gibt immer die Aufgabe, dass man die Vorteile des Fertigungsverfahrens in die Konstruktion und die Gestaltung integrieren muss.

Die Preise für 3D-Druck fallen kontinuierlich. Es wird also immer interessanter, dieses Verfahren einzusetzen.

Heute stehen die meisten Unternehmen vor der Herausforderung, dass sie diese Technologie zwar kennen, aber nicht wissen, wo sie sie sinnvoll einsetzen können. Man muss also erst das Einsatzgebiet finden, wo die Technologie wirklichen Mehrwert generiert. Das ist ein Lernprozess.

Bei den Firmen, die weltweit führend in der Additiven Fertigung sind, wird immer General Electric genannt. Dieser Konzern setzt solche Bauteile zum Beispiel bei Einspritzdüsen von Flugzeugtriebwerken schon heute erfolgreich ein. Die sind aber seit über zehn Jahren dran und haben eine wirkliche Lernkurve durchgemacht. Viele Unternehmen unterschätzen diesen Aufwand.

Diesen Lernprozess müssen in erster Linie die Entwickler durchmachen.

Meboldt: Genau. Dabei geht es im ersten Schritt nicht um das Konstruieren selbst. Viele Dienstleister und Fachhochschulen bieten im Moment Konstruktions-Schulungen an. Das ist aus meiner Sicht kein zielführender erster Schritt. Entscheidend ist zu beurteilen, wo die Technologie Wertschöpfung generieren kann. Die Anzahl von Personen, die tatsächlich für die Additive Fertigung konstruiert, ist meist sehr gering. Auch heute schon sitzen die Experten für bestimmte Produktionsverfahren wie Spritzguss meist bei den Zulieferern.

Für mich ist das Wichtigste: Die Firmen müssen verstehen, wann und wo die Technologie sinnvoll eingesetzt werden kann. Dann können sie zum Experten gehen, um mit ihm das Bauteil zu entwickeln, wenn sie das Know-how noch nicht im Unternehmen haben.

Wie können Unternehmen erkennen, welche Bauteile sich für die additive Fertigung eignen?

Meboldt: Wir haben dazu gemeinsam mit dem Schweizer Branchenverband für Maschinenbau SWISSMEM ein Vorgehen entwickelt. Dabei begleiten wir die Unternehmen, die infrage kommenden Teile zu identifizieren und in möglichst kurzer Zeit ein erstes Projekt aufzusetzen. Wenn ein Unternehmen diesen Weg gegangen ist, ist der Keim eingepflanzt. Dann kommt meistens ein paar Monate später das zweite, dritte und vierte Teil.

Für kleine Unternehmen ist der Einstieg vermutlich noch schwieriger?

Meboldt: Wir arbeiten mit vielen KMU zusammen. Die können es sich nicht leisten, viel Zeit und Energie zu investieren, ohne dass ein direkter Mehrwert im Produktportfolio entsteht. Deshalb schlagen wir vor, kleine Schritte zu gehen und immer Projekte aufzugleisen, die eine kurze Laufzeit und klare, messbare Ergebnisse haben. Das stärkt auch das Vertrauen in die Technologie.

Wie gehen Sie dabei konkret vor?

Meboldt: Wir beginnen damit zu überlegen, wo wir die Technik einsetzen können. Die Unternehmen entwickeln in Begleitung bis zu 80 Ideen für additiv gefertigte Lösungen und Bauteile. Dann geben wir den Entwicklern ein systematisches Feedback, warum welches Teil geeignet oder nicht geeignet ist. So lernen die Mitarbeiter im Unternehmen, die Technologie in Bezug auf ihre eigenen Einsatzfelder einzuschätzen. Am Schluss wählen wir dann das vielversprechendste Teilsystem oder Bauteil aus, das im nächsten Schritt realisiert wird.

Welche Kriterien gibt es denn bei dieser Auswahl?

Meboldt: Da gibt es neben der technischen Machbarkeit zwei Aspekte: Ich kann einen Anbieternutzen generieren, weil verkürzte Wertschöpfungszyklen und kostengünstige Kleinserien möglich werden. Auch eine digitale Wertschöpfungskette von der Konstruktion bis zur Produktion wird möglich. Auf der anderen Seite kann ich durch additiv gefertigte Produkte Kundennutzen schaffen: Effizienzsteigerung, höhere Wartungsfreundlichkeit, Individualisierung.

Im Idealfall finden wir Anwendungsbereiche, wo durch Additive Fertigung sowohl Anbieter- als auch Kundennutzen entsteht.

Wagen Sie zum Abschluss noch einen Blick in die Zukunft?

Meboldt: Es gibt ja nicht „die Additive Fertigung“ oder „den 3D-Druck“. Es gibt weit über 300 kommerzielle Materialien für 3D-Druck in über einem Dutzend Prozessen. Man muss die Entwicklung der Technologie immer spezifisch für jedes Verfahren beurteilen.

3D-Druck hat in den vergangenen 20 Jahren Einzug in die Fertigung von Prototypen gehalten. Jetzt werden die Verfahren zunehmend für Endkundenteile genutzt. Dieses Einsatzfeld wird sehr, sehr stark wachsen und die Additive Fertigung wird zunehmend zu einem Innovationstreiber und einem Verfahren für hoch wettbewerbsfähige Lösungen. Aber jedes Bauteil, das ich drehen, fräsen oder gießen kann, wird auch in Zukunft besser und günstiger sein, wenn ich es drehe, fräse oder gieße.

Zu allererst muss man verstehen wie man aus dem 3D-Druck Wertschöpfung generieren kann. Dies geht einher mit viel Kreativität und neuen Lösungen in der Konstruktion und in den Wertschöpfungsketten. Zu sagen, dass Teile, die heute konventionell hergestellt werden, zukünftig additiv produziert werden – das ist Träumerei.

Vielen Dank für das Gespräch.
 


Im Gespräch: Prof. Dr.-Ing. Mirko Meboldt ist ordentlicher Professor für Produktentwicklung und Konstruktion an der ETH Zürich. Das Gespräch im Dezember 2015 führte Wolfgang Pendl, Darko Todorovic fotografierte.


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