10 der größten Herausforderungen bei der Skalierung der additiven Fertigung für die Produktion [Expertenrunde]
12 Januar 2020
Designflexibilität, Materialeffizienz und eine rentable Produktion in kleinen Stückzahlen sind nur einige der Gründe, warum sich Unternehmen zunehmend für die additive Fertigung (AM) entscheiden. Um AM in der Produktion optimal zu nutzen, müssen jedoch noch einige Probleme gelöst werden.
Im Folgenden zeigen wir einige der dringendsten Herausforderungen auf, die die Technologie bewältigen muss, um ihre Einführung zu beschleunigen :
Technologische Herausforderungen
1. Langsame Produktionsgeschwindigkeiten
Niemand würde behaupten, dass es nicht auf die Geschwindigkeit ankommt, besonders wenn das Ziel die Massenproduktion ist. Viele aktuelle industrielle 3D-Drucker bleiben jedoch in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz immer noch hinter den herkömmlichen maschinellen Geräten zurück.
Dies ist insbesondere ein Hindernis für die Akzeptanz in Industrien, die von der Serienproduktion getrieben werden, wie z. B. die Automobilindustrie und Konsumgüterbranchen. Hier müssen die Produkte so schnell wie möglich hergestellt und geliefert werden, um die Produktionseffizienz aufrechtzuerhalten.
“Der letzte Teil ist der Durchsatz oder die Geschwindigkeit der Maschinen. Das Produktionsvolumen von [Automobil] unterscheidet sich erheblich von dem von dem der Luft- und Raumfahrt oder der Medizin. Wir müssen uns also Systeme entwickeln, die in der Lage sind, Teile in Minuten oder Sekunden anstatt in Tagen und Stunden zu produzieren. Alles, was wir tun können, um die Technologie auf eine schnellere Build-Geschwindigkeit zu bringen, wird uns auf jeden Fall helfen.”
Harold Sears, Technischer Leiter der Additive Manufacturing Technologies bei Ford
Hochgeschwindigkeits- AM war in den letzten Jahren ein Bereich mit robuster Entwicklung und Investitionen.
Die meisten Hersteller von 3D-Druckern, die auf Produktionsanwendungen abzielen, suchen nach Möglichkeiten, den 3D-Druck zu beschleunigen. Einige haben modulare Systeme entwickelt, mit denen der Durchsatz gesteigert werden kann, während andere daran arbeiten, die Technologie hinter ihren vorhandenen Maschinen weiter zu verbessern.
So entwickelt z.B. der deutsche Hardware-Hersteller EOS seine Laser Pro Fusion-Technologie mit dem Ziel, den Durchsatz der Selective Laser Sintering (SLS) -Technologie zu steigern. Während derzeitige SLS-Systeme ein oder zwei CO2-Laser zum Schmelzen von Polymerpulver verwenden, wird der neue 3D-Drucker mit bis zu 1 Million Diodenlasern ausgestattet, was die Druckzeit erheblich verkürzen könnte.
Auch auf der Seite des Metall-3D-Drucks gab es einige bemerkenswerte Entwicklungen. Die MCP™ Technologie (Multilevel Concurrent Printing) der australischen Firma Aurora Labs ist ein gutes Beispiel dafür. Aurora Labs ist bestrebt, mit diesem Pulverbett-Schmelzverfahren den 3D-Metalldruck mit viel höheren Geschwindigkeiten zu ermöglichen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Pulverbetttechnologien, bei denen jeweils eine Schicht gedruckt wird, druckt MCP mehrere Schichten gleichzeitig in einem Durchgang. Auf der Formnext 2018 meldete das Unternehmen, dass rund 30 Schichten gleichzeitig gedruckt werden konnten, mit dem Ziel, diese Zahl in den nächsten 12 Monaten auf 100 Schichten zu erhöhen.
In letzter Zeit hat das Unternehmen berichtet, dass sein PMP1-3D-Drucker eine Druckgeschwindigkeit von 350 kg / Tag erreichen kann. Laut Aurora Labs bedeutet dieses Ergebnis eine Geschwindigkeitsverbesserung von 2000 Prozent gegenüber der im letzten Jahr gemeldeten Geschwindigkeit.
Die Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit ist keine leichte Aufgabe und erfordert erhebliche technologische Innovationen. Ab 2019 befinden sich die Technologien von EOS und Aurora Labs noch in der Entwicklungsphase. Daher wird es einige Zeit dauern, bis sich die Anforderungen an die Produktionsgeschwindigkeit erfüllen.
Wir sind jedoch zuversichtlich, dass der 3D-Druck im weiteren Verlauf letztendlich dort ankommen wird.
