Ein Leitfaden zur additiven Fertigung – ist diese Form der Fertigung das Richtige für Sie?
Die Fortschritte bei den 3D-Druckmaschinen und die große Auswahl an Druckmaterialien haben die Fertigungsindustrie verändert. Tatsächlich profitieren bereits verschiedene Bereiche der Fertigungsindustrie von den Vorteilen der additiven Fertigung (AM).
Zwar haben Fertigungsunternehmen mit der additiven Fertigung für die direkte Herstellung von Endprodukten experimentiert, aber die groß angelegte Einführung dieses Ansatzes bleibt begrenzt. In diesem Blog werden wir die wichtigsten Vorteile und Nachteile von AM untersuchen, um Ihnen zu helfen, fundierte Entscheidungen für Ihr Unternehmen zu treffen.
Was ist additive Fertigung (AM)?
Die Additive Fertigung (AM), weitgehend auch als 3D-Druck bezeichnet, ist ein bahnbrechender Druckprozess zur Herstellung von 3D-Objekten. Im Gegensatz zu herkömmlichen (subtraktiven) Fertigungsmethoden, die Material abtragen, werden bei der additiven Fertigung Bauteile basierend auf einem digitalen Design, Schicht für Schicht aufgebaut. Dies ermöglicht die Erstellung komplexer Formen und komplizierter Designs, die mit herkömmlichen Techniken nicht möglich wären. AM verwendet verschiedene Materialien wie Plastik, Metalle und sogar Keramik, um funktionierende Prototypen und Endverbraucherteile zu erstellen.
Die weltweite Einführung von AM
Untersuchungen von Spherical Insights deuten darauf hin, dass die additive Fertigung nach mehr als 40 Jahren der Entwicklung immer mehr zum Mainstream wird. Prognosen gehen davon aus, dass die weltweite additive Fertigungsindustrie von 19,97 Milliarden $ im Jahr 2023 auf 143,3 Milliarden $ im Jahr 2033 wachsen wird [1]. Dies ist eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 21,78 %. Doch nur weil Fertigung im Namen steht, bedeutet dies nicht, dass die additive Fertigung für alle Hersteller sinnvoll ist.
Die Implementierung der AF-Technologie zur einfachen Umstellung bestehender Bauteilkreationen von konventionellen Fertigungsmethoden ist selten von Vorteil. Der größte Nutzen der additiven Fertigung kommt erst dann zum Tragen, wenn die Komponenten manipuliert und neu gestaltet werden. Dieser Vorteil ist jedoch aufgrund der hohen Kosten der Technologie und der kompatiblen Materialien begrenzt. Zum Beispiel ist die Schaffung von Hohlräumen, um Komponenten leichter zu machen, mit additiver Fertigung viel einfacher zu bewerkstelligen als mit herkömmlichen Mitteln, die zusätzliche komplexe Schritte erfordern würden.
Darüber hinaus haben Hersteller oft Schwierigkeiten, qualifizierte Mitarbeiter zu finden, die den 3D-Druck in der realen Produktion anwenden können. Dies ist größtenteils auf die eher neue Art dieser Technologie zurückzuführen. Der Mangel an qualifizierten Arbeitskräften ist nur ein Grund, warum die Hersteller sorgfältig abwägen müssen, welche ihrer Anwendungen am meisten von additiver Fertigung profitieren würden.
Vorteile der additive Fertigung
1) Reduzierung des Energieverbrauchs in der Fertigungsindustrie
Zu den zahlreichen Vorteilen von additiver Fertigung gehört die Möglichkeit, den Energieverbrauch um bis zu 25 Prozent zu senken [2]. Bei additiven Fertigungsverfahren kann die Energie gezielter eingesetzt werden. Sie können sich ausschließlich auf das Material konzentrieren, das Schicht für Schicht aufgebaut wird.
Angesichts steigender Energiepreise könnte die additive Fertigung dazu beitragen, die Kosten der Hersteller zu senken sowie die Möglichkeit, umweltfreundlicher zu werden.
Trotz dieser beeindruckenden Verringerung des Energieverbrauchs und des Abfalls ist es für die Hersteller jedoch schwierig, die Vorteile in vollem Umfang zu nutzen, da die Produktion von Endverbrauchsteilen nicht in ausreichendem Umfang möglich ist.
2) Abfall reduzieren
Zusätzlich zur Senkung des Energieverbrauchs gibt es weitere wirtschaftliche Vorteile der additiven Fertigungstechnologie. Eine dramatische Reduzierung von Abfall- und Materialkosten.
Aufgrund der Schicht-für-Schicht-Bauweise der additiven Fertigung wird im Vergleich zu herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren der Abfall von Material reduziert. Diese Methoden beinhalten das Entfernen von Material aus einem festen Block, um die gewünschte Form zu erreichen. Laut Studien hat die additive Fertigung das Potenzial, eine Abfallreduzierung von bis zu 90 Prozent zu erreichen [2]. Dies kann wiederum zu einer massiven Verringerung des Rohstoffverbrauchs führen.
3) Rationalisierung von Lieferung und Produktion
Die Vorteile für die Umwelt sind nicht die einzigen Vorteile der Implementierung additiver Fertigung. Die Technologie soll auch dazu beitragen, die Fabrikhalle flexibler und effizienter zu machen.
Die additive Fertigung ermöglicht es Unternehmen, Komponenten nach Bedarf zu drucken. Dies steht im Gegensatz zur herkömmlichen Fertigung, die in der Regel große Produktionsläufe und vorher festgelegte Lagerbestände beinhaltet. Dies verringert das Risiko einer Überproduktion und den Bedarf an umfangreichem Lagerplatz für Fertigwaren oder Rohmaterialien.
