(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung von GE)
Es ist eine Menge Hype um 3D-Printing entstanden, und doch – oder vielleicht gerade deswegen – sollte man sich fragen, ob generative Fertigungsverfahren wirklich bereits so weit fortgeschritten sind, wie es uns manch einer glauben machen will. Befinden wir uns wirklich bereits inmitten eines neuen Zeitalters generativer Fertigung?
Kirk Rogers, der das Technologieressort am GE Center for Additive Technology in Pittsburgh leitet, ist der These sichtlich zugeneigt. In einer Keynote-Präsentation auf der Canadian Manufacturing Technology Show (CMTS) diskutierte er mehrere Beispiele, wie GE schon heute erfolgreich generative Fertigungverfahren zum Einsatz bringt.
Um diese Beispiele in einen Zusammenhang zu setzen, bestimmte Rogers fünf Komplexitätsstufen von Anwendungen in der generativen Fertigung:
- Stufe 0 – Produktionsmittel
- Stufe 1 – Produktkomponenten
- Stufe 2 – Teilsysteme
- Stufe 3 – Prozessintegration
- Stufe 4 – Erweiterte Funktionen (Selbstorganisation, integrierte Funktionselektronik usw.)
Rogers bestand darauf, dass jeder Hersteller – von Giganten wie GE bis hin zu KMUs – zumindest mit Level 0 experimentieren sollte, um die zugrundliegende Idee der generativen Fertigung zu verstehen – er nennt es das „generative Mindset“. „So wie zum Beispiel die Lean-Manufacturing-Philosophie, erfordert auch die generative Fertigungsphilosophie einen fundamentalen Wandel in der Denkweise des Unternehmens“, erklärt Rogers.
Während die Arbeit mit generativen Technologien auf dem höchstem Komplexitätsniveau größtenteils noch Forschungseinrichtungen wie dem Media Lab des MIT vorbehalten ist und die Stufe 4 noch keinen angewandten industriellen Einsatz erfahren hat, arbeiten Unternehmen heute schon aktiv mit generativen Technologien auf allen anderen Komplexitätsstufen.
Rogers führte die folgenden sieben Beispiele an:
1. Gussformen
(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung des Urhebers)
„Unser Transportgeschäft hatte einmal Probleme mit einem Abnehmer von Bergbaufahrzeugen, der sich darüber beschwerte, dass eines der Kühlgebläse an seinen Lastwagen zu laut war“, erklärte Rogers. „Wir haben daraufhin sofort angefangen das Design zu überarbeiten, und im 3D-Sanddruck-Verfahren – dem sogenannten Binder Jetting – die entsprechenden Gussformen gedruckt – die ersten davon innerhalb von nur sechs Wochen.“
Rogers zog daraufhin den Vergleich mit der Verwendung traditioneller Gussformen und wies darauf hin, dass die Vorlaufzeit mit traditionellen Methoden sechs Monate betragen hätte und eine Investition von 70.000 $ (USD) allein in die benötigten Fertigungswerkzeuge erforderlich gewesen wäre. Obwohl die Produktionseinzelkosten für die gedruckten Gussformen erheblich höher waren ($6.500/Einheit im Vergleich zu $500/Einheit), argumentierte Rogers, dass es oft weitaus wertvoller sei, „schnell und flexibel in der Lage zu sein, auf die Bedürfnisse von Kunden zu reagieren, um ihre Probleme zu lösen“.
2. Herstellung von Prototypenkomponenten
(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung des Urhebers)
„Dies ist ein Beispiel von einem Unternehmen, das gemeinsam mit der Youngstown University an einer Komponente für eine Spritzgussapplikation arbeitete“, erklärte uns Rogers. „Der Kunde benötigte nur eine sehr geringe Komponentenanzahl von 50 Einheiten, was die Projektleiter dazu veranlasste, die Vorteile von 3D-gedruckten Formen gegenüber klassischen Gussformen abzuwägen.“
Sie fanden heraus, dass ein mit konventionellen Formen hergestelltes Teil bei diesem Mengenvolumen 179,90 $ kosten würde, während Teile, die mit 3D-gedruckten Formen hergestellt wurden, nur 57,90 $ kosten würden. Wenn Sie ein Start-up sind und nur eine erste Charge von Komponenten benötigen, um einen neuen Markt zu testen, sind 3D-Druckformen aus Kunststoff für den Spritzguss die einfachste und kostengünstigste Option und Sie können die Modelle recyceln, wenn Sie sie nicht mehr benötigen.“
3. Gussformen für Turbinenblätter im unskalierten Stadium
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„Dieses Beispiel ist eine Entwicklung des Oakridge National Lab“, erklärte Rogers. „Durch den 3D-Druck der Produktionswerkzeuge konnten sie die Komponentenkosten um 50 Prozent reduzieren und haben die insgesamten Herstellungskosten für ihren Prototyp um 20 Prozent gesenkt, ganz zu schweigen von der realisierten Reduzierung der Durchlaufzeiten.“
Rogers bemerkte, dass die Produktionskomponente, wenn sie konventionell hergestellt worden wäre, Millionen gekostet hätte – alles nur, um ein paar Turbinenblätter für einen Prototypen herzustellen, bei dem an Skalierung noch nicht ansatzweise zu denken war.