2. Materialentwicklung und Inkonsistenzen bei Materialeigenschaften
“Die additive Fertigungsindustrie braucht definitive mehr Lösungen für mehr Materialien. Der 3D-Druck ist theoretisch in der Lage, Teile mit hoher Komplexität und Funktionalität herzustellen, sei es mechanisch, biologisch oder elektrisch. Um dies zu erreichen, müssen jedoch genügend Materialien verschiedenster Art zur Verfügung stehen.”
Simon Fried, Mitbegründer von Nano Dimension
Die Verfügbarkeit geeigneter Materialien ist eine weitere Herausforderung für die 3D-Druckindustrie. Im Vergleich zu traditionellen Herstellungsverfahren, die jahrzehntelang der Materialentwicklungen unterzogen wurden, hat die 3D-Druck spezifische Materialentwicklung gerade erst begonnen.
In den Anfangsjahren des 3D-Drucks, als der Schwerpunkt der Branche auf dem Prototyping lag, wurden die Materialeigenschaften viel weniger betont. Mit der Umwandlung der Technologie in einen Hochleistungsdruck hat sich der Materialentwicklungsprozess jedoch enorm beschleunigt.
Ein besonders aufregender Trend sind die Fortschritte beim Hochleistungs 3D-Druck von Polymer- und Verbundwerkstoffen. Große Chemieunternehmen wie Arkema, BASF und DuPont entwickeln kohlenstoffverstärkte Polymere, deren Festigkeit teilweise mit der von Metallen vergleichbar ist.
Markforged, ein Hersteller von Composite-3D-Drucktechnologien, treibt diesen Bereich ebenfalls voran und hat mehrere neue Materialien entwickelt. Zuletzt wurde der Onyx FR, der erste flammenhemmende Verbundwerkstoff vorgestellt.
Auf der Metallseite hingegen dauert die Materialentwicklung länger, manchmal sogar einige Jahre, aber auch hier dauern die Fortschritte an.
Während die Verfügbarkeit von Materialien zunimmt, gibt es immer noch viele Inkonsistenzen bei den Eigenschaften der 3D-druckbaren Materialien. Derzeit fehlt der Branche eine solide Materialdatenbank mit bewährten Druckparametern und definierten Spezifikationen. Infolgedessen wird es schwierig, einen konsistenten und wiederholbaren 3D-Druckprozess zu erzielen.
Dies bedeutet, dass die meisten Hersteller die Technologie nur ungern einsetzen, bis sie sicherstellen können, dass die Werkstoffeigenschaften den in der Branche festgelegten und akzeptierten Normen und Standards entsprechen.
Der einzige Weg für die Zukunft ist die Entwicklung einer AM-Materialdatenbank mit Informationen zu mechanischen und thermischen Eigenschaften und Spezifikationen für einen erfolgreichen Druck.
Die 3D-Druckindustrie arbeitet daran, dieses Ziel zu erreichen. Organisationen, die Standards entwickeln, wie ISO und ASTM, haben bereits einige Spezifikationen für Metallpulver wie Nickel, Titan und Edelstahl herausgegeben.
Zur gleichen Zeit haben andere Stellen eine Datenbank mit Material- und Prozessinformationen für AM aufgebaut. So hat z.B. America Makes in Zusammenarbeit mit Stratasys und dem National Institute for Aviation Research (NIAR) Anfang dieses Jahres eine Datenbank mit Materialeigenschaften für ULTEM ™ 9085 Typ I veröffentlicht, die im Fused Deposition Modeling (FDM) verwendet werden.
Die Einrichtung einer solchen Datenbank wird dazu beitragen, die Verwendung des zertifizierten Polymermaterials für Bauteile im Flugzeuginnenraum zu fördern.
Letztendlich werden Entwicklungen wie diese der Schlüssel sein, um sicherzustellen, dass AM-Materialien die Erwartungen der Hersteller an Leistung und Zuverlässigkeit erfüllen.
3. Die manuelle Nachbearbeitung
Die Realität beim 3D-Druck ist, dass praktisch alle Teile, die aus einem 3D-Drucker stammen, eine Nachbearbeitung erfordern, um die mechanischen Eigenschaften, die Genauigkeit und die Ästhetik eines Teils zu verbessern.
Dies stellt zwar kein großes Problem dar, wenn Sie den 3D-Druck für das Prototyping verwenden. Doch wenn die Technologie auf einen Fertigungsprozess für Endprodukte übergeht, ist das Skalieren und Automatisieren sowie das Nachbearbeiten zu einem der wichtigsten Engpässe beim Aufbau von AM-Produktionslinien geworden.
“Bei AM mit Metall sind viele Schritte erforderlich, um die Qualität sicherzustellen. Dies umfasst das ordnungsgemäße Entfernen des Puders und das Durchlaufen eines Heizzyklus zum Entspannen, damit sich die Teile nicht verziehen und durch die in den Teilen aufgebaute Wärmerestspannung verzerren, wenn sie von der Bauplatte entfernt werden.”
