SMM InnovationsForum Fertigung

Additive Fertigun: Innovation aus dem Drucker

| Autor / Redakteur: Jean-Luc Emery, Portfolio Developer CAE for Austria and Switzerland, Siemens PLM Software / Anne Richter

Konstruktions-Tools der Software müssen auf die spezielle Geometrie von 3D-Modellen mit den Facettenstrukturen wie hier in einem Turbinenblatt ausgerichtet sein.
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Konstruktions-Tools der Software müssen auf die spezielle Geometrie von 3D-Modellen mit den Facettenstrukturen wie hier in einem Turbinenblatt ausgerichtet sein. (Bild: Siemens)

Die additive Fertigung revolutioniert den Maschinenbau. Das hat auch grosse Auswirkungen auf die IT-Tools von der Konstruktion bis hin zu Manufacturing-Execution-Systemen. Ausserdem steht das Wechselspiel zwischen Konstruktion, Fertigung und CAE im Fokus.

Das Thema «Additive Fertigung» bewegt die produzierende Industrie derzeit wie kaum ein anderes: Mit dem 3D-Druck eröffnen sich Möglichkeiten, die die Welt der Produktion in den kommenden Jahren vollkommen verändern werden. Entsprechend stark ist das Wachstum: Nach Schätzungen von Gartner wurden im vergangenen Jahr mehr als 490 000 3D-Drucker ausgeliefert. Auch bei den für das Verfahren verwendeten Kunststoffen und Metallen deutet alles auf grosse Fortschritte hin.

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Wo: Forum der Messe Luzern
Preis: 150.-- CHF (exkl. MwSt.)
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General Electrics zum Beispiel konnte die Komplexität einer Kraftstoffdüse für eines seiner Triebwerksmodelle von zwanzig auf ein einziges Bauteil reduzieren. Dieser Schritt war möglich, weil nun die komplette Düse einfach gedruckt wird. Die Produktion ist wesentlich schneller und preiswerter. Siemens Power and Gas wiederum hat einen neuen Brennkopf für grosse Gasturbinen vorgestellt, der aus dem 3D-Drucker kommt. Er verfügt über sehr feine Kanäle, die es erlauben, den Brennkopf besser zu kühlen und so die Temperatur deutlich zu senken. Das verlängert die Lebensdauer beträchtlich, während die Wartungskosten sinken. Auch in Bereichen, in denen bislang mit Gussverfahren gearbeitet wurde, leitet der 3D-Druck einen Paradigmenwechsel ein. Das zeigt sich beispielsweise bei der Konstruktion und Fertigung von Motoren. Dank additiver Fertigung ist es möglich, die kühlende Oberfläche eines Aggregats deutlich zu vergrössern, sodass es insgesamt kleiner und leichter konstruiert werden kann. Ausserdem ist die Fertigung selbst winziger Serien heute sehr kosteneffizient möglich. Ein weiterer gewichtiger Treiber für die additive Fertigung ist der 3D-Druck «on demand». Das gilt besonders für die Produktion von Ersatzteilen. Schliesslich ist es für Unternehmen ausgesprochen wichtig, fehlerhafte Komponenten schnell und unkompliziert austauschen zu können. Vor allem aber wollen sie sich von den hohen Kosten befreien, die mit der Lagerung von Ersatzteilen verbunden sind. Bereits heute besitzt Siemens Mobility deshalb eine eigene Abteilung, die «on demand» Ersatzteile für Züge per 3D-Druck fertigt.

Besonders interessant ist der 3D-Druck auch dann, wenn für die Lieferung von Ersatzteilen grosse logistische Hürden überwunden werden müssen. Das klassische Beispiel dafür sind Ölplattformen. Bricht dort ein Bohrkopf, ist es für den Betreiber der Anlage wesentlich unkomplizierter und kostengünstiger, den Kopf mithilfe von 3D-Druck vor Ort neu zu produzieren.

Die US Navy betreibt aufgrund solcher Überlegungen bereits auf einigen Schiffen 3D-Drucker, mit denen Ersatzteile auf hoher See produziert werden. Diese und viele weitere Anwendungsfälle aus der Praxis sind erst der Anfang einer umfangreichen Revolution. Fallende Preise für Drucker in Verbindung mit einer höheren Druckgeschwindigkeit sorgen vermutlich in den kommenden Jahren dafür, dass der Wandel zu dieser Art der Fertigung noch mehr an Fahrt gewinnt.

Neue IT-Tools sind gefragt

Mit dem Wandel zur additiven Fertigung sind auch aufseiten der IT-Systeme gänzlich neue Applikationen und Funktionen gefragt. Für den Hersteller eines PLM-Systems bedeutet das Anpassungen in allen Bereichen: die Konstruktion mit CAD-Systemen, das Engineering über Computer Aided Engineering (CAE) und die Fertigung mithilfe von Computer Aided Manufacturing, das Manufacturing Operations Management (MOM) und Manufacturing Execution System (MES).

Konstruktionstools müssen in Zukunft auf die spezielle Geometrie von 3D-Modellen (Facetten­strukturen) und das hybride Modellieren ausgerichtet sein. Die Tools sollten ausserdem in der Lage sein, gewichtsoptimierte Strukturen oder auch Gitterstrukturen zu erzeugen und abzubilden und die Arbeit mit verschiedenen Materialien ermöglichen. Bei der Fertigung muss sich das additive Hinzufügen von Material, wie es beim 3D-Druck geschieht, auch in den IT-Werkzeugen widerspiegeln. Im Bereich CAE wiederum kommt es nicht nur darauf an, die Konstruktion der finalen Komponente zu bedenken, sondern auch den speziellen Prozess, bei dem Schicht für Schicht Material aufgetragen wird. Auch der Blick auf thermische Aspekte und die strukturelle Komponente ist von grösserer Relevanz als bei der klassischen Fertigung.

Beim 3D-Druck steigt die Bedeutung des Wechselspiels zwischen Konstruktion, Fertigung und CAE. Das gilt insbesondere mit Blick auf die enge Verzahnung zwischen CAE und CAM. Dabei wird CAE-Technik aller Voraussicht nach die grösste Rolle als Differenziator beim End-to-End-Prozess spielen. Insbesondere PLM-Anbieter, die bereits viel Erfahrung auf dem Gebiet der hybriden Fertigung haben, werden bei der Erweiterung auf 3D-Druckprozesse im Vorteil sein.

Die Fertigung der Zukunft

Additive Fertigung findet schon heute in vielen Bereichen statt. Mehr und mehr Unternehmen entdecken die schier grenzenlosen Möglichkeiten dieser Technologie für sich. Schliesslich erstrecken sich die Vorteile gleich über mehrere Bereiche hinweg. Von der Produktentwicklung über die Konstruktion und die Fertigung bis hin zu den Geschäftsprozessen. Zugleich wird die additive Fertigung Konstrukteure zu Innovationen treiben, die heute noch völlig undenkbar sind.

Parallel dazu vereinfachen Unternehmen ihre Produktionsprozesse und holen einzelne Bereiche der Produktion durch «Insourcing» zurück. Damit haben sie die Möglichkeit, bessere Qualitätskon­trollen zu betreiben und ihre Lagerhaltung zu reduzieren. Aufgrund dessen werden 3D-Drucker bereits innerhalb weniger Jahre zur Standardausrüstung in der Fertigung gehören. SMM

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