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Revolution in der Fertigung Jeder zweite Maschinenbauer setzt auf Bauteile aus dem 3D-Drucker

Als Technologie für Privatanwender wurde der 3D-Druck lange belächelt. Doch das Verfahren revolutioniert gerade die Industrie.
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Ersatzteile aus dem Drucker – 3D-Technik revolutioniert Maschinenbau

Düsseldorf Die Hoffnung der Düsseldorfer SMS Group ist grün-gelb lackiert, 13 Meter hoch und durchzogen von unzähligen, miteinander verschachtelten Rohrleitungen. Am oberen Ende des Labyrinths befindet sich ein Keramiktiegel, gefüllt mit geschmolzenem Stahl. Am unteren ein nur wenige Millimeter breites Loch. Daraus rinnt langsam ein dunkelgraues Pulver: Das ist der Stoff, aus dem die Träume sind.

Noch im April musste SMS-Vorstandschef Burkhard Dahmen die Streichung von mehr als 500 Stellen im traditionellen Geschäft mit Gießanlagen und Schmiedepressen bekanntgeben.

Fast gleichzeitig ließ er eine millionenschwere Versuchsanlage in Mönchengladbach in Betrieb nehmen, mit der SMS die Herstellung hochreinen Metallpulvers für den 3D-Druck erforschen will. Der Verkauf von Pulveranlagen soll mittelfristig das wegbrechende Altgeschäft kompensieren. „Wir wollen hier Marktführer werden“, sagt Dahmen: „Und das geht am besten, wenn wir die gesamte Prozesskette verstehen.“

3D-Druck als Rettungsanker für ein notleidendes Unternehmen? Noch vor wenigen Jahren hätte man Dahmen für diese Wette wohl einen Hasardeur geschimpft. Inzwischen aber hat der Manager gute Chancen, dass sein Kalkül aufgeht.

Denn immer mehr Unternehmen setzen die Technologie ganz selbstverständlich im Alltag ein. Das zeigt eine Umfrage des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) unter seinen Mitgliedsunternehmen, die dem Handelsblatt exklusiv vorliegt.

Demnach produziert heute fast jedes zweite Maschinenbau-Unternehmen (47 Prozent) mit Bauteilen, die im 3D-Druckverfahren hergestellt wurden. 33 Prozent befinden sich noch in der Orientierungsphase.

Bei einer ähnlichen Umfrage, die der VDMA 2016 durchgeführt hatte, gaben lediglich acht Prozent der Befragten an, 3D-gedruckte Produkte einzusetzen – eine Steigerung auf das Sechsfache. Der Grund: Derart produzierte Bauteile sind dramatisch leichter, stabiler und lassen sich individueller konstruieren.

Was als Hype für Privatanwender zunächst müde belächelt wurde, hat sich damit zu einem ernst zu nehmenden Herstellungsverfahren für die Industrie entwickelt. Additiv fertigen lassen sich heute nicht nur Prototypen, sondern immer häufiger auch Serienteile: So stellt beispielsweise Audi den Wasserstutzen für seinen W12-Motor mit einem 3D-Drucker her. Airbus druckt serienmäßig Titanbauteile für den A350. Und Adidas bietet gedruckte Schuhe aus einer eigenen „Speedfactory“ an.

Breites Einsatzgebiet

Noch weiter an die Grenze des Machbaren wagt sich Siemens: Der Technologiekonzern will sogar anspruchsvolle Schaufeln für Gasturbinen per 3D-Druck fertigen. Mehr als 13.000 Umdrehungen pro Minute und Temperaturen von mehr als 1250 Grad Celsius müssen solche Bauteile standhalten. Die Zeit der Plastikbomber unter den frühen 3D-Druckern, die für ein wenige Zentimeter großes Bauteil viele Stunden brauchen, ist damit endgültig vorbei.

Das Marktforschungsinstitut IDC schätzt angesichts dieser Entwicklungen, dass Firmen im Jahr 2018 weltweit rund zwölf Milliarden US-Dollar für 3D-Druck-Anwendungen ausgeben werden.

Bis 2021 soll der Betrag auf rund 20 Milliarden US-Dollar steigen – eine Zunahme von mehr als 20 Prozent pro Jahr. Doch woher kommt die späte Begeisterung für eine Technologie, deren Grundzüge schon in den Achtzigerjahren entstanden waren?

Rainer Gebhardt, der die Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing beim VDMA leitet, sieht die zunehmende Vielfalt an Werkstoffen und Verfahren als einen Haupttreiber der Entwicklung: „Es hat eine Differenzierung stattgefunden. Für die additive Fertigung braucht es das richtige Verfahren, das richtige Material und einen zunehmend industrialisierten Fertigungsprozess.“ Das ermögliche Unternehmen, 3D-Druck in verschiedensten Szenarien einzusetzen. Internationale Industrienormen sorgten dabei für Verlässlichkeit.