“Oft ist viel Zeit erforderlich, um die Stützstrukturen abzuschneiden und abzuschleifen. Weitere Schritte sind die CNC-Bearbeitung und andere Endbearbeitungsarbeiten sowie das heiß-isostatische Nachverdichten, um sicherzustellen, dass das Teil keine Porosität enthält. “
Terry Wohlers, Gründer und Präsident von Wohlers Associates
Die Mehrzahl der Nachbearbeitungsvorgänge, die Terry Wohlers oben beschreibt, sind immer noch stark manuelle Vorgänge, bei denen erfahrene Bediener wichtige Aufgaben ausführen müssen.
Es kann zwar kostengünstig sein, einen Prototyp oder sogar ein paar Dutzend Teile mit menschlicher Arbeit zu fertigen. Bei der Herstellung von Hunderten oder sogar Tausenden von 3D-gedruckten Teilen wird die Notwendigkeit einer Nachbearbeitungsautomatisierung jedoch äußerst akut.
“Automatisierte Lösungen werden dabei eines der derzeit größten Probleme beseitigen, was wiederum einen höheren Durchsatz bei gleichbleibender Ausgabe der Nachdruckfunktion ermöglicht.”
Jeff Mize, CEO von PostProcess Technologies
Derzeit gibt es nur wenige AM-spezifische Lösungen, die zur Automatisierung von Nachbearbeitungsvorgängen beitragen, wie z. B. die Reinigungsmaschinen von DyeMansion, die Oberflächenglättungslösungen von AMT und die Support Entfernungs- und Oberflächenveredelungssysteme von PostProcess Technologies. Zugegebener Weise sind diese Systeme sind in erster Linie für 3D-bedruckte Kunststoffteile konzipiert.
Beim Metall-3D-Druck werden derzeit die Nachbearbeitungstechnologien für traditionell gefertigte Teile benutzt und an die 3D gedruckten Bauteile angepasst.
Um diese Technologien weiter zu automatisieren, implementieren Unternehmen jetzt auch Roboterlösungen, um Vorgänge wie Materialwechsel und Teilehandling zu vermeiden. So hat der 3D-Druckerhersteller Digital Metal im vergangenen Jahr ein vollautomatisches Produktionskonzept auf den Markt gebracht.
Nach diesem Konzept übernimmt ein Roboter die meisten Schritte des Fertigungsprozesses, wie z. B. das Versorgen des Druckers mit Build-Boxen und das anschließende Entfernen zur Nachbearbeitung. Ziel ist es, alle manuellen Arbeiten zu vermeiden, um eine kontinuierliche Produktion in großen Stückzahlen zu ermöglichen.
Während solche Entwicklungen ermutigend sind, ist das Innovationstempo in diesem Bereich schleppend. Die Anzahl der fortschrittlichen Nachbearbeitungslösungen wird jedoch mit Sicherheit zunehmen, um dem ständig wachsenden AM-Produktionsvolumen gerecht zu werden.
Softwareanforderungen und Herausforderungen
4. Eingeschränkte Möglichkeiten bei der Datenaufbereitung und Datengestaltung
“Design und Datenaufbereitung sind in dieser Branche nach wie vor ein Engpass, da der Schwerpunkt auf Hardware-Systemen mit höherer Produktivität liegt, wobei intelligente Softwarelösungen von dieser Gleichung ausgenommen sind.”
Yves Hagedorn, leitender Direktor bei Aconity3D
Obwohl es so aussieht, als wäre der 3D-Druck so einfach wie das Drücken einer Taste, ist dies im Entferntesten nicht der Fall. Zum einen erfordert der industrielle 3D-Druck umfangreiche Designvorbereitungen, um ein Modell für den Druck vorzubereiten.
Zum anderen wird der Entwurfsprozess dadurch erschwert, dass die Software Computer-Aided Design (CAD) und Computer-Aided Engineering lange Zeit nicht für die Anforderungen des 3D-Drucks optimiert waren.
So kann es beispielsweise schwierig sein, mit herkömmlicher CAD-Software Komponenten aus abgestuften Materialien zu entwerfen, Gitterstrukturen zu erstellen oder Porosität zu modellieren
Darüber hinaus umfasst der AM Design Workflow mehrere Schritte, die häufig durch die Notwendigkeit der Verwendung separater Softwarelösungen blockiert werden.
