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Die Auswirkungen von 3D-Druck auf die Logistik

Studienarbeit 2015 42 Seiten

BWL - Beschaffung, Produktion, Logistik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung und Problemstellung

2. Die Evolution des 3D-Drucks
2.1 Entstehung
2.2 Das Potential
2.3 Eigenschaften
2.4 Definitionen
2.5 Anwendungsfelder

3. Funktionsweise der Schichtbauverfahren
3.1 Vermarktete Druckverfahren
3.1.1 Dreidimensionales Drucken (3DP)
3.1.2 Selektives Laserschmelzen (SLS, SLM)
3.1.3 Elektronenstrahl-Schmelzen (EBM)
3.1.4 Fused Deposition Modeling (FDM)
3.1.5 Laser-Stereolithographie (LS)
3.2 Datenfluss im Schichtbauverfahren

4. Heutiger Einsatz und Marktentwicklung
4.1 3D-Drucker auf dem Markt

5. Die Logistik
5.1 Auswirkung auf die Logistik
5.1.1 Wandlung der Lagerhaltung
5.1.2 Wandlung des Lieferverkehrs
5.1.3 Entwicklung der Logistik-Dienstleister
5.2 Auswirkung auf die Supply-Chain (SC)
5.3 Fallbeispiel – Handyhülle

6. Ausblick

7. Analyse und Fazit

Literaturverzeichnis

Videoverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Von CAD bis zum physischen Bauteil

Abbildung 2: Material-Entwicklung des 3D-Drucks

Abbildung 3: Die Subtraktiven Herstellungsverfahren

Abbildung 4: Gesamter Druckprozess in kurzer Zeit

Abbildung 5: Aufbau des Schichtbauverfahrens in 2 Anwendungsebenen

Abbildung 6: Unterebene Rapid Prototyping

Abbildung 7: Anschauungsmodelle – Konzeptmodelle. Vgl. Nach

Abbildung 8: Unterebene von Rapid Manufacturing

Abbildung 9: Direct Manufacturing & Direct Tooling

Abbildung 10: Allgemeiner Ablaufplan einer Idee bis zum Produkt

Abbildung 11: Aufbau eines pulververarbeitenden Systems

Abbildung 12: Prozessablauf eines Pulver verarbeitenden Systems

Abbildung 13: Aufbau der SLS- und SLM-Drucker

Abbildung 14: Allgemeines Funktionsprinzip des Laser-Sinterns

Abbildung 15: Prozesskette mit Nachbearbeitung – SLS/SLM

Abbildung 16: Aufbau der EBM-Drucker

Abbildung 17: Aufbau FDM-Drucker

Abbildung 18: Düsenanordnung FDM-Drucker

Abbildung 19: Funktionsweise des LS-Druckers

Abbildung 20: Stützkonstruktion und beispielhafte LS-Druckers

Abbildung 21: Beispiele für Bauteile aus LS-Verfahren

Abbildung 22: Datenfluss im Schichtbauverfahren

Abbildung 23: Entwicklung der Verkaufszahlen von 3D-Druckern

Abbildung 24: Unternehmenslogistik in Segmenten

Abbildung 25: Typen des Supply-Chain-Managements

Abbildung 26: Der gewöhnliche Warenfluss einer Handyhülle

Abbildung 27: Der neue Warenfluss einer Handyhülle

Abbildung 28: Zukünftiger Warenfluss?

Abbildung 29: Von 3D zu 4D

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Subtraktive Herstellungsverfahren

Tabelle 2: Schlüsselbegriffe zu Schichtbauverfahren

Tabelle 3: Verfahren und Abkürzungen

Tabelle 4: Hauptbefehle des AMF-Formates

Tabelle 5: Drucker auf dem Markt

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung und Problemstellung

Die Dampfmaschine und die danach folgenden automatisierten Fertigungstechniken läuteten die bisherigen zwei industriellen Revolutionen ein. Sie eröffneten zu ihrer Zeit viele neue Möglichkeiten in der Fertigung. Mit diesen neuen Möglichkeiten veränderte sich nicht nur die komplette Wirtschaft, sondern auch die Lebensqualität.

Nun sprechen Medien, Wissenschaftler und Unternehmen von einer dritten industriellen Revolution, die durch den 3D-Druck eingeläutet wurde. Diese neue Technologie der Herstellung eröffnet sehr vielseitige und nahezu unbegrenzte Möglichkeiten in der Produktion.

Mit dem 3D-Druck können nicht nur kleine, selbstentworfene Gegenstände gedruckt werden, sondern auch große Objekte wie z.B. ein Haus, das komplett aus recycelten Materialien besteht, gedruckt bzw. hergestellt werden.

Auf den ersten Blick klingt alles noch fabelhaft, jedoch bringt jede industrielle Revolution auch neue Veränderungen mit sich. Die dabei einhergehenden Auswirkungen auf die Logistik und die heutige Supply-Chain werden durch die bestehende Euphorie oftmals unbeachtet.

Diese Studienarbeit befasst sich deshalb mit den bevorstehenden Auswirkungen auf die gesamte Logistik. Sie beinhaltet neben Prognosen eine Vielzahl von Videos, die jedes Kapitel begleiten.