4. Geschirrspülerkomponenten
(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung des Urhebers)
Mittlerweile bei Stufe 1 angelangt, ging Rogers auf das Beispiel der Herstellung von Komponenten für GE-Geschirrspüler ein. „Stellen Sie sich vor, statt Massenmarkt-Artikeln wären Geschirrspüler personalisierbare Maßartikel“, sagte Rogers. Er zeigte zwei Komponenten – eines davon im Spritzgussverfahren und das andere im 3D-Druckverfahren hergestellt – und lud das Publikum ein, zu raten, ihnen das entsprechende Verfahren zuzuordnen; niemand meldete sich freiwillig.
„Der einzige Unterschied dieser zwei Komponenten besteht darin, dass das 3D-gedruckte Teil bei halbwegs anständigen Produktionsmengen wesentlich weniger kostet“, erklärte Rogers.
5. Gehäuse für Temperatursensoren an Kompressoreingängen
(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung des Urhebers)
Diese Komponentel ist bekannt als die erste von der FAA zugelassene 3D-Druckkomponente für ein Flugzeugtreibwerk. „Nachdem die GE 90-Triebwerke in Betrieb genommen wurden – wir hatten etwa 400 davon -, gab es recht schnell Komplikationen auf Polarstrecken durch die Vereisung von Temperatursensoren“, erklärte Rogers.
„Wir wollten unseren Kunden so schnell wie möglich eine alternative Lösung an die Hand geben“, fuhr er fort. „Anstatt also zwei Präzisionsgussformen herzustellen und herauszufinden, wie man sie am besten bearbeitet und zusammenfügt, druckten wir die Komponente mit generativen Verfahren. Dadurch verkürzte sich die Vorlaufzeit und die Fertigungszeit, bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässigkeit.“
6. Wärmetauscher
(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung des Urhebers)
Als Beispiel für eine Stufe-2-Anwendung nannte Rogers Wärmetauscher als typische Komponenten, die schwierig und teuer zu fertigen sind und Produzenten im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit vor Herausforderungen stellen. „Was wäre möglich, wenn der Kühler an der Vorderfront Ihres Autos nicht die Form Ihres Autos bestimmen würde?“ fragte sich Rogers. „Wie könnte ein Auto dann aussehen?“
Durch den 3D-Druck eines Wärmetauschers für Flugzeuge konnte GE die Anzahl der im Produktionsprozess involvierten Komponenten von bislang 242 auf eine einzige Komponente reduzieren. „Es ist 30 Prozent kleiner, es hat eine 25 Prozent bessere Leistung und es ist sogar ein wenig billiger“, sagte Rogers.
7. ATP-Motoren
(Bild zur Verfügung gestellt mit freundlicher Genehmigung von GE)
Sich nun auf Stufe-3-Anwendungen beziehend, begann Rogers zu erläutern, wie die Anwendung generativer Fertigungsmethoden bei GE‘s Turboprop-Motoren (ATP) den zeitlichen Aufwand von Brennkammertests von 12 Monaten auf 6 Monate verkürzte und sowohl das Gewicht um 5 Prozent als auch die Gesamtanzahl der Komponenten reduzierte. „Bei der Neugestaltung wurden 855 Teile eliminiert und durch nur 12 generativ hergestellte Teile ersetzt. Denken Sie mal darüber nach: Wären Sie nicht auch lieber der Lieferant von einem dieser 12 Teile?“
Der eindrucksvollste Aspekt in diesem Beispiel ist jedoch die resultierende Steigerung der Kraftstoffeffizienz. „Der Treibstoffverbrauch konnte um ganze 20 Prozent reduziert werden“, sagte Rogers. „Airlines zahlen nicht selten eine Milliarde Dollar für eine Reduktion von einem einzigen Prozent und erreichten in diesem Fall 20 Prozent mit nur einer einzigen Triebwerksüberarbeitung.“
Die Zukunft der generativen Fertigung
Rogers ist sehr optimistisch, was die Aussichten generativer Herstellungsverfahren angeht, vor allem in der Medizin- und Zahntechnik, der Luft- und Raumfahrtindustrie und sogar in der Automobilindustrie. Nichtsdestotrotz sieht er die Position der 3D-Drucktechnologie in der Fertigungstechnik allgemein durchaus realistisch.
„85 Prozent der Teile, die wir in unserem Entwicklungszentrum für generative Fertigungstechnologien hergestellt haben, haben zusätzlich traditionelle Methoden erfordert, z.B. zur End- oder Präzisionsbearbeitung.“
Obwohl der generative Sektor also in rasantem Tempo wächst – vor zwei Jahren hatte GE eine einzige generative Komponente, im vergangenen Jahr waren es schon vier, in diesem Jahr 30 und nächstes Jahr werden es 100 sein – wird er die traditionelle Herstellung nicht vollständig verdrängen.
Das bedeutet jedoch nicht, dass Sie es sich leisten können, die tiefgreifenden Änderungen zu ignorieren, die die generative Technologie mit sich bringt, selbst wenn Sie nur ein kleines Unternehmen sind. Rogers gab speziell den KMUs diesbezüglich den folgenden Rat: „Beginnen Sie nicht gleich mit Endkomponenten, sondern beginnen Sie mit indirekten Anwendungen auf den unteren Stufen ihrer eigenen, internen Produktionshierarchie. Wenn Sie dabei erfolreich sind, können Sie darüber nachdenken Ihren Kunden direkte und komplexere Anwendungen anzubieten.“
Weitere Informationen finden Sie auf der Website von GE Additive.
