Die additive Fertigung hält immer stärker Einzug in die industrielle Produktion. Sie ist eine Schlüsseltechnologie in der dezentral verteilten Produktion und sorgt für robustere Lieferketten, wie Tina Schlingmann von EOS im Interview erläutert. Aktuell arbeitet das Unternehmen an der weiteren Automatisierung der Prozesskette, und stellt damit stark sinkende Stückkosten in Aussicht.
Welche Trends geben der additiven Fertigung derzeit den stärksten Rückenwind?
Tina Schlingmann: Für mich ist die Entwicklung hin zu einer zunehmend dezentralen, verteilten Produktion - sicherlich auch forciert durch die Covid-19-Pandemie und das Thema Nachhaltigkeit - ein wesentlicher Faktor, der dem industriellen 3-D-Druck und seinen Möglichkeiten noch einmal deutlich mehr Aufmerksamkeit in Wirtschaft und Gesellschaft gegeben hat. Als Anfang 2020 die Infektionszahlen weltweit in die Höhe schossen, kamen viele schnell auf die Idee, das Potenzial des 3-D-Drucks für eine schnelle Fertigung von medizinischer Ausrüstung und Maschinen zu nutzen …
... und damit ein Stück weit unabhängiger von unsicheren Lieferketten zu werden.
Ja. Der industrielle 3-D-Druck sorgt für flexiblere Herstellungs- und Produktionsverfahren und kann so die Abhängigkeit von globalen Lieferketten und Logistikkosten reduzieren. In unsicheren Zeiten, in denen die Hersteller vermehrt unter Druck geraten, unentbehrliche Produkte und Services bereitzustellen, ist die Tatsache, dass 3-D-Druck bei Bedarf immer und überall eingesetzt werden kann, von größtem Vorteil.
Was treibt die additive Fertigung abseits der Pandemie an?
Industrieller 3-D-Druck ermöglicht eine Produktion, die von der Nachfrage bestimmt wird. Er sorgt für eine Verschlankung der Verfahren und lässt eine robustere Lieferkette entstehen. Außerdem können Produkte verbessert oder im Hinblick auf Komplexität, funktionale Integration oder geringes Konstruktionsgewicht neu ausgerichtet werden. Durch die Kombination von industriellem 3-D-Druck und digitalen Fertigungsstrukturen, die Maschinen und Produktionssteuerungs-Softwaresysteme an unterschiedlichen, weltweit verteilten Standorten miteinander verbinden, kann dank Echtzeitberichten, Flexibilität und Leistungsfähigkeit maximale Transparenz erreicht werden. Dieser Ansatz bietet viele Vorteile, zu denen auch die größere Transparenz von Lieferketten, die unkomplizierte Anpassungsfähigkeit von Produkten an individuelle oder lokale Vorgaben sowie eine bessere CO2-Bilanz der Produkte zählen. All dies ist mit einer zentralisierten, traditionellen Fertigungsstruktur wesentlich schwerer zu erreichen.
Unternehmen des Werkzeugmaschinenbaus sind bislang noch zurückhaltend beim Einsatz additiver Verfahren. Ist diese Branche für Sie besonders schwer zu erreichen?
Die additive Fertigung löst mit ihren enormen Freiheitsgraden in Konstruktion und Fertigung eine der größten Herausforderungen der Werkzeugtechnik: das Anfertigen spezieller Werkzeuge und Bauteile - schnell, wirtschaftlich und selbst in kleinen Losgrößen. Der Einsatz onventioneller Verfahren ist in der Regel teuer, zeitintensiv und technisch sehr anspruchsvoll. Die additive Fertigung mit Metallwerkstoffen kann hier eine Antwort liefern: Durch AM-gerechtes Werkzeug lässt sich ein hohes Potenzial in der Produktion heben und die Produktivität signifikant erhöhen. Damit ergibt sich für Werkzeugmaschinenbauer ein klarer Business-Case. Das heißt, grundsätzlich sind die Potenziale von AM auch für Werkzeugmaschinenbauer vorhanden, teilweise aber einfach noch nicht gehoben.
Viele Maschinenbauer dürften auch vor den hohen Investitionskosten und dem fehlenden Know-how zurückschrecken. Warum sollten sich Maschinenbauer trotzdem mit der additiven Fertigung befassen?
Ich glaube, viele Unternehmen unterschätzen, auf wie viele drängende Fragen der 3-D-Druck eine Antwort sein kann. Seien es Kostendruck, regulatorische Anforderungen, steigende Ansprüche auf Kundenseite und vieles mehr. Zusätzlich rücken Themen wie Energie- und Ressourceneffizienz immer mehr in den Vordergrund. In vielen Punkten eröffnet der industrielle 3-D-Druck dabei Chancen und bietet Lösungen. Sei es im Bereich der Bauteilfertigung oder hinsichtlich der Optimierung des Returns on Investment.
Wie unterstützt EOS Maschinenbauer beim Einstieg in die additive Fertigung?