„Wir hören von vielen unserer Kunden, dass sie oft mit nicht zusammenhängenden Workflows arbeiten. Sie führen den Entwurfsprozess in einem CAD-Tool durch, konvertieren ihn dann in eine STL-Datei und importieren diese dann in einen Build-Prozessor wie Netfabb. Von dort wird es an die Maschine gesendet und die Maschine sammelt Daten darüber. Am Ende stehen dann Datenmengen, die nicht gut miteinander verbunden sind.“
Robert Yancey, Direktor für Strategie und Geschäftsentwicklung der Fertigungs- und Produktionsstrategie bei Autodesk
In einem typischen Szenario würde ein Konstrukteur beispielsweise ein Volumenmodell in seinem CAD-System erstellen und es dann in ein aus Dreiecken bestehendes Modell konvertieren, um Druckbarkeitsprüfungen durchzuführen, die Struktur zu optimieren, Gewicht zu reduzieren, Unterstützungen hinzufügen und eine Simulationsanalyse durchführen. Alle diese Schritte erfordern unterschiedliche Programme, unterschiedliche Softwareumgebungen und mehrere Dateiformate.
Stellen Sie sich dann vor, Sie führen eine Simulation durch und die Ergebnisse deuten auf einen Buildfehler hin, bei dem Sie die Bauteilausrichtung oder die Stützstrukturen ändern müssen, um dies zu verhindern. Infolgedessen müssen Sie alle Schritte und Programme erneut ausführen, um einige Parameter zu ändern und das Modell druckbar zu machen.
Die Notwendigkeit, AM-Konstruktionsdaten über mehrere Softwarelösungen zu übertragen, führt zu einem zeitintensiven und fehleranfälligen Konstruktionsprozess.
Die Branche versucht auf vielfältige Art und Weise, die Belastung bei der Erstellung von 3D-Modellen zu verringern. So integrieren beispielsweise Softwareunternehmen wie PTC, Autodesk und Dassault Systèmes bestimmte 3D-Druckfunktionen in ihre CAD-Programme.
PTC bietet beispielsweise die Creo 6.0-Software an, mit der Design und Druckvorbereitung in einer Umgebung möglich sind. Ende 2018 erwarb PTC das generative Design-Software-Unternehmen Frustum. Das Unternehmen arbeitet nun daran, seine CAD-Plattform um generative Designtechnologie zu erweitern, die häufig mit 3D-Druck kombiniert wird.
Gleichzeitig entwickeln die Hersteller von 3D-Druckern ihre eigenen Softwarelösungen, um die Vorbereitung von 3D-Modellen zu optimieren. Stratasys ‘GrabCAD und 3D Systems’ 3DXpert sind nur zwei Beispiele für Software, die entwickelt wurde, um die Notwendigkeit mehrerer Datenübertragungen und Datenkonvertierungen zu eliminieren oder zu minimieren.
Obwohl große Fortschritte bei der Gestaltung und Druckvorbereitung von AM erzielt wurden, gibt es noch weiteren Raum für Entwicklung. Die Konstrukteure in die Lage zu versetzen, 3D-Modelle in der CAD-Umgebung zu ändern und diese ohne umständliche Datenkonvertierung schnell zu iterieren, ist der Schlüssel dazu, dass die Herausforderungen bei der Konstruktionsvorbereitung der Vergangenheit angehören.
Herausforderungen bei der Qualitätssicherung
5. Schwankungen von Teil zu Teil
„Ein weiteres wichtiges Thema, mit dem sich die Branche befassen muss, um eine breitere Akzeptanz zu erreichen, ist die Schwankungen von Teilen […]. Der Grund dafür ist, dass die Konsistenz des Materials, das aus dem System kommt, nicht unbedingt Ihren Wünschen entspricht. Sie müssen für den schwächsten Teil des Stückes entwerfen, der ihnen bekannt ist, was bedeutet, dass Sie einige der Funktionen von AM nicht vollständig nutzen.”
Zachary Murphree, Vize von Technology Partnerships bei VELO3D
Traditionelle CNC-Bearbeitung, Spritzgießen oder Gießen sind bekannte Herstellungsverfahren. Der 3D-Druck dagegen bietet einen neuen Ansatz für die Herstellung von Teilen. Zusätzlich zu den neuen Möglichkeiten weist die Technologie auch neue Mängel auf, die in der traditionellen Fertigung nicht zu sehen sind. Dies kann zu Schwankungen der Teilequalität von Bau zu Bau führen.
Dies ist insbesondere beim 3D-Metalldruck der Fall. Hier gibt es z.B. einige Mängel, die für Metall-AM einzigartig sind, wie Pulver, das in einem Teil eingeschlossen ist, Mikrorisse und das Fehlen einer Verschmelzung.
Eine der Hauptquellen für Schwankungen der Teilequalität ist die Materialchemie. Sicherheitskritische Anwendungen wie Flugzeugteile oder medizinische Geräte erfordern ein Material mit der richtigen Morphologie (Partikelgröße und Partikelform), das zu 100% frei von Verunreinigungen ist.