Nach einer allgemeinen Übersicht zur Entwicklung, mit Eckdaten zu den Eigenschaften, Definitionen und den Anwendungsfeldern, folgen die Funktionsweisen der unterschiedlichen 3D-Druckerarten. Anschließend werden die heutige Einsatzgebiete und die Marktentwicklungen im privaten wie auch im industriellen Bereich aufgezeigt. Danach werden im Hauptteil, nach einer kurzen Einführung in die Logistik, die 3 wesentlichen Bestandteile der allgemeinen Logistik erläutert und unternehmensübergreifend betrachtet. Zusätzlich werden die Auswirkungen in einem eignen Fallbeispiel veranschaulicht. Der Ausblick und die Analyse runden diese Arbeit ab.

Video: 3D gedruckte Häuser - FUTUREMAG – ARTE

2. Die Evolution des 3D-Drucks

Mit dem zweiten Kapitel sollen Grundlagen über das Schichtbauverfahren und die Potentiale des Schichtbauverfahrens vermittelt werden, damit im Anschluss daran die Analyse und die Auswertung vom Einfluss auf die Logistik nachvollziehbarer wird.

2.1 Entstehung

Mitte der 80er-Jahre startete erstmals die große Evolution des 3D-Drucks. Charles W. Hull gelang es mit seiner Idee, die ursprünglich aus der Flachdrucktechnik stammte, ein dreidimensionales Computermodell zu drucken. Dies geschah durch das sogenannte Stereolithographie-Verfahren, bei dem dünne Schichten von Kunststoff wiederholt übereinander gedruckt wurden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Von CAD bis zum physischen Bauteil. Vgl. Nach [BHS13, S. 6f.]

Doch schon kurze Zeit später folgten weitere Schichtbauverfahren, mit denen es möglich war im Computer modellierte Gegenstände zu drucken. Bei allen Verfahren wird das verwendete Material Schicht für Schicht auf eine Bauplattform aufgetragen, bis das visualisierte Bauobjekt fertiggestellt wurde. Vgl. Nach [BHS13, S. 6f.]

Video: 3D Systems on Good Morning America - January 1989

2.2 Das Potential

Das Potential des Schichtbauverfahrens wird nicht durch die Herstellung von Endprodukten oder Prototypen begrenzt, sondern durch die Bereitstellung neuer Materialien. Jedes neuartige Material eröffnet im Schichtbauverfahren neue Konstruktionsmöglichkeiten und erweitert somit die Perspektiven in andere Bereiche.

Um die Vielseitigkeit der Materialien zu unterstreichen, forscht beispielsweise die Hochschule Weihenstephan in Kooperation mit verschiedenen Spezial-Firmen an der Herstellung von Lebensmittel, anhand des Schichtbauverfahrens.

Die Ziele, die mit der Bereitstellung neuer Materialien verfolgt werden, sind in erster Linie die der Herstellung von:

- seriennahe Ersatzteilfertigung
- kundenspezifischer Produktvarianten in kürzester Lieferzeit
- neuartiger Konstruktionslösungen
- medizintechnischer und biotechnologischer Anwendungen
- elektronischer Baugruppen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Material-Entwicklung des 3D-Drucks. Vgl. Nach [BHS13, S. 37f.]

Video: euronews hi-tech - Organspende aus dem Bio-Drucker

Video: Mahlzeit!: Lebensmittel-Revolution aus dem 3D-Drucker?

2.3 Eigenschaften

Man spricht nur dann von Schichtbauverfahren, wenn sie folgenden Eigenschaften entsprechen:

- Es liegt ein CAD-Datensatz des Gegenstandes vor.
- Die Datensätze können unabhängig ihrer Orientierung hergestellt werden.
- Es werden keine produktspezifischen Werkzeuge verwendet.
- Die mechanisch-technologischen Merkmale werden während der Herstellung vererbt.
- Die Maschine muss mit STL-Datensatz gesteuert werden.

Vgl. Nach [AND14, S. 5f.]

Sie unterscheiden sich durch diese Merkmale von den herkömmlichen Herstellungsverfahren. Der Fachbegriff für die herkömmlichen Herstellungsverfahren lautet: Subtraktive Herstellungsverfahren. Diese sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Subtraktive Herstellungsverfahren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Die Subtraktiven Herstellungsverfahren. Vgl. Nach [BHS13, S. 8ff.]

Wenn man nun das Schichtbauverfahren und die subtraktiven Herstellungsverfahren betrachtet, stellt man fest, dass diese subtraktiven Herstellungsverfahren nicht mehr als Produktionsschritte benötigt werden, um einen Gegenstand herzustellen. Beim Schichtbauverfahren wird der Gegenstand gleich in die benötigte Form gebracht, es muss nichts getrennt werden, es müssen keine Bauteile zusammengefügt werden und die Stoffeigenschaften werden beim Herstellungsprozess vererbt. Die Beschichtung wird im Schichtbauverfahren als Veredlungsschritt angesehen und nicht als Fertigungsschritt betrachtet. Vgl. Nach [BHS13, S. 8ff.]

Diese und weitere Vorteile reduzieren den benötigten Zeitaufwand und die damit verbundenen Herstellungskosten um ein Bauteil herzustellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Gesamter Druckprozess in kurzer Zeit. Vgl. Nach [BHS13, S. 8ff.]

2.4 Definitionen

Seit Anbeginn des 3D-Drucks kursiert eine Vielzahl von Begriffen für das Schichtbauverfahren, die für große Verwirrung der Kunden, aber auch der Quereinsteiger sorgt. Grund hierfür sind die Hersteller der 3D-Drucker, die durch propagierte Markenbezeichnungen sich von anderen Konkurrenten versuchen hervorzuheben, aber auch gleichzeitig abzugrenzen. Die offizielle Bezeichnung für das 3D-Drucken bzw. Schichtbauverfahren