Tischlein druck dich

Der 3D-Druck wird erwachsen und ist in immer mehr Branchen gefragt. Über die Fertigung von Unikaten und Kleinserien kommt die Technologie aber weiterhin nicht hinaus. Und so mancher Mittelständler flucht über die Tücken der anspruchsvollen Technik.

Kunde sucht Tüftler. Das kennt Michael Hümmeler, das entspricht dem, was er tagtäglich macht. Der Kunde, ein Verpackungsunternehmen, benötigt für eine Maschine einen Greifarm, der rohen Fisch vorsichtig und zugleich schnell von einem Laufband hochnehmen und in Verpackungen drapieren soll – und damit Fabrikarbeiter ersetzt, die das derzeit noch machen.

Ein fast schon typischer Auftrag für Hümmeler, Inhaber und Geschäftsführer von LMD im sauerländischen Lennestadt. Das Unternehmen fertigt seit 14 Jahren per 3D-Druck individuelle Greifer und Roboter-Handling-Systeme.

LMD mit insgesamt 25 Angestellten ist eines von zahllosen Unternehmen in Deutschland, die 3D-Drucker in ihren Hallen stehen haben und die Zukunft ausdrucken: Unikate, Prototypen und Kleinserien. Das hört sich dann so an: Ein längeres Surren, ein leiser Schlag, ein längeres Surren, ein leiser Schlag. Die Maschine steht mannsallein und fertigt bienenfleißig Gegenstände im Halbdunkeln.

Von links nach rechts, von vorne nach hinten und wieder zurück bewegt sich der Druckkopf des 3D-Druckers. Er presst verflüssigten Kunststoff aus der Düse. Schicht für Schicht entsteht in wenigen Stunden ein neues Objekt, in diesem Fall ein Greifarm.

 

Fertigung im industriellen Maßstab

Der 3D-Druck teilt sich in zwei Lager. Das der Kunststoffverarbeitung und das der Metallfertigung. LMD-Chef Hümmeler fertigt vor allem Kunststoffteile, er hat die Maschinen bei Eos gekauft. Es gibt praktisch nur eine Handvoll namhafte Fertigungsunternehmen für 3D-Drucker weltweit. Eos in Krailling bei München mit 1.200 Beschäftigten und rund 346 Millionen Euro Umsatz ist Marktführer. Das Unternehmen kommt ursprünglich aus dem Kunststoffdruck, hat aber auch seit einiger Zeit Metalldrucker im Angebot.

Als Hümmeler im Jahr 2004 in den Markt einstieg, den ersten 3D-Drucker kaufte, wusste so mancher Bürger nichts mit dem Begriff anzufangen. Seitdem hat die technologische Entwicklung einige Quantensprünge vollbracht. „Die Technik hat als sogenannte additive Fertigung industriellen Maßstab erreicht“, sagt Eos-Europachef Nikolai Zaepernick. Mittlerweile gibt es drei unterschiedliche Fertigungsverfahren: Das Laser-Sintern, die Schmelzschichtung FDM (Fused Deposition Modeling) und die Stereolithografie.

Hümmeler verwendet zunehmend die Laser-Sinter-Technologie. Dabei wandert ein Laser über ein Pulverbett und verschmelzt es an den zu formenden Stellen zu einer festen Schicht. Die Maschinen kosten zwischen 300.000 und 800.000 Euro. Der Vorteil: Statt aus Metallblöcken mühselig Werkstücke herauszufräsen, zu drehen, zu schneiden und zu bohren, werden etwa Stahl- oder Aluminiumteile millimetergenau gedruckt. Das überschüssige Pulver kann einfach abgesaugt und wieder verwendet werden.

Wie sehr die Branche boomt zeigen auch die Ergebnisse des sogenannten Wohlers-Reports des gleichnamigen Beratungsunternehmens. Laut aktuellem Bericht ist die Zahl der verkauften Anlagen zum Metall-3D-Druck weltweit von 983 Geräten im Jahr 2016 um fast 80 Prozent auf 1.768 im Jahr 2017 gestiegen. Eos hat weltweit bisher 3.000 Exemplare verkauft – allein 1.000 davon in den vergangenen zwei Jahren.

