3D-Metalldruck wirtschaftlich und nachhaltig einsetzen

Metallischer 3D-Druck eröffnet Unternehmen neue Möglichkeiten bei der Entwicklung und Fertigung komplexer Bauteile. Wirtschaftlich und nachhaltig ist das Verfahren jedoch nicht automatisch. Entscheidend sind Bauteilgeometrie, Stückzahl, Werkstoff, Nachbearbeitung und der Nutzen innerhalb der gesamten Prozesskette.

Die additive Fertigung von Metallteilen hat sich längst über den reinen Prototypenbau hinaus entwickelt. Neben funktionsfähigen Mustern lassen sich heute Kleinserien, Werkzeuge, Vorrichtungen und Ersatzteile direkt auf Grundlage digitaler 3D-Daten herstellen.

Besonders interessant wird der 3D-Metalldruck, wenn konventionelle Fertigungsverfahren einen hohen Werkzeugaufwand verursachen, mehrere Einzelteile zusammengefügt werden müssten oder Funktionen benötigt werden, die sich spanend beziehungsweise formgebunden nur schwer realisieren lassen.

Dabei sollte nicht allein der Preis eines gedruckten Bauteils betrachtet werden. Eine aussagekräftige Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt die gesamte Prozesskette – von Konstruktion und Werkzeugbau über Fertigung und Montage bis zu Lagerhaltung, Wartung und Ersatzteilversorgung.

Wann ist 3D-Metalldruck wirtschaftlich?

Bei der additiven Fertigung wird ein Bauteil schichtweise anhand seiner CAD-Daten aufgebaut. Eine bauteilspezifische Gussform, ein Umformwerkzeug oder eine andere formgebundene Vorrichtung ist dafür nicht erforderlich.

Das kann insbesondere bei Einzelteilen und kleinen Stückzahlen einen erheblichen Vorteil darstellen. Gleichzeitig ist der eigentliche Druckprozess vergleichsweise zeit- und energieintensiv. Stützstrukturen, Wärmebehandlungen, Oberflächenbearbeitung, CNC-Nacharbeit und Qualitätsprüfung können zusätzliche Kosten verursachen.

Wirtschaftlich interessant wird der 3D-Metalldruck daher vor allem, wenn mindestens einer der folgenden Vorteile genutzt werden kann:

• Werkzeugkosten entfallen oder werden deutlich reduziert.
• Entwicklungs- und Lieferzeiten verkürzen sich.
• Mehrere Einzelteile lassen sich zu einem Bauteil zusammenfassen.
• Montage-, Schweiß- oder Dichtstellen entfallen.
• Das Bauteil kann leichter oder leistungsfähiger konstruiert werden.
• Ersatzteile müssen nicht dauerhaft auf Lager gehalten werden.
• Änderungen lassen sich direkt über die digitalen Konstruktionsdaten umsetzen.
• Innenliegende Kanäle oder funktionsintegrierte Strukturen werden benötigt.

Der wirtschaftliche Nutzen entsteht damit häufig nicht allein im Druckvorgang, sondern durch vermiedene Arbeitsschritte und Verbesserungen am späteren Produkt.

1. Funktionale Prototypen aus Metall

Metallischer 3D-Druck ermöglicht die Herstellung funktionsfähiger Prototypen aus Werkstoffen, die auch für das spätere Bauteil vorgesehen sind. Anders als reine Anschauungsmodelle können solche Prototypen beispielsweise für Montageversuche, Belastungstests oder die Überprüfung thermischer und strömungstechnischer Funktionen eingesetzt werden.

Da kein bauteilspezifisches Formwerkzeug benötigt wird, lassen sich unterschiedliche Konstruktionsvarianten vergleichsweise schnell umsetzen. Änderungen erfolgen in den CAD-Daten und können anschließend in einem neuen Fertigungsdurchlauf berücksichtigt werden.

Das ist besonders wertvoll, wenn:

• die Konstruktion noch nicht endgültig festgelegt ist,
• mehrere Lösungsvarianten untersucht werden sollen,
• reale Werkstoffeigenschaften geprüft werden müssen,
• oder ein funktionsfähiges Bauteil kurzfristig benötigt wird.

Die frühe praktische Prüfung kann dazu beitragen, konstruktive Schwachstellen zu erkennen, bevor Kosten für Werkzeuge oder eine konventionelle Serienfertigung entstehen.

