Potenzielle Auswirkungen des Einsatzes von 3D-Druckern

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Management Summary

2. Einleitung

3. Begriffsbestimmung
3.1 3D-Drucker
3.2 IT-Applikationen
3.3 Rapid Technologie

4. Verfahren
4.1 Stereolithographie
4.2 Selektives Lasersintern
4.3 Fused Layer Modeling
4.4 Layer-Laminate-Manufacturing

5. Anwendungsgebiete

6. Auswirkungen
6.1 Auswirkungen des Rapid Prototyping
6.2 Auswirkungen des Rapid Tooling
6.3 Auswirkungen des Rapid Manufacturing

7. Fazit

Literatur- bzw. Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 - Schichtbauprinzip

Abbildung 2 - Technologie der generativen Fertigungsverfahren und ihre Gliederung

Abbildung 3 - Arten von Werkstoffen und hierzu korrelierende Verarbeitungsverfahren

Abbildung 4 - Schematische Darstellung des Selektiven Lasersintern

Abbildung 5 - Schematische Darstellung des Fused Layer Modeling

Abbildung 6 - Verfahrensprinzip des Layer-Laminate-Manufacturing

Abbildung 7 - 3D-gedrucktes Ausschmelzmodell und Abguss

Abbildung 8 - lasergesinterter Geometrie einer Schädelplastik

Abbildung 9 - Getriebe mittels Extrusionsverfahren hergestellt

Abbildung 10 - Layer-Laminate-Manufacturing-Modell und Alu-Abguss

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Management Summary

Die Bezeichnung „Generative Fertigung“ - derzeit in der Presse vor allem unter dem Begriff 3D-Drucken beschrieben - steht für die Weiterentwicklung von Herstellungsverfahren des Prototypenbaus. Die, unter „Rapid Technologie“ zusammengefassten Verfahren werden in ihrer Anwendungsebene in Rapid Prototyping (RP), Rapid Tooling (RT) und Rapid Manufac- turing (RM) unterschieden. Der Herstellungsprozess beginnt mit einem 3D-CAD-Modell, wel- ches über Scannsysteme, Messsysteme oder eine CAD-Zeichnung erstellt wird. In der weite- ren Verarbeitung wird das entsprechende Modell tesseliert um daraus anschließend die Schichtdaten zu erzeugen. Zu den damit vorliegenden Fertigungsinformationen werden noch Prozessparameter benötigt, die abhängig vom verwendeten Verfahren und Bauwerkstoff festgelegt werden. Mit diesen Informationen wird Schicht für Schicht das reale Bauteil in der Bauplattform erzeugt.¹ Abhängig von dem Aggregatzustand des Ausgangsmaterials und den unterschiedlichen physikalischen Prinzipien der Verfestigung haben sich verschiedene Ver- fahren entwickelt die alle unterschiedliche Schwerpunkte bezüglich Genauigkeit, Detaillie- rung, Oberfläche, und Eigenschaften haben. Dadurch kann der 3D-Druck in vielen Bereichen Anwendung finden. Innerhalb eines Unternehmens zum Beispiel im Marketing, in der Ent- wicklung oder auch in der Fertigung. Aber auch darüber hinaus ist der Einsatz in den unter- schiedlichsten Branchen bis hin zur privaten Nutzung denkbar. Die Auswirkungen einer sol- chen Anlage sind daher stark abhängig von dem benutzten Verfahren in Kombination mit dem jeweiligen Einsatzgebiet.²

Unternehmen können durch kurzfristig erstellte Modelle eine Steigerung der Produktivität mit bedeutenden Zeit- und Kosteneinsparungen sowohl im Entwicklungsprozess als auch bei der Serienreifmachung und der Fertigung der Produkte zu verzeichnen. Neben einer verbesser- ten Kommunikation ist eine schnellere Markteinführung neuer Produkte möglich. Neue Konstruktionsfreiheiten, Multimaterialfähigkeit und Gradientenfähigkeit bieten außerdem gro- ßes Potenzial für Innovationen. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit der einfachen Indivi- dualisierung von Bauteilen. Den Unternehmen bieten diese Verfahren somit eine gute Mög- lichkeit die aktuellen Trends wie kürzere Produktlebenszyklen, steigende Individualisierung oder geringere Produktionskosten umzusetzen und sich dadurch erfolgreich auf dem Markt zu positionieren.³

Generative processing - in press releases currently known as 3D-print - stand for further development of production methods of prototyping. Different methods of rapid prototyping can be distinguished in accordance of their application, e.g. Rapid Prototyping, Rapid Tooling and Rapid Manufacturing.