Auch der Digitalverband Bitkom hat 553 Fertigungsunternehmen in Deutschland zur Technologie befragt. Mehr als ein Viertel der Betriebe mit mehr als 100 Mitarbeitern nutzen bereits 3D-Drucker. Sieben von zehn Unternehmen erwarten, dass die Technologie ihre Industrie disruptiv, das heißt tiefgreifend, verändern wird.

 

Massive Gewichtseinsparungen möglich

Im Gegensatz zur Kunststofffertigung geht es beim Metall-3D-Druck meist um die Gewichtseinsparung. So schätzt der englische 3D-Druck-Spezialist Domin Fluid Power den Wert eines Kilogramms Gewichtsersparnis im Formel-1-Autorennsport auf mehr als 100.000 Euro, in der Raumfahrt auf gut 22.000 Euro, in Flugzeugen auf etwa 1.000 bis 11.000 Euro und selbst im normalen Automobilbau noch auf 17 bis knapp 520 Euro. Diese teils massiven Gewichtseinsparungen rechtfertigen die hohen Kosten der Technologie und die entsprechenden Preise der Produkte.

Wie Eos-Europachef Nikolai Zaepernick weiß, fliegen heute schon ein paar Hundert im 3D-Drucker gefertigte Kunststoffteile in Passagierflugmaschinen mit, etwa Einspritzdüsen von Triebwerken. Neben der Luft- und Raumfahrt und der Autoindustrie ist die Medizintechnikbranche ein starker Treiber der Entwicklung. Hüftgelenke, Schuhsohlen und Zahn­implantate werden vielfach per 3D-Druck gefertigt. Bei Zahnimplantaten etwa wird durch die schichtweise und millimetergenaue Fertigung nicht nur weniger Material benötigt, sondern auch die Passgenauigkeit deutlich verbessert. Implantate können „aus einem Guss“ gefertigt werden, was die Gefahr späterer Bruchstellen deutlich reduzieren dürfte.

Nach einer Umfrage des Digitalverbands Bitkom gehen heute 47 Prozent der Ärzte davon aus, dass im Jahr 2030 Implantate und Prothesen nur noch mittels Additive Manufacturing hergestellt werden. Beeindruckend auch: Schon heute werden über zehn Millionen Brücken und Kronen pro Jahr gedruckt.

 

Probierphase läuft auf Hochtouren

Ein besonders prominentes Beispiel ist auch der neue Helm der Schweizer Garde. Die 110 Mann starke Leibgarde des Papstes erhält dieser Tage eine neue Kopfbedeckung – aus dem 3D-Drucker. Ein Helm ist in 14 Stunden hergestellt und wiegt nur 570 Gramm. Für die ehemaligen Helme brauchte ein geübter Schmied an die 100 Arbeitsstunden. Während das alte Modell durch das Blech an sonnigen Tagen unerträglich aufheizte, verspricht der neue Helm einen höheren Tragekomfort. Der Kunststoff absorbiert nicht nur weniger Hitze; in die Helmschale sind auch Belüftungskanäle integriert, die die Stauwärme in den Kamm ableiten. Gewiss, kugelsicher ist er nicht, aber das war der alte auch nicht.

Die Helme der Schweizer Garde sind für Frédéric Thiesse, Professor für Wirtschaftsinformatik und Systementwicklung an der Universität Würzburg und einer der Kenner der 3D-Druck-Branche in Deutschland, ein gutes Beispiel für den derzeitigen Stand der Technik. „Eine Kleinserie ist machbar“, sagt Thiesse. „Alle sind in der Ausprobierphase“, konstatiert er.

Dazu gehört auch die Berliner Firma BigRep, die mit einem Superlativ aufwarten kann. Das 70-Mitarbeiter-Unternehmen hat den bislang weltgrößten 3D-Drucker im Angebot. Er druckt Bauteile in einer maximalen Größe eines Kubikmeters aus. Der Sanitärhersteller Villeroy & Boch etwa lässt mittels des Druckers Prototypen für Badewannen bauen – um im nächsten Schritt die Konstrukteure überlegen zu lassen, ob das Unikat auf dem herkömmlichen Produktionsweg in die Serienfertigung geht. Oder die Fluglinie Etihad: Sie ersetzt mit den Bauteilen Inventar ihrer Flugzeugkabinen.