Verunreinigungen, die durch unsachgemäße Lagerung oder Handhabung oder fragwürdige Qualität des Ausgangsmaterials verursacht werden, können die Eigenschaften des endgültigen Teils verändern, was wiederum zu einem fehlerhaften Druck führen kann.
Um die Qualität des Materials zu gewährleisten, sind standardisierte Prüfmethoden und Werkzeuge erforderlich, die in der Industrie weitgehend fehlen. Um diese Probleme zu lösen, arbeiten AM-Benutzer mit vertrauenswürdigen Prüflabors zusammen oder entwickeln bei ausreichenden Ressourcen auch in Domo das erforderliche Fachwissen.
Eine weitere Herausforderung, die sich auf die Teilevariabilität auswirkt, ist das Fehlen einer fortschrittlichen Prozesssteuerung in den 3D-Druckern. Um Teilevariationen zu minimieren, müssen 3D-Drucker von einem offenen zu einem geschlossenen Regelungssystem wechseln.
Letzteres bezieht sich auf die Fähigkeit eines 3D-Drucksystems, Abweichungen während des Druckprozesses zu erkennen und das System automatisch anzupassen, um diese auszugleichen. Dies wird erreicht, indem Sensoren und Kameras in einen 3D-Drucker eingebettet werden, mit dem die Benutzer das Build in Echtzeit überwachen können.
Durch die Beibehaltung der Kontrolle über den Bauprozess über das Regelungssystem können Hersteller gleichbleibende Geometrien, Oberflächen und Materialeigenschaften erzielen, die die Qualität untermauern.
“Ich denke, das ist der Heilige Gral für AM, weil Sie mit der In-Process Kontrolle fast gleich auf Mängel in Ihrem Prozess reagieren können.”
Yves Hagedorn, leitender Direktor bei Aconity3D
Die prozessbegleitende Qualitätskontrolle, die durch ein System mit geschlossenem Regelkreis ermöglicht wird, ist für AM-Technologien jedoch noch relativ neu und stellt für die Hersteller noch ein Hindernis in der Implementierung dar. Ab 2019 ist nur ein geringer Prozentsatz der auf dem Markt verfügbaren 3D-Drucker mit Regelgeräten ausgestattet.
Die In-Process-Kontrolle wird zu einer absoluten Notwendigkeit, da der 3D-Druck in die Produktion verlagert wird. Dies bedeutet letztendlich auch, dass die Anzahl der intelligenteren Systeme in naher Zukunft zunehmen wird.
6. Mangel an branchenweiten Standards
„Es wäre für alle Interessengruppen und Mitgliedsgruppen unglaublich von Vorteil, wenn die Branche insgesamt bessere Standards hätte, Standards, die allgemein verstanden und akzeptiert werden. Durch Standards können Unternehmen Äpfel mit Äpfeln vergleichen und intelligente Entscheidungen treffen, die in einem umfassenden Ökosystem aus Lieferanten, Herstellern und Anwendern umgesetzt werden können. “
Avi Reichental, Gründer von XponentialWorks
Bei der Herstellung sind Standards von wesentlicher Bedeutung, da sie die Parameter umreißen, die erfüllt werden müssen, um ein Qualitätsprodukt zu liefern. Alle Rohstoffe, Maschinen, Anlagenbetreiber und Ingenieure, Zulieferer und der Herstellungsprozess selbst benötigen Standards und einen Mechanismus zur Qualifizierung / Zertifizierung anhand dieser Standards, um Teile mit der erforderlichen Qualität herzustellen
Obwohl es den 3D-Druck seit mehr als 30 Jahren gibt, hat die Fertigungswelt ihn erst vor kurzem als Produktionsmethode erkannt. Aus diesem Grund hat die Branche gerade erst damit begonnen, produktionsrelevante und branchenweite Standards zu entwickeln.
“Es ist zwar großartig, wenn Sie ein Teil herstellen können, aber wenn Sie nicht beweisen können, dass es ein gutes Teil ist, dann hilft das niemandem. Normen sind das, was uns dazu bewegt, gute Teile herzustellen, zu verkaufen und in der Produktion einzusetzen.“
Matthew Donovan, leitender Ingenieur für Additive Fertigung bei Oerlikon
Das Fehlen von 3D-Druckstandards ist nach wie vor einer der größten Engpässe, die die weitere Verbreitung verlangsamen.
In dieser Hinsicht gab es jedoch vielversprechende Entwicklungen. Einige der größten Organisationen zur Entwicklung von Standards, wie ISO und ASTM International, haben Arbeitsgruppen eingerichtet, die sich mit der Entwicklung von AM-Standards befassen. Bis 2018 genehmigten die beiden Organisationen 28 Standards, weitere sollen in den nächsten Jahren folgen.
