Tim Heinig

Meine Reise in die Welt des 3D-Drucks begann etwa im Jahr 2010, als ich in der Fernsehsendung „Galileo“ zum ersten Mal von dieser Technologie erfuhr. Zumindest so lautet meine erste Erinnerung an den 3D-Druck, auch wenn der genaue Moment des ersten Kontakts unklar bleibt. Damals wurde der 3D-Druck als Revolution der Fertigung gefeiert, als eine Science-Fiction-Technologie, die die kühnsten Träume der Menschheit in der Produktion wahr werden lässt. Gedruckte Organe, Autos und Häuser, der Replikator aus Star Trek schien plötzlich Realität zu werden. Da mich Fertigung und Ingenieurwesen schon immer fasziniert haben, war ich sofort begeistert vom Potenzial des 3D-Drucks. Etwa um das Jahr 2014, als ich mich zunehmend auf meinen beruflichen Weg im Maschinenbau konzentrierte, kam ich immer häufiger mit additiv gefertigten Bauteilen in Berührung und begann, meine eigenen Teile zu drucken. Doch meine anfängliche Begeisterung wandelte sich bald in Zweifel. Große Toleranzen, raue Oberflächen, eigenartige Ästhetik und schwache mechanische Eigenschaften waren typisch. Perfekt für Rapid Prototyping, aber kaum geeignet für die Serienfertigung hochwertiger Produkte oder industrieller Komponenten. Gleichzeitig erkannte ich jedoch das enorme Potenzial der additiven Fertigung. Sie ist schnell bei kleinen Stückzahlen, vergleichsweise einfach zu bedienen und eröffnete völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten. Der Kontrast zwischen den Schwächen und Stärken hätte kaum größer sein können. Ich beschloss daher, die Schwächen der additiven Fertigung anzuerkennen, mehr über die Technologien zu lernen und im besten Fall zur Weiterentwicklung dieser Fertigungsmethoden beizutragen. So begann mein persönlicher Weg zurück zur Begeisterung und zum Glauben an die additive Fertigung.

Ich könnte an dieser Stelle viele detaillierte Beispiele nennen, an denen die additive Fertigung noch ihre Schwächen zeigt. Doch genau hier beginnt bereits das erste große Problem: Es handelt sich nicht um eine einzige Technologie. Der Fehler liegt darin, dass viele den 3D-Druck oder die additive Fertigung als einheitliches Verfahren betrachten. Sicherlich ähneln sich die grundlegenden Prozesse, doch das ist bei anderen Fertigungsverfahren ebenfalls der Fall und selbst dort bestehen oft größere Gemeinsamkeiten. Niemand würde etwa Fräsen und Sägen als dasselbe Verfahren bezeichnen, obwohl beide spanend arbeiten. Die zwei wirklich großen Probleme beginnen jedoch schon früher. Zum einen wurden aus der Branche der additiven Fertigung über viele Jahre hinweg und zum Teil leider auch heute noch Marketingübertreibungen und unrealistische Erwartungen zu den Verfahren und deren Möglichkeiten verbreitet. Das hat dem Vertrauen in die Technologie geschadet. Zum anderen fehlt in vielen Unternehmen nach wie vor das notwendige Know-how, um die Verfahren sinnvoll einzusetzen. Häufig wird versucht, Bauteile zu drucken, die in additiver Fertigung keinen funktionalen oder wirtschaftlichen Sinn ergeben. Sind diese beiden Grundlagen nicht erfüllt, spielen technische Details kaum noch eine Rolle. Viele Projekte und damit auch die additive Fertigung selbst scheitern bereits an diesen beiden Punkten, bevor überhaupt über Präzision, Materialeigenschaften oder Prozessparameter gesprochen werden kann.