Nach Worten von BigRep-Chef Stephan Beyer eignet sich nur das FDM-Verfahren hierfür. Dabei presst der Druckkopf verflüssigten Kunststoff aus der Düse. „Unsere Technologie hat den Vorteil, dass sie günstiger und variabler ist, was die Materialienverarbeitung angeht. Das lohnt sich speziell für größere Objekte“, sagt Beyer. Seit der Gründung vor vier Jahren hat die Firma 250 3D-Drucker verkauft, jeweils pro Stück im Wert von 50.000 Euro.

 

Regionaler produzieren

Firmen wie BigRep machen mit ihren Maschinen die regionale Fertigung attraktiver – und sorgen damit für eine bemerkenswerte volkswirtschaftliche Folge. „Immer mehr Produktion wird nach Deutschland zurückgeholt“, stellt Universitätsprofessor Thiesse fest. Laut Thiesse bringt speziell der Metall-3D-Druck eine Verschiebung der Wertschöpfung – dorthin, wo die Erzeugnisse gebraucht werden.

Heute geben meist die unterschiedlichen Lohn- und Kapitalkosten in Verbindung mit den Transport- und Logistikkosten für die Unternehmen den Ausschlag, wo produziert wird. Durch Additive Manufacturing werden die Karten neu gemischt. Die Wertschöpfung rückt näher an den Ort, an dem die Teile eingebaut ­werden.

Auch die Deutsche Bahn ist dafür ein Beispiel. Das Unternehmen analysiert, wie viele seiner Ersatzteile durch 3D-Druck produziert werden können. Die Bahn steht vor der Herausforderung, einige Ersatzteile nur sehr schwer zu bekommen oder hohe Stückzahlen abnehmen zu müssen, die wiederum gelagert werden müssten. Kann man diese Teile je nach Bedarf innerhalb kurzer Zeit im 3D-Druck-Verfahren erzeugen, spart man letztlich nicht nur an den Produktions-, sondern auch an den Lagerkosten.
Alles also bestens im 3D-Druck-Land? „Die Experimentierphase bringt einige Herausforderungen mit“, sagt Thiesse.

Die kleinste Hürde sei die Integration in die vorhandene IT-Infrastruktur eines Unternehmens. Anspruchsvoller werde es bei der Datenaufbereitung und der Vorbereitung der Abläufe für die Maschine, bei der Prozesskontrolle der eingesetzten Materialien, den Maschinenparametern und der Maschinenwartung. Richard Kordaß vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Dresden weiß: „Viele sich gegenseitig beeinflussende Parameter wie die korrekte Laserleistung und Schichtstärke bestimmen den Prozess und die Qualität beim 3D-Druck, hier ist viel Erfahrung und Fingerspitzengefühl notwendig.“ Weil am Ende meist Unikate gefertigt werden, sei die Reduzierung der Fehlerquote unerlässlich.

 

Individuelle Fertigung als kreativer Prozess

LMD-Chef Hümmeler bestätigt das. Mitunter fängt das Problem schon damit an, Kunden zu vermitteln, was seine Mitarbeiter alles leisten müssen, um ein Bauteil zu realisieren. „Wir fertigen individuell, also ist das immer ein kreativer Prozess, der mit Brainstormings und Skizzen beginnt. Dann prüfen wir, ob und wie sich unsere Ideen additiv fertigen lassen“, sagt der 47-jährige Maschinenbau-Meister.

Er weist darauf hin, dass die Freiheitsgrade in den schichtenden Verfahren enorm sind. „Hohlräume, Kanäle, komplexe Geometrien, frei variierende Wanddicken – alles ist möglich“, sagt Hümmeler, der heute sieben 3D-Drucker in seinen Hallen stehen hat.