Wir unterstützen nicht nur mit der AM-Technologie selbst, sondern auch mit Know-how und Financial Services. Wir geben unser geballtes Wissen an unsere Kunden weiter: Über unsere technischen Services im laufenden Betrieb, über Trainings, Schulungen und Berater, die bei der Umsetzung einzelner Projekte ebenso unterstützen wie beim Aufbau einer digitalen Fabrik. Und mit den EOS Financial Services ermöglichen wir - auch kostensensitiven - Interessenten Zugang zur oder den Ausbau ihrer additiven Fertigung, sei es durch generalüberholte Gebrauchtsysteme oder flexible Leasing- und Finanzierungsmodelle.
Die additive Fertigung soll auch im Industrie 4.0-Kontext eine Schlüsselrolle spielen, allerdings mangelt es noch am Automatisierungsgrad und an prozessübergreifenden Standards. Lässt sich die additive Fertigung überhaupt ohne Weiteres in die voll vernetzte Produktion integrieren?
Wir sind davon überzeugt, dass die additive Fertigung Teil einer integrierten, intelligenten und digital optimierten Produktion sein wird. Solch eine Neuauslegung von Fertigungsstrukturen ist dabei natürlich kein Selbstzweck. Sie ist die Antwort auf Disruptionswellen, mit denen Hersteller heute und künftig zu kämpfen haben. Ein zentraler Aspekt: Klassische Produktionsketten sind auf permanente Auslastung und Effizienz ausgelegt, es befinden sich hohe Warenwerte und gebundenes Kapital in der Lieferkette. Damit gleichbedeutend sind hohe Kosten und wenig Flexibilität - und das in Zeiten, in denen Marktschwankungen und immer neue Marktbedürfnisse zu adressieren sind.
Natürlich findet diese Entwicklung nicht über Nacht statt. Dass all das aber eben auch nicht nur Zukunftsmusik ist, sondern ganz klar Kosten sparen und Wettbewerbsfähigkeit stärken kann, hat EOS beispielsweise in Kooperation mit Premium Aerotec und Daimler mit einer digital verketteten Pilotanlage im NextGenAM-Projekt gezeigt.
Welche Entwicklungen sind für die Integration in die digitale Fabrik nötig?
Ich sehe zwei elementare Faktoren: Softwareintegration beziehungsweise Digitalisierung sowie die weitere Automatisierung der Prozesse entlang der gesamten Fertigungskette. Pulver- und Bauplattformprozess sind Bestandteile der 3-D-Drucktechnik. Der Post-Processing-Prozess folgt darauf als eigener Job nach Fertigstellung des Bauteils. Um weiter in Richtung Factory of the Future - also der intelligent vernetzten, sich selbst optimierenden Produktion - zu gelangen, arbeitet EOS an verschiedenen Aspekten rund um die digitale Fertigungszelle.
Woran arbeitet EOS dabei genau?
Beispielsweise mit unseren Partnern an fahrerlosen Transportsystemen, sogenannten AGVs, für den Transport von Bauplattformen zwischen Arbeitsstationen, an der Set-up-Station für die Vorbereitung der Bauplattform für den Baujob und an der automatischen Werkstoffbereitstellung. Dazu kommen die Unpacking-Station für die Vorbereitung der Bauteile für die Nachbearbeitung und damit einhergehend die generelle Einbettung des AM-Bauprozesses in die nachfolgenden Schritte der Prozesskette, wie Nachbearbeitung und die Qualitätssicherung.
Der Leitstand des EOS Connect Control Centers hält dabei die gesamte Hardware zusammen und macht alle Maschinen- und Produktionsdaten in Echtzeit nutzbar. Wir bieten damit eine offene Schnittstelle, die entweder die Integration in intelligente EOS-Apps zur Produktivitätssteigerung oder aber die Nutzung durch Drittanwendungen ermöglicht. Auf diese Weise schaffen wir die Grundlage für eine tatsächliche Integration additiver Fertigung in industrielle Produktionsumgebungen.
Wann wird die digitalisierte, automatisierte und in den Produktionsprozess integrierte Fertigungslinie Realität sein?
Die automatisierte AM-Zelle ist bereits Realität, beispielsweise in einem EOS-eigenen Set-up an unserem Standort in Maisach. Dort arbeitet unser Team aus dem Bereich Digital Manufacturing konstant gemeinsam mit Partnern an der Optimierung von Softwareschnittstellen, der Datenauswertung sowie an der Weiterentwicklung der Automatisierungslösungen und Peripherie. Die ersten Pilotfabriken haben sich bereits wirtschaftlich im Markt etabliert. Bis ein solches Set-up jedoch in der Breite der industriellen Anwendung Einsatz findet, liegt noch ein Stück Arbeit vor uns.
Welche Rolle wird die additive Fertigung in der zukünftigen Produktion spielen?
In Zukunft werden wir weitere, disruptive Veränderungen in der Fertigung insgesamt erleben - immer stärker weg von der Bauteilproduktion mit unternehmenseigenen, kostenintensiven Einrichtungen hin zur günstigeren, outgesourcten Produktion in digitalen Fabriken. Diese werden parallel in Serie fertigen können, was heute noch einzeln auf separaten Produktionsstrecken hergestellt wird. Der industrielle 3-D-Druck wird in dieser Produktionsumgebung seinen festen Platz haben, davon bin ich überzeugt.