Die Entwicklung von Standards wird auch durch die Zusammenarbeit und Partnerschaften in der Industrie erheblich unterstützt. Ein Beispiel ist eine Zusammenarbeit zwischen Oerlikon und Boeing. Die Partnerschaft zielt auf den Einsatz von AM in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungsindustrie ab und konzentriert sich auf die Standardisierung von Materialien und Prozessen für den pulverbasierten Metall-3D-Druck von Bauteilen aus strukturellem Titan.
Die vielleicht leistungsstärkste Zusammenarbeit ist die Einführung des Kompetenzzentrums für additive Fertigung (AM CoE), die im vergangenen Jahr stattfand. Die neue Einrichtung, die ASTM International in Zusammenarbeit mit der Universität von Auburn, NASA, EWI und dem britischen Manufacturing Technology Centre (MTC) gegründet hat, konzentriert sich darauf eine Brücke zwischen F & E und der Standardisierung zu bilden, um wichtige Lücken in der Branche zu schließen.
Im September kündigte ASTM International eine zweite Finanzierungsrunde an, um die Standardisierungsprojekte von AM CoE zu unterstützen. Jedes der neun Projekte trägt zu unterschiedlichen Standardlücken in Bezug auf Design, Ausgangsmaterial, Verfahren, Nachbearbeitung, Prüfung und Qualifizierung bei.
Während die Entwicklung von Standards ein zeitintensiver Prozess ist, lassen die jüngsten Fortschritte darauf schließen, dass sich letztendlich Ergebnisse erzielen lassen, die es Herstellern ermöglichen, AM-Anwendungen schneller und einfacher zu entwickeln und zu implementieren.
Herausforderungen für die Belegschaft
7. Mangelndes Verständnis und Fachwissen in AM
„[Das] Belegschaftselement ist im Moment wirklich von kritischem Belang. Es gibt nicht genug Ingenieure, Manager und Führungskräfte, die die Technologie wirklich gut genug verstehen, um eine funktionelle Strategie zu entwickeln, um das aus der Technologie herauszuholen was sie davon erwarten.”
John Barnes, Gründer von The Barnes Group Advisors
Ein Mangel an einem gründlichem Verständnis der Fähigkeiten von 3D-Drucktechnologien kann viele Eintrittsbarrieren schaffen. Derzeit besteht in Bezug auf 3D-Drucktechnologien, deren Funktionen und deren Einsatzmöglichkeiten noch eine Wissenslücke. Daher sind Unternehmen, die von der Technologie profitieren könnten, nicht bereit, diese zu übernehmen, da sie Schwierigkeiten haben, einen Geschäftsvorgang oder Benutzervorgang für den 3D-Druck zu entwickeln.
“Unternehmen sehen zwar die Möglichkeiten der additiven Fertigung, verfügen jedoch häufig nicht über das erforderliche technologische Know-how, um wirklich zu verstehen, wie schnell in die Produktion übergegangen werden kann.”
„Die Mehrheit unserer Kunden versteht die Technologie immer noch nicht richtig und weiß nicht, wie und wann sie eingesetzt werden soll. Oft denken sie, dass man mit einem 3D-Drucker alles machen kann und dass 3D-Druck andere Technologien ersetzen kann, was so nicht stimmt.”
Alessio Lorusso, CEO von Roboze
Das Verstehen des Unterschieds zwischen der traditionellen und der additiven Technologien ist eine weitere Herausforderung. Der 3D-Druck hat seine eigenen Konstruktions- und Herstellungsregeln, die die Machbarkeit der Produktion eines Teils mit dieser Technologie vorschreiben.
Dies bedeutet, dass die Technologie für Ingenieure, die für die traditionelle Fertigung geschult wurden und eine steile Lernkurve benötigen, um diese zu beherrschen, nicht intuitiv ist.
„Sie haben ein Gespür für traditionelle Herstellungstechniken, und wir haben uns mit traditionellen Herstellungstechniken vertraut gemacht. Die Leute beginnen oft mit Teilen, die auf herkömmliche Weise hergestellt wurden, und möchten Additive in dieses Teil einbeziehen, aber das stimmt nicht immer überein. ”
Wiener Mondesir, Mitbegründer und leitender Technologe bei Arevo
Glücklicherweise konzentrieren sich viele Unternehmen jetzt darauf, diese Wissenslücke zu schließen. Einige führen Online- und Vor-Ort-Kurse durch, um Ingenieure bei der Entwicklung von 3D-Druckfähigkeiten zu unterstützen, während andere Kompetenzzentren einrichten, um ihr Fachwissen in AM zu vertiefen.