Wenn es grünes Licht für die Machbarkeit gibt, startet die CAD-Konstruktion, die Übersetzung in Fertigungsdaten, und erst dann kommen Fertigung und Nachbearbeitung. „Der Fertigungsprozess selbst ist alles andere als banal, da auch die heutigen Anlagen ein Eigenleben haben, obwohl sie 500.000 Euro kosten“, sagt Hümmeler. Nach Aussage des Unternehmers variieren der Laserfokus, die Laserleistung und die Einstellung, sogar bei zwei baugleichen Maschinen. „Wir bekommen aus zwei gleichen Anlagen mit den gleichen Parametern und dem gleichen Datensatz nicht zwei exakt gleiche Teile mit den gleichen technischen Eigenschaften heraus.“

Von Eos-Seite dagegen heißt es: „Wir können sicherstellen, dass mit unseren Maschinen stets die gleiche Bauteilqualität produzierbar ist. Dennoch müssen wir Unternehmen oft immer noch vom Reifegrad der 3D-Druck-Technologie überzeugen.“

 

Die nächste Anfrage wartet schon

Unternehmer Hümmeler überzeugt das nicht. „Einige Anlagen können nicht halten, was die Hersteller versprechen.“ Bei gefertigten Produkten stelle er oft fest, dass die technischen Eigenschaften auf den drei Bauteilachsen variieren. Und da es keine stützenden Formen gebe, erfordere es feinste Einstellungen der Parameter, damit Bauteile im Zuge der Fertigung nicht „wegschwimmen“. Hümmeler und seinen Kollegen hilft dabei nur die gesammelte Erfahrung.

Eos-Europachef Nikolai Zaepernick sieht das Problem anderswo. „Die Handhabung der Maschinen ist einfach. Der Engpass besteht eher bei den Anwendern. Ingenieure möchten am liebsten immer noch ein herkömmliches Spritzgussbauteil einfach in 3D-Druck übersetzen, das schöpft den Mehrwert der Technologie aber nicht aus“, sagt er.

Der Tüftler Hümmeler hingegen weiß die Vorteile der neuen Technik zu schätzen. Er steht an einem seiner 3D-Drucker, langt in das Pulverbett und holt den gefertigten Greifarm heraus. „Früher war so etwas aus diversen Bauteilen gefertigt, heute ist es aus einem Guss“, sagt der Unternehmer stolz. Schon wartet die nächste Anfrage auf ihn: Ein Skischuh-Hersteller aus Österreich möchte prüfen, ob die immer noch sehr klobigen Schuhe nicht schöner, effizienter und schneller mittels 3D-Druck zu fertigen sind.

Wieder ein Job für einen Tüftler wie Hümmeler, der optimistisch in die Zukunft blickt. Immerhin: Je größer das Problem des Kunden, desto mehr verdient sein Unternehmen. Wie hoch der Gewinn derzeit ausfällt, das lässt er sich aber nicht entlocken.

3D-Druckverfahren im Vergleich

• Fused-Deposition-Modeling-Drucker (FDM) erhitzen thermoplastische Kunststoffe und tragen sie Schicht für Schicht auf. Die Technik eignet sich gut für Machbarkeitsstudien und eine kostengünstige Prototypenerstellung. Nachteile sind die niedrigere Auflösung und Genauigkeit.

• Komplexere Designs werden eher per Stereolithografie (SLA) gedruckt. Bei diesem Verfahren liegt das Werkstück in einem Flüssigbad aus Photopolymer und wird Schritt für Schritt von einem Laser ausgehärtet. SLA wird in der Zahnmedizin eingesetzt, in der Schmuckindustrie sowie im Modellbau und ist bei begrenzten Stückzahlen bereits eine kosteneffiziente Alternative zum Spritzguss.

• Selektives Laser-Sintern (SLS) ist die am häufigsten eingesetzte Technologie für industrielle Anwendungen. SLS-Drucker verschmelzen mit einem leistungsstarken Laser kleine Partikel aus Polymer- oder Metallpulver. Das nicht verschmolzene Pulver stützt das Druckteil. Dadurch eignet sich SLS ideal für komplexe Strukturen.