1. Idee Erfolgreiche additive Fertigung beginnt lange vor der eigentlichen Fertigung. Der erste Schritt ist die richtige Idee, sicherlich eine Feststellung, die auf so ziemlich alles zutrifft. Allerdings zeigt die Erfahrung, dass bereits hier die additive Fertigung oft scheitert. Das liegt meist daran, dass neue Probleme oftmals nur mit alten Lösungen betrachtet werden. Ein Umdenken ist zwingend erforderlich. Eine erprobte Vorgehensweise, wie das gelingen kann, zeigt dieses Whitepaper. 2. Konzept Aus eigener Erfahrung scheitern Projekte für die additive Fertigung trotz guter Idee oft an der konzeptionellen Umsetzung. Für eine zielführende Konzeption ist ein Grundwissen über die additive Fertigung erforderlich. Hierzu müssen Mitarbeitende nicht in jedem additiven Fertigungsverfahren Expertinnen und Experten werden, aber einen groben Überblick über die Eigenschaften, Vorteile und vor allem auch Nachteile haben. Nicht alles muss oder sollte gedruckt werden! 3. Technische Realität Steht das Konzept, geht es an die Umsetzung. Hierbei dürfen keine Anforderungen unter den Tisch gekehrt werden und der vollständige Produktionsprozess, vor allem auch das Post Processing, muss realitätsnah betrachtet werden. Dazu gehört auch, Teile der erstellten Konzepte aufgrund der Industrialisierung wieder zu verwerfen oder mit alternativen Fertigungsverfahren umzusetzen. Zugegebenermaßen scheitert dieser Punkt meist an der Branche der additiven Fertigung selbst, da sie nicht oft genug Nein sagt. Sollten Punkt 1 und 2 nur mittelmäßig umgesetzt worden sein, kommen die Projekte hier meist an einen Punkt, an dem es nicht weitergeht. 4. Mut Viele der additiven Fertigungsverfahren sind zwar deutlich weiter entwickelt, als viele denken und eine Serienproduktion wirtschaftlicher Bauteile ist definitiv möglich. Dennoch sind die Verfahren noch relativ jung im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren und damit immer noch eine innovative Produktionsmethode. Bei manchen Projekten sind neue Lösungen, Eigenentwicklungen oder Zertifizierungen erforderlich. Dieser wirtschaftliche Mehraufwand muss vorher abgeschätzt werden. Viele Beispiele aus der Industrie zeigen jedoch, dass sich dieses Risiko auszahlen kann und echte Wettbewerbsvorteile entstehen.

Beratung von einem Maschinenhersteller/Vertrieb Der erste Kontakt sollte erst nach der Konzeptphase erfolgen. Die Bandbreite und die Unterschiede der additiven Fertigungsverfahren ist so enorm, dass die Wahrscheinlichkeit, mit dem Hersteller eines eher ungeeigneten Verfahrens zu arbeiten, sehr groß ist. Das ist vergleichbar mit der Situation, eine Welle fertigen zu wollen und zu einem Hersteller von Akkuschraubern anstatt zu einem Hersteller von Drehmaschinen zu gehen. Die Firmen streben natürlicherweise danach, Maschinen zu verkaufen. Eine neutrale Betrachtung ist mit Maschinenherstellern nicht möglich. Steht das Konzept und die Wahl des Fertigungsverfahrens fest, ist der Kontakt dann sehr empfehlenswert. Bei den Maschinenherstellern arbeiten Experten, die helfen können, das Projekt in die Realität umzusetzen. Ausschließlich die bestehende Bauteilbibliothek durchsuchen Häufig werden ausschließlich Top-down Maßnahmen versucht, um Anwendungen für die additive Fertigung im Unternehmen zu finden. Dazu zählt das beliebte Filtern der eigenen Bauteilbibliotheken nach technischen Datenpunkten wie Gewicht, Stückzahl oder Bauteilgröße. Hierbei sollen Bauteile identifiziert werden, die kostengünstiger mit 3D-Druck produziert werden können als mit dem aktuellen Fertigungsverfahren. Doch was wird dann gefunden? Existierende Bauteile, bei denen alle Probleme bereits gelöst wurden. Auch haben sich diese Bauteile in der Realität bewiesen und genießen das Vertrauen der Mitarbeitenden. Es braucht also starke Argumente, gutes Change Management und viel Vertrauen in diese neue Technologie, um das Bauteil noch einmal zu verändern. Vor allem sollte man eins nicht vergessen: Jedes technische Bauteil wurde einmal fertigungsgerecht und mit bestimmten Zielen konstruiert. Das heißt, es wurde mit viel Aufwand und Know-how so gestaltet, dass es mit einem einzelnen, genau spezifizierten Verfahren optimal hergestellt werden