Nachteile der additive Fertigung
1) Höhere Produktionskosten für große Mengen
Industrielle 3D-Drucker erfordern eine Anfangsinvestition von 5.000 bis mehrere 100.000 US-Dollars für ein einziges Gerät.
Eine von Atzeni und Salmi im Jahr 2011 durchgeführte Studie ergab jedoch, dass die Materialkosten für ein ausgewähltes Metallteil bei herkömmlicher Fertigung 2,59 € pro Teil betragen. Die Kosten für dasselbe Teil bei der additiven Fertigung mit selektivem Lasersintern stiegen jedoch auf 25,81 € pro Teil [3] an.
Das bedeutet, dass es für die Hersteller zehnmal teurer wäre, additive Fertigung anstelle der herkömmlichen Techniken einzusetzen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Materialkosten seit der Veröffentlichung dieser Studie wahrscheinlich gesunken sind und die größere Auswahl an verfügbaren Materialien möglicherweise billigere Optionen umfasst. Trotz dieser Faktoren bleibt jedoch die Kostendifferenz zwischen der additiven Fertigung und herkömmlichen Methoden bestehen.
Wenn das Hauptziel einer Anlage darin besteht, den Energieverbrauch zu senken, sollte eine kostengünstigere Alternative in Betracht gezogen werden. Eine Möglichkeit könnte darin bestehen, ihre Energiequelle zu überdenken, beispielsweise durch die Installation einer Photovoltaikanlage.
Die Kosten für eine Photovoltaikanlage im Vereinigten Königreich für eine 6-kW-Anlage liegen zwischen 9.500 £ und 10.500 £ für 24 Module, die 43 Quadratmeter Dachfläche abdecken. Wenn Nachhaltigkeit die Priorität ist, kann die Installation einer PV-Anlage eine schnellere Kapitalrendite (ROI) und Vorteile bieten, die sich auf die gesamte Fabrik auswirken.
Während die Umweltvorteile der Abfallreduzierung unbestreitbar sind, gibt es bei den Kostenvorteilen noch Luft nach oben. Die Hersteller könnten noch umweltbewusster werden und gleichzeitig die Materialkosten senken, indem sie andere Methoden zur Abfallreduzierung anwenden. Eine solche Methode ist die Kreislaufwirtschaft, bei der die in der Produktion verwendeten Materialien wiederverwendet werden.
2) Langsamere Produktionsgeschwindigkeit
Die additive Fertigungstechnologie ist derzeit noch durch ihre Beschränkungen in Bezug auf Zeit und Komplexität begrenzt. Für Hersteller ist die additive Fertigung möglicherweise nur bei der Herstellung von Prototypen oder in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizin von großem Nutzen, wo Änderungen am Design erforderlich sind. In Anbetracht all dieser Faktoren wäre es für die Hersteller weitaus vorteilhafter, andere Methoden zur Senkung der Energiekosten zu finden.
Die langsamere Produktionsgeschwindigkeit kann jedoch dazu führen, dass die Hersteller das gegenteilige Problem haben, nämlich dass Überbestände vermieden werden, das Werk aber Schwierigkeiten hat, die Bestellungen zu bewältigen. Der 3D-Druck kann zwischen 30 Minuten und mehreren Tagen dauern. Je größer und komplexer das Teil ist, desto länger dauert es.
3) Begrenzte Materialauswahl
Derzeit bietet die additive Fertigung im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungstechniken eine kleinere Auswahl an Materialien. Dies kann für bestimmte Anwendungen eine erhebliche Einschränkung sein. Im Bauwesen werden beispielsweise leicht verfügbare und kostengünstige Materialien wie Beton und Stahl bevorzugt. Diese Materialien sind jedoch in additiven Fertigungsverfahren noch nicht weit verbreitet.
Forschung und Entwicklung werden ständig vorangetrieben, was zu einem prognostizierten Wachstum im Bereich der mit der additiven Fertigung kompatiblen Materialien führt. Die derzeit begrenzte Auswahl an Materialien kann jedoch Einschränkungen für die effiziente Nutzung der additiven Fertigung in verschiedenen Anwendungen darstellen.
Ist die additive Fertigung das Richtige für Sie? - Anwendungen der additive Fertigung
Die additive Fertigung hat zwar viele positive Eigenschaften, aber die Technologie steckt noch in den Kinderschuhen und ist noch nicht bereit für eine breite Einführung in der gesamten Fertigungsindustrie. Solange keine Fortschritte bei der Geschwindigkeit des Prozesses und den Kosten für Geräte und Materialien gemacht werden, sind andere Produktionsmethoden möglicherweise besser geeignet für Anwendungen, bei denen eine kostengünstige, zeiteffiziente Produktion erforderlich ist.
Auch wenn die Fertigungsindustrie im weiteren Sinne vielleicht nicht so bald von dieser Technologie profitieren wird, so hat die additive Fertigung doch bereits Sektoren wie die Raumfahrt, die Medizin und den Energiesektor bereichert. Die AF-Technologie ist vielleicht nicht das, was Hersteller derzeit benötigen, aber mit dem Fortschritt wird sich dies wahrscheinlich ändern.
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Quellen:
[2] https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f15/energy-nam.pdf
[3] Atzeni, E, Iuliano, L, & Salmi, A. (2011) Zur Wettbewerbsfähigkeit der additive Fertigung bei der Herstellung von Metallteilen. In AMST'11 – Fortschrittliche Fertigungssysteme und -technologie (S. 351–362). Arti Grafiche Friulane.