2. Kleinserien und ausgewählte Serienbauteile

Die additive Fertigung eignet sich besonders für Einzelstücke und Kleinserien. Auch eine Serienfertigung ist möglich, muss jedoch anhand des konkreten Bauteils technisch und wirtschaftlich geprüft werden.

Entscheidende Einflussgrößen sind unter anderem:

• Werkstoff und Materialpreis,
• Bauteilvolumen und Bauhöhe,
• benötigte Maschinenlaufzeit,
• Auslastung des Bauraums,
• Zahl und Umfang der Stützstrukturen,
• Nachbearbeitungsaufwand,
• geforderte Toleranzen,
• Prüf- und Dokumentationsanforderungen.

Ein kleines, komplexes Bauteil kann additiv wirtschaftlich herstellbar sein, während ein großes und geometrisch einfaches Teil auf konventionellem Weg meist günstiger produziert wird.

Besonders interessant sind Serienanwendungen, bei denen der 3D-Metalldruck einen zusätzlichen funktionalen Nutzen schafft. Dazu gehören beispielsweise gewichtsoptimierte Bauteile, integrierte Medienkanäle oder Baugruppen, die zuvor aus mehreren Komponenten gefertigt und montiert werden mussten.

Fraunhofer beschreibt additive Fertigung inzwischen als Bestandteil industrieller Wertschöpfung für Werkzeuge, Funktionsteile, Serienteile und Ersatzteile. Entscheidend ist dabei nicht nur das einzelne Bauteil, sondern seine Einbindung in das gesamte Wertschöpfungssystem.

3. Werkzeuge und Vorrichtungen

Spezialwerkzeuge, Montagehilfen, Greifer, Lehren und Vorrichtungen werden häufig nur in kleinen Stückzahlen benötigt. Der klassische Werkzeugbau kann in solchen Fällen einen großen Anteil an Kosten und Lieferzeit verursachen.

Mit additiven Verfahren können Werkzeuge und Hilfsmittel bedarfsgerecht an einen bestimmten Prozess oder Arbeitsplatz angepasst werden. Auch komplexe Innenkanäle lassen sich direkt in das Werkzeug integrieren.

Typische Anwendungen sind:

• Montage- und Positionierhilfen,
• kundenspezifische Greifer,
• Prüf- und Messvorrichtungen,
• Spannmittel,
• Formeinsätze,
• Werkzeuge mit konturnaher Kühlung,
• Ersatz- und Verschleißteile für Produktionsanlagen.

Konturnahe Kühlkanäle können sich dem Verlauf einer Werkzeugoberfläche anpassen. Dadurch lässt sich Wärme gezielter abführen, als es mit geradlinig gebohrten Kanälen möglich wäre. Der Nutzen kann in kürzeren Prozesszeiten, gleichmäßigerer Temperaturverteilung oder einer verbesserten Bauteilqualität liegen.

Die Herstellung eines Werkzeugs ist allerdings nur dann wirtschaftlich, wenn der Nutzen während seines Einsatzes die höheren Fertigungskosten rechtfertigt. Maßgeblich sind deshalb nicht nur die Kosten des Werkzeugs, sondern auch Prozesszeit, Standzeit, Ausschussquote und Produktivität.

4. Ersatzteile für aktuelle und ältere Anlagen

Bei älteren Maschinen sind Originalersatzteile häufig nicht mehr lieferbar. Gussmodelle, Werkzeuge und ursprüngliche Konstruktionszeichnungen wurden möglicherweise bereits ausgemustert. Eine konventionelle Neufertigung kann bei einem einzelnen benötigten Bauteil unverhältnismäßig teuer werden.

Ist kein verwendbarer digitaler Datensatz vorhanden, kann ein bestehendes Musterteil vermessen beziehungsweise dreidimensional erfasst werden. Auf Grundlage dieser Daten entsteht anschließend ein neues CAD-Modell.