kann. Insbesondere bei komplexen Bauteilen ist ein Wechsel auf ein anderes Fertigungsverfahren ohne eine ausgeprägte Anpassung der Konstruktion daher in der Regel nicht möglich. Für die additive Serienfertigung, die vom Prototyping klar abzugrenzen ist, ist die fertigungsgerechte Konstruktion erfolgsentscheidend. Hier ergibt sich aber ein Zielkonflikt mit dem Top-down Ansatz der Bauteilidentifikation und der Methode des Datenbankfilterns im Speziellen. Schließlich muss die Backwards-Compatibility gewährleistet sein. Also die Fähigkeit, das Bauteil wieder in das ursprüngliche System bzw. Maschine einzubauen, ohne diese selbst zu verändern. Der Lösungsraum für die Umgestaltung erlaubt also nur kleine Verbesserungen, aber kaum echte Innovationen. Für die Identifikation des Nutzens der additiven Fertigung im Unternehmen sollte man sich von unabhängigen Expertinnen und Experten unterstützen lassen und gleichzeitig eigenes Know-how aufbauen. Nicht ausprobieren Eine der großen Stärken der additiven Fertigung ist es, Ideen schnell in die Realität umzusetzen und auszuprobieren. Dieser Vorteil ist wirtschaftlich und technisch so entscheidend, dass er nicht außer Acht gelassen werden darf. Dementsprechend muss auch das Projektmanagement angepasst werden, was jedoch nicht zwingend bedeutet, dass Methoden wie Scrum eingesetzt werden müssen. Oft habe ich erlebt, dass Bauteile bis ins letzte Detail auskonstruiert wurden, anstatt mit der Fertigung des ersten Prototyps zu beginnen und die Details erst dann auszuarbeiten, wenn sie tatsächlich relevant werden. Einfach ausprobieren Bezogen ist das nicht auf einzelne Prototypen, sondern auf die Entscheidung, die additive Fertigung außerhalb des Rapid Prototypings einzusetzen. Hier kann schnell der Fehler passieren, dass einfach einmal ein bestehendes Bauteil 3D-gedruckt wird und daran anschließend die additive Fertigung im Unternehmenskontext bewertet wird. Dabei passieren gleich mehrere grobe Fehler: Es wird ein Bauteil verwendet, das nicht für die additive Fertigung optimiert ist. Folge: schlechte mechanische Eigenschaften, unzureichende Oberflächenqualität usw. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird das MEX-Verfahren (FDM, FFF) verwendet, weil es günstig ist und Mitarbeitende unter Umständen erstes Know-how aus dem Hobbybereich mitbringen. Problem: Dies ist nur eines von vielen additiven Fertigungsverfahren, die sich stark in ihren Eigenschaften unterscheiden – selbst innerhalb des MEX-Bereichs gibt es große Unterschiede. Fehlinvestitionen: Im schlimmsten Fall wird kein günstiger MEX-3D-Drucker angeschafft, sondern eine deutlich teurere industrielle Maschine, etwa für das SLS-Verfahren. Probleme: Zu wenige geeignete Bauteile für die additive Fertigung und insbesondere für das gewählte Verfahren, fehlendes Know-how im Unternehmen und eine sofort notwendige hohe Auslastung, um Wirtschaftlichkeit zu erreichen. All diese Punkte führen zu einer völlig unrealistischen Bewertung der additiven Fertigung im Unternehmen und verursachen Frustration, unnötige Kosten und vor allem Misstrauen gegenüber diesen neuen Technologien. Additive Fertigung isoliert betrachten Auch wenn es sich anbietet, intern ein kleines Team zu gründen, das sich um die additive Fertigung im Unternehmen kümmert, sollte die Technologie stets im Gesamtkontext des Unternehmens betrachtet werden. Nicht nur innerhalb einer einzelnen Produktgruppe oder Abteilung. Oft entsteht der große wirtschaftliche Vorteil der additiven Fertigung erst durch Synergien verschiedener Fachbereiche. Aus diesem Grund ist es sehr empfehlenswert, das Kernteam durch Personen aus anderen Bereichen zu erweitern. Das können beispielsweise Mitarbeitende aus dem Marketing, der IT oder der Montage sein. Azubis machen lassen Oft erlebe ich, dass das Thema additive Fertigung auf die Schultern der Azubis ausgelagert wird. Das ist keine gute Idee, weil so weder eine strategische Entwicklung der Technologie noch ein gezielter Wissenstransfer ins Unternehmen stattfindet. Das bedeutet aber nicht, dass das Thema in der Ausbildung außer Acht gelassen werden sollte. Gerade das MEX-Verfahren eignet sich hervorragend, um Azubis erste eigene Produkte entwickeln zu lassen.