Über die Teilnahme an AM-Konferenzen hinaus können Sie auch die Wissenstransfer fördern, indem Sie sich an AM-Beratungsunternehmen wenden.
Letztendlich können Unternehmen dieses Wissen nur nutzen, um erfolgreiche Anwendungen für die Technologie zu entwickeln, indem sie sich mit den Möglichkeiten und Einschränkungen des 3D-Drucks vertraut machen
„Es stellt sich die Frage, welche Technologien für welche Anwendungen am besten geeignet sind. Es ist wichtig, dass Sie sich über das Problem, das Sie lösen möchten, im Klaren sind, und dass Sie das richtige Werkzeug auswählen, um dieses Problem zu lösen.”
Duncan McCallum, CEO bei Digital Alloys
Finanzielle Herausforderungen
8. Die Anfangsinvestition tätigen
Die Übernahme von AM erfordert Zeit und Mühe. Das größte Hindernis für die Einführung könnte jedoch in den erheblichen Investitionen liegen, die erforderlich sind, um AM in die Produktion einzubringen.
Bei der Investition in AM geht es nicht nur um den Kauf der Ausrüstung. Es geht mehr darum, in das AM-Ökosystem zu investieren, das Software, Materialien, Mitarbeiterschulungen, Nachbearbeitungsausrüstung, Zertifizierung und schließlich die Einrichtung einer Einrichtung umfasst, die all dies ermöglicht.
Das Kapital und die Ressourcen, die erforderlich sind, um dieses Puzzle zusammenzustellen, sind manchmal so groß, dass eine Organisation nicht bereit oder nicht in der Lage ist, in AM zu investieren.
“Die Kosten für Ausrüstung müssen gesenkt werden, um die Technologie für breitere Märkte freizuschalten.”
Armin Wiedenegger, Strategie & Geschäftsentwicklung für Additive Fertigung bei der voestalpine High Performance Metals GmbH
Es gibt jedoch auch Unternehmen, die Hardware zugänglicher machen. Auf der Polymerseite entwickeln eine Reihe von 3D-Druckerherstellern industrielle Desktop 3D-Drucker, die einfach einzurichten und zu verwenden sind. Solche Systeme kosten in der Regel viel weniger als High-End-3D-Drucker, die leicht Hunderttausende von Dollar kosten können.
So hat beispielsweise das britische Automobilunternehmen Dunlop Systems and Components den Markforged Composite-3D-Drucker für rund 15.000 US-Dollar integriert.
In weniger als neun Monaten nach der Installation des 3D-Druckers konnte das Unternehmen die Technologie mehrfach einsetzen und so bis zu 40.000 GBP pro Jahr einsparen. Das Unternehmen berichtete auch, dass die Amortisation innerhalb von sechs Monaten stattgefunden hat, was ziemlich beeindruckend ist.
Auf der Metal-Seite gibt es ähnliche Entwicklungen: Unternehmen wie Desktop Metal, Markforged und Xact Metal bieten AM-Systeme für Einsteiger an. Metall-3D-Drucker dieser Art sind kompakt und kosten bis zu 150.000 USD. Dies ist ein Bruchteil der Kosten im Vergleich zu größeren Metall-3D-Druckern.
Investitionen in AM-Technologie können zwar entmutigend sein, sie können jedoch häufig auch gerechtfertigt sein, besonders wenn man die Gesamtauswirkung der Technologie auf das Endergebnis hin betrachtet. Aus diesem Grund ist es wichtig, vor dem Einstieg eine Geschäftsszenario zu entwickeln. Bei Dunlop beispielsweise identifizierte das Unternehmen zunächst eine Handvoll schneller Gewinne, mit denen sich die Kosten senken und kurzfristig klare finanzielle Erträge erzielen lassen.
Im Erfolgsfall sind es immer die schnellen Gewinne die die Aufmerksamkeit auf sich ziehen und ein Gefühl der Dynamik erzeugen, wodurch letztendlich Ressourcen generiert werden, die in ehrgeizigere, längerfristigere Projekte investiert werden können.
Herausforderungen bei Workflow und Integration
9. Disjunktes AM-Ökosystem
„Das gesamte AM-Ökosystem ist fragmentiert: Es gibt viele kleine Lösungen und Unternehmen, die man zusammenfügen muss, um einen Workflow und eine End-to-End-Lösung zu erstellen.“
Dave Conover, leitender Technologe für die Additive Fertigung bei Ansys
Damit AM-Prozesse auf industrieller Ebene skaliert werden können, muss die AM-Wertschöpfungskette, die von der Konzeption über die Produktion bis zur Nachbearbeitung des Produkts reicht, konsolidierter werden.
Derzeit ist der Markt mit vielen verschiedenen Lösungen gesättigt, die idealerweise zu einem umfassenden Angebot integriert werden können, wodurch die Einführung der Technologie vereinfacht wird.