Während 3D-Drucker früher vor allem Plastikgemische verarbeiteten, gibt es heute Drucker für Keramik, Stahl und Beton. Selbst millimetergenaue Bauteile aus Glas haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie schon gedruckt: Mit ihnen sollen in einigen Jahren sogenannte optische Computer konstruiert werden, die mit Licht statt mit Elektrizität rechnen – und als Vorstufe für Quantencomputer gelten.

Gemeinsam ist allen Verfahren: Das Bauteil wird Schicht für Schicht aufgebaut – beim Stahl mit einem Laser, der einzelne Partikel schmilzt; beim Plastik mit einer Düse, die das geschmolzene Material schichtweise zu einem Bauteil formt. Je nach Ausgangsmaterial lassen sich so Wandstärken von weniger als 0,3 Millimeter erreichen – Tendenz fallend.

Drucke werden filigran

Dass die Drucke immer filigraner werden, beobachtet auch Christoph Hauck, Geschäftsführer bei MBFZ Toolcraft. Der Präzisionsteilehersteller aus dem bayerischen Georgensmünd stellt unter anderem Produkte für die Luft- und Raumfahrt, die Halbleiterindustrie und die Medizintechnik her – und setzt dabei auch auf additive Fertigung.

Das Urteil des Technologiestrategen: „Wir stehen am Beginn einer Revolution.“ Von den 43 Millionen Euro Umsatz, die MBFZ Toolcraft für 2018 angepeilt hat, entfallen 5,5 Millionen allein auf 3D-gedruckte Bauteile.

 Haucks Ansicht nach wird der Anteil weiter steigen. Denn gegenüber herkömmlichen Produktionsverfahren hat die additive Fertigung einen entscheidenden Vorteil: Mit ihr lassen sich Formen bauen, die im Gussverfahren oder per Fräsmaschine unmöglich zu realisieren sind. Die Bauteile werden so leichter, gleichzeitig aber auch stabiler – weil nur dort Material verwendet wird, wo es nötig ist.

Hohlräume, innen liegende Strukturen, krumme Bohrlöcher: Der Ingenieurfantasie sind im 3D-Druck kaum Grenzen gesetzt. Sogenannte „fertigungsoptimierte Bauweisen“ würden so durch „funktionsoptimierte“ ersetzt, erklärt Hauck: Nicht das Herstellungsverfahren entscheidet dabei, wie ein Bauteil konstruiert wird, sondern allein seine Funktion.

Wie das in der Praxis aussehen kann, zeigt ein Beispiel aus der SMS Group. Denn der Konzern will nicht nur mit dem Verkauf von Pulveranlagen Geld verdienen: Ein dreiköpfiges Team ist bereits seit 2014 permanent im Unternehmen unterwegs, um zu prüfen, wo man 3D-gedruckte Bauteile auch in der eigenen Produktion einsetzen kann.

Herausgekommen ist dabei unter anderem ein neuartiger Kunststoff-Sprühkopf zur Kühlung von Gesenkschmiedepressen. Bisher wurden die aus mehreren Metallplatten hergestellt, die miteinander verschraubt mehr als 80 Kilogramm auf die Waage brachten.

Der neue Sprühkopf wird in einem Arbeitsschritt einfach aus Polyamid gedruckt. Dadurch wiegt er nicht nur rund 90 Prozent weniger – er ist in der Produktion auch deutlich günstiger. Das ermöglicht höhere Margen.

Die Jury des jährlich in Berlin verliehenen „German Design Award“ fand den gedruckten Sprühkopf so beeindruckend, dass sie das Produkt kurzerhand für das kommende Jahr nominiert hat.

Üblicherweise stellen die dort ausgezeichneten Firmen designlastige Produkte wie Fahrräder, Möbel oder Apps her. „Dass ausgerechnet wir als Anlagenbauer von der Jury berücksichtigt werden, macht uns natürlich stolz“, sagt Axel Roßbach, Ingenieur im Geschäftsbereich Strang- und Schmiedepressen bei SMS. Die Verleihung ist im Februar.

Neben der hohen gestalterischen Freiheit für Konstrukteure haben moderne 3D-Drucker aber noch einen weiteren entscheidenden Vorteil gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren: Ersatzteile werden nicht länger unbedingt im Lager vorgehalten, sondern können auf Bestellung gedruckt werden – und das an praktisch jedem Ort der Welt. So entfallen Kosten und Zeit für eine Lieferung.

„Wenn man die komplette Wertschöpfungskette betrachtet, ist der 3D-Druck in Einzelfällen schon heute deutlich schneller als traditionelle Produktionsverfahren“, sagt Markus Hüllen, Vizepräsident des 3D-Kompetenzzentrums der SMS Group. So müssten vorher keine Gussformen angefertigt werden; der Prozess könne sogar weitgehend automatisiert ablaufen.

Doch nicht nur in der Produktion können die Firmen Mitarbeiter einsparen. Geschäftsführer Hauck von MBFZ Toolcraft geht in seiner Prognose noch weiter: „Theoretisch wäre es sogar denkbar, eine künstliche Intelligenz das perfekte Bauteil konstruieren zu lassen.“ Der Traum von der mannlosen Fabrik – er ist zum Greifen nah.

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