Dieser als Reverse Engineering bezeichnete Prozess umfasst je nach Bauteil:

• Erfassung der vorhandenen Geometrie
• Prüfung von Verschleiß und Beschädigungen
• Rekonstruktion der ursprünglichen Sollgeometrie
• Anpassung an das vorgesehene Fertigungsverfahren
• Festlegung von Werkstoff und Nachbearbeitung
• Fertigung und Qualitätsprüfung

Ein verschlissenes Musterteil sollte dabei nicht einfach unverändert kopiert werden. Bohrungen, Passungen, Dichtflächen und andere Funktionsbereiche müssen anhand ihrer ursprünglichen Aufgabe rekonstruiert werden.

Forschungsarbeiten des Oak Ridge National Laboratory beschreiben die Verbindung von Bauteilscan, Reverse Engineering, additiver Fertigung und CNC-Bearbeitung ausdrücklich als mögliche Prozesskette für die Herstellung nicht mehr verfügbarer Ersatzteile.

Die additive Fertigung darf dennoch nicht pauschal als nachhaltiger als jedes konventionelle Verfahren dargestellt werden.

Zur Prozesskette gehören unter anderem die energieaufwendige Herstellung des Metallpulvers, der eigentliche Druckprozess, Schutzgase, Wärmebehandlungen, die Entfernung von Stützstrukturen sowie mechanische Nachbearbeitung und Qualitätsprüfung.

Fraunhofer weist deshalb darauf hin, dass für eine belastbare Umweltbewertung der gesamte Lebenszyklus betrachtet werden muss: von der Pulverherstellung über den LPBF-Prozess und die Nachbearbeitung bis zur Nutzung und zum Recycling. Ein geringerer Materialverbrauch allein reicht für die Bewertung nicht aus.

Besonders gute Voraussetzungen für eine positive Gesamtbilanz bestehen, wenn:

• das Bauteil durch Leichtbau während seiner Nutzung Energie spart,
• eine komplexe Baugruppe durch ein einziges Bauteil ersetzt wird,
• hochwertige Werkstoffe gezielt eingesetzt werden,
• lange Transportwege oder Lagerzeiten entfallen,
• oder eine Anlage durch ein neu gefertigtes Ersatzteil länger genutzt werden kann.

Ein seriöser Vergleich sollte nicht nur den Angebotspreis des gedruckten Bauteils berücksichtigen.

Direkte Fertigungskosten

• Konstruktion und Datenaufbereitung
• Metallpulver und Materialverluste
• Maschinenlaufzeit
• Stützstrukturen
• Wärmebehandlung
• CNC- und Oberflächenbearbeitung
• Qualitätsprüfung

Vermiedene Kosten

• Modelle, Formen und Werkzeuge
• Umrüst- und Rüstaufwand
• Montage mehrerer Einzelteile
• Schweiß- und Verbindungsprozesse
• Lagerung selten benötigter Ersatzteile
• Mindestbestellmengen
• lange Beschaffungszeiten
• Produktionsausfälle aufgrund fehlender Komponenten

Nutzen des optimierten Bauteils

• geringeres Gewicht
• verbesserte Kühlung oder Medienführung
• höhere Funktionsintegration
• weniger potenzielle Fehlerstellen
• einfachere Montage
• kürzere Produktentwicklungszeit
• bessere Ersatzteilverfügbarkeit

Erst die gemeinsame Betrachtung dieser Faktoren zeigt, ob der metallische 3D-Druck für eine konkrete Anwendung wirtschaftlich sinnvoll ist.

Die Bauteilauswahl entscheidet

Nicht jedes Metallbauteil eignet sich für die additive Fertigung. Besonders aussichtsreich sind Komponenten mit hoher geometrischer oder funktionaler Komplexität, geringen bis mittleren Stückzahlen und einem hohen Nutzen durch werkzeuglose Fertigung.

Eine erste Potenzialanalyse sollte deshalb folgende Fragen beantworten:

• Welche Stückzahl wird tatsächlich benötigt?
• Wie häufig sind Konstruktionsänderungen zu erwarten?
• Können mehrere Einzelteile zusammengefasst werden?
• Sind innenliegende Kanäle oder Hohlstrukturen erforderlich?
• Welche Funktionsflächen müssen nachbearbeitet werden?
• Welche mechanischen und thermischen Eigenschaften werden verlangt?
• Welche Prüfungen und Nachweise sind erforderlich?
• Welche Kosten entstehen im bisherigen Fertigungs- und Beschaffungsprozess?
• Welcher Nutzen entsteht während der späteren Verwendung?

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