In einem globalen Netz an vernetzten 3-D-Druckzellen oder digitalen Mikrofabriken wird die Auftragsverarbeitung automatisiert gesteuert. Produktionsvolumina und -kapazitäten werden geprüft und passend umgeschichtet. Neben deutlich höherer Flexibilität lässt sich so auch die Logistik nachhaltiger gestalten, denn die Produktion erfolgt vor Ort.
Wie entwickeln sich die Stückkosten in einer stärker automatisierten additiven Serienfertigung?
In EOS-eigenen Testszenarien für den Metall-3-D-Druck haben wir festgestellt, dass bereits mit einer Teilautomatisierung deutliche Vorteile bei Produktivität und Kostenreduktion erreichbar sind. Ein Beispiel: Eine Zelle bestehend aus drei EOS-M-400-4-Systemen fertigt Düsen aus dem Werkstoff AlSi10MG. Der Baujob der Düsen hat eine Dauer von 26 h. Die Maschinen in der halbautomatisierten Linie können mit 79 % im Vergleich fast doppelt so stark ausgelastet werden wie die in der nicht automatisierten Linie. Vor diesem Hintergrund liegt der Invest bei einer halbautomatisierten Produktion zwar um 22 % höher als bei einer manuellen Linie. Allerdings kostet ein Bauteil in der Fertigungszelle 38 % weniger: statt 325 Euro nur noch 200 Euro. Vor diesem Hintergrund amortisiert sich das Investment in die teilautomatisierte Zelle bereits nach weniger als zwei Jahren, das manuelle Inline-Set-up erst nach mehr als zweieinhalb Jahren.
Welche Rolle spielt die additive Fertigung im Jahr 2030 im Vergleich zu konventionellen Verfahren?
Nachhaltigkeit wird für Unternehmen und Endkunden branchenübergreifend immer wichtiger. Die meisten derzeit angewendeten Fertigungstechniken sind restriktiv, produzieren verhältnismäßig viel Abfall und sind relativ ineffizient. Wir von EOS sind überzeugt, dass diese Einschränkungen mit fortschrittlichen Fertigungsverfahren überwunden werden, und dass durch die Möglichkeit der lokalen On-Demand-Produktion im Vergleich zu konventioneller Fertigung Abfälle reduziert und CO2-Emissionen bis zum Jahr 2025 um bis zu 5 % eingespart werden können. In den kommenden Jahren werden außerdem die Materialien für den 3-D-Druck immer mehr aus erneuerbaren Quellen generiert werden. Beispielsweise wird der Hochleistungskunststoff Polyamid 11 von EOS bereits aus 100 % nachwachsenden Rizinussamen hergestellt.
Welche Fortschritte werden die additive Fertigung in den nächsten Jahren am stärksten prägen?
Da sehe ich drei wesentliche Themen: die Entwicklung von neuen Materialien, die Automatisierung der kompletten Prozesskette und damit einhergehend die weitere Optimierung von Cost-per-Part. Letzteres hängt sicherlich eng mit dem Thema Automatisierung zusammen, wird aber auch durch neue Technologieinnovationen befördert. Als Stichwort sei an dieser Stelle die LaserProFusion-Technologie von EOS genannt, mit der die Dauer der Belichtungszeit des Pulverwerkstoffs signifikant verkürzt wird: Im Gegensatz zum bisherigen Laser-Sintern fährt kein CO2-Laser das gesamte Baufeld ab, sondern es kommen bis zu einer Million Diodenlaser mit einer maximalen Gesamtleistung von bis zu 5 kW zum Einsatz. Wir bewegen uns damit auf einem ganz neuen Produktionslevel und somit deutlich sinkenden Bauteilkosten. Die Technologie kann bei vielen Applikationen eine Alternative zum Spritzguss sein. Damit wird der industrielle 3-D-Druck in Zukunft für einen komplett neuen Markt attraktiv werden.
Vielen Dank für das Interview, Frau Schlingmann.
Interview: Thomas Siebel
Lesen Sie im zweiten Teil des Interviews "Es braucht noch viel mehr Werkstoffe für die additive Fertigung", welche neuen Möglichkeiten die weitere Automatisierung und die Entwicklung neuer Aluminiumwerkstoffe speziell für den Automobilbau bietet. Das Interview finden Sie unter www.springerprofessional.de/link/19667742.
Dr.-Ing. Tina Schlingmann .
ist seit Mai 2021 als Regional Director EMEA bei der EOS GmbH verantwortlich für die Regionen DACH sowie Niederlande. Als promovierte Materialwissenschaftlerin und erfahrene Strategin im Bereich der additiven Fertigung (AM) möchte sie in ihrer Rolle die Weiterentwicklung des AM-Markts in Deutschland, Österreich, der Schweiz und den Niederlanden vorantreiben.
Springer Professional.
Additive Fertigung
Thomas Siebel: Werkzeugmaschinen und additive Fertigung nähern sich an. www.springerprofessional.de/link/19379046