Infolgedessen müssen Unternehmen, die AM Einführen möchten, unterschiedliche Lösungen kaufen und versuchen, diese zusammen zu fügen. Diese mangelnde Integration in der AM-Wertschöpfungskette führt zu vielen Ineffizienzen im Workflow.
Einige Unternehmen meistern diese Herausforderung durch Zusammenarbeit. Viele AM-Hardwarehersteller arbeiten mit Softwareanbietern zusammen, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern.
Ein Beispiel ist die Partnerschaft zwischen dem Entwickler für Industrielle 3D Desktop Drucker RIZE und dem Softwareunternehmen Dassault Systèmes. Im Rahmen dieser Partnerschaft werden SOLIDWORKS als Teil von Dassault und RIZE zusammenarbeiten, um eine nahtlose Integration zwischen der SOLIDWORKS-Design-Software und den RIZE-Druckern zu ermöglichen.
Andere Unternehmen konsolidieren das AM-Ökosystem, indem sie ihre Rollen entlang der Wertschöpfungskette erweitern. So hat beispielsweise der Chemie- und Formulierungsspezialist Henkel eine Vielzahl von Angeboten entlang der gesamten Wertschöpfungskette entwickelt.
Dazu gehören die Herstellung maßgeschneiderter Materialformulierungen, der Verkauf von Druckern unter der Marke Loctite und der Weiterverkauf von Druckgeräten von HP und Carbon. Henkel bietet auch Dienstleistungen für den Druck und die Nachbearbeitung von Teilen an.
„Die Schaffung von Ökosystemen und die Zusammenarbeit können einen wesentlichen Faktor für die weitere Beschleunigung der [3D-Druck-] Akzeptanz darstellen.“
Avi Reichental, Gründer von XponentialWorks
Letztendlich wird die Optimierung der Verknüpfung aller Elemente in der AM-Wertschöpfungskette der Schlüssel zur Schaffung einer stärkeren Branche sein.
10. Der Mangel an digitaler Infrastruktur
Um den 3D-Druck in der Produktion einsetzen zu können, benötigen Unternehmen die richtige digitale Infrastruktur, um ihre 3D-Druckvorgänge effizient verwalten zu können.
Viele Unternehmen bauen eine solche Infrastruktur mithilfe von Standard-IT-Lösungen auf. In vielen Fällen wurden diese Lösungen unter Berücksichtigung der Anforderungen der traditionellen Fertigung entwickelt und sind häufig nicht für 3D-Druck-Workflows gedacht.
Um dieses Problem zu lösen, hat die Branche eine Workflow-Management-Software speziell für den 3D-Druck entwickelt. Mit dieser Software können Sie den gesamten Workflow von der Anforderungsverwaltung über die Druckbarkeitsanalyse und Maschinenanalyse bis hin zur Produktionsplanung, Nachbearbeitungsverwaltung und Kommunikation mit Lieferanten verwalten.
Folglich kann ein Unternehmen über ein zentrales Produktionsplanungs und Produktionsüberwachungssystem verfügen, mit dem Teile verfolgt und Projekte angezeigt werden können, was eine bessere Rückverfolgbarkeit ermöglicht.
Workflow-Management-Software entwickelt sich schnell zu einer der wichtigsten Lösungen für die Erstellung der digitalen Infrastruktur für die AM-Produktion. Es macht die alltäglichen Geschäftsprozesse effizienter, indem die Aufgaben zwischen Menschen koordiniert werden. Schließlich hilft es dabei die Daten zwischen Systemen zu synchronisieren, wodurch die Integration von AM in eine digitale Fertigungsumgebung erheblich vereinfacht wird.
Die sich entwickelnde Industrie
Als eine noch junge Technologie hat der 3D-Druck viele Herausforderungen, aber das Gute ist, dass die Branche bestrebt ist, diese zu bewältigen. In den letzten zehn Jahren hat die Branche einen Quantensprung gemacht, indem sie bessere und schnellere Systeme entwickelt hat, mehr Materialien und Automatisierungslösungen entwickelte und die Liste der zugelassenen Normen erweitert hat.
Darüber hinaus haben wir große Anstrengungen unternommen, um die Wissenslücken zu schließen und eine neue Generation von AM Fachleuten zu fördern. Schließlich konsolidiert sich die Branche, da Unternehmen weiterhin nach Partnern suchen, um umfassende Lösungen zu entwickeln.
All diese Aktivitäten stehen für eine florierende Branche, die in den kommenden Jahren weiter wachsen und sich weiterentwickeln wird.
Werfen Sie einen Blick auf unsere vorherige Expertenrunde über die Zukunft des industriellen 3D-Drucks.
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