The production process starts with a 3D-CAD-model, which can be created by a scan sys- tem, measure system or by a CAD-drawing. In the next step the model needs to be tessellat- ed to get the layer data. Additional information are needed e.g. process parameters, which depend on the production method and the material. With these information the model will be „printed“ layer by layer.⁴ Different production methods have been developed in respect to physical principals and the aggregation state of the material. The methods come with differ- ent values in accuracy, level of detail, surface and characteristics. These are the reasons why the 3D print can be utilized in such different areas. 3D print technologies can be used in different areas of a company, e.g. in marketing, development or production. The use of 3d printers can be extended in different branches and even the use in the private household is possible. The impact of 3D printers must be seen in respect of the application and the pro- duction method.⁵

Companies can reach an increase of productivity and save costs by using fast produced pro- totypes even in product development, increase production stage and in the production. A better communication can be reached and a faster introduction to the market is feasible. The new possibilities in construction, the use of different materials and gradient capability provide big potential for innovations. Furthermore new ways of individualized components can be reached. Companies have the great opportunity to improve the time to market, follow the trend of shorter product life cycles and the demand of individualism and lower production costs to work with more effectiveness.⁶

2. Einleitung

Das Ausdrucken von Dokumenten oder Fotos mit Tintenstrahl- bzw. Laserdruckern ist heutzutage selbstverständlich. Die Geräte sind in jedem Büro vorzufinden und selbst die Mehrzahl der computerisierten Haushalte ist mit solchen Druckern ausgestattet. Die nächste Entwicklungsstufe der Drucker ist die dritte Dimension, wodurch Körper z.B. aus Kunststoff, Keramik oder Metall produziert werden können. Als ein Element der Rapid Technologie werden diese Verfahren hauptsächlich in der Industrie verwendet um dort schnell und kostengünstig Prototypen herzustellen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit zur direkten Herstellung von Werkzeugen oder auch Kleinserien. Allerdings halten bereits erste Geräte aus dem Kunststoffbereich in privaten Haushalten Einzug um Alltagsgegenstände, Ersatzteile oder Dekoration einfach selber „drucken“ zu können.⁷

Gerade vor dem Hintergrund steigender Individualität von Produkten und damit verbundenen kürzeren Produktlebenszyklen können diese generativen Verfahren in Zukunft neue Möglichkeiten schaffen. Außerdem sind durch Weiterentwicklung von Material- und Objektfähigkeiten völlig neue Einsatzgebiete entstanden. Doch was können diese Fertigungsverfahren genau und sind sie eine Bereicherung für ein Unternehmen oder nur eine unnütze Spielerei?

In dieser Hausarbeit wird aufgezeigt, welche Potenziale der Einsatz von 3D-Druckern in der Industrie bietet. Für ein besseres Verständnis werden zu Beginn die wichtigsten Begriffe erklärt. Danach werden die unterschiedlichen Anwendungsbereiche der Technologie unterschieden sowie die gängigsten Herstellungsmethoden erläutert, um ein allgemeines Verständnis über die Technik zu vermitteln. Im weiteren Verlauf werden entsprechende Einsatzgebiete der jeweiligen Verfahren aufgezeigt damit anschließend die Auswirkungen dieser Einsätze erörtert werden können. Zum Schluss der Arbeit wird ein Resümee gezogen. Ziel dieser Hausarbeit ist es, einen Überblick über mögliche Auswirkungen des Einsatzes von 3D-Druckern auf dem Markt zu erhalten. Welche Chancen ergeben sich für Unternehmen und welchen Einfluss hat das auf die Value-Chain?

3. Begriffsbestimmung

3.1 3D-Drucker

3D-Drucker sind Maschinen (in einer Analogie "Drucker" genannt), welche dreidimensionale Werkstücke erzeugen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, erfolgt der Aufbau aus Einzelschichten, welche computergesteuert nach vorgegebenen 3D-Daten aufgebaut und in der richtigen Reihenfolge aufeinander gefügt werden. Einsatzgebiet dieser Maschinen ist die Rapid Technologie wobei sich unterschiedliche Verfahren entwickelt haben. Diese können nach physikalischen Prinzipien sowie den unterschiedlichen Aggregatzuständen des Ausgangsmaterials klassifiziert werden.⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Schichtbauprinzip⁹

3.2 IT-Applikationen

Um von einem gewünschten Modell den 3D-Datensatz und die ihn bestimmenden mathematischen Schichtinformationen zu erhalten, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Am häufigsten werden die Geometriedaten über ein CAD- Programm, wie beispielsweise Autodesk, erzeugt. Aber auch durch 3D-Scannen von existierenden Modellen oder durch Messdaten können die benötigten Daten generiert werden. Anschließend kann eine Software aus den 3D-Daten die Schichtdaten erzeugen. Diesen Vorgang nennt man slicen. Ein weit verbreitetes Verfahren, welches nahezu jedes CAD-Programm und jede Rapid-Technologie- Software unterstützt, ist das STL-Format. Dabei wird die Oberfläche des Bauteils tesseliert, desto größer ist die Genauigkeit der Darstellung. Zusätzlich zu den Geometriedaten werden verfahrens- und anlagespezifische Daten mittels einer Frontend Software an die Maschine überliefert.¹⁰

3.3 Rapid Technologie

Die Rapid Technologie ist Teil der generativen Fertigungsverfahren und unterteilt sich in die Herstellung von Prototypen bzw. Modellen (Rapid Prototyping) und die Erzeugung von Ein- zelanfertigungen bis hin zu Kleinserien (Rapid Manufacturing). Die Produktion von Werkzeu- gen (Rapid Tooling) ist technologisch keine eigene Gruppe, sondern je nach Bauteil dem Rapid Prototyping oder dem Rapid Manufacturing zuzuordnen.¹¹ (siehe Abbildung 2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Technologie der generativen Fertigungsverfahren und ihre Gliederung¹²

a) Rapid Prototyping (RP) bezeichnet die Verfahren zur Herstellung geometrischer Formen aus vorhandenen CAD-Daten. Diese meist aus Kunststoff bestehenden Bauteile haben keinen Produktcharakter sondern sind ausschließlich physische Bauteile und dienen als Funktionsmuster oder Designmodelle. Im Unternehmen kommen sie im Marketing und Vertrieb, als auch im Bereich von Montageanalysen zur Anwendung. Der größte Vorteil ist, dass sehr komplexe Geometrien gefertigt werden können, die nicht mit den üblichen Fertigungsverfahren produzierbar sind. Für einzelne, besonders wichtige Eigenschaften eines Bauteils ist es möglich, Modelle zu erstellen, die diese speziellen Produkteigenschaften überprüfen und sicherstellen.¹³

[...]

¹ Vgl. https://wiki.zimt.uni-siegen.de, Stand: 04.06.2014

² Vgl. Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.321

³ Vgl. www.ipa.fraunhofer.de, Stand: 20.06.2014, S.76

⁴ Vgl. https://wiki.zimt.uni-siegen.de, Stand: 04.06.2014

⁵ Vgl. Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.321

⁶ Vgl. www.ipa.fraunhofer.de, Stand: 20.06.2014, S.76

⁷ Vgl. https://wiki.zimt.uni-siegen.de, Stand: 04.06.2014

⁸ Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.2ff

⁹ Quelle: www.juniortacke.de, Stand: 04.07.2014 d.h. mit unterschiedlich großen, ebenen Dreiecken überzogen. Je kleiner die Dreiecke sind,

¹⁰ Vgl. Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.23ff

¹¹ Vgl. Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.6f

¹² Quelle: Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.7

¹³ Vgl. Andreas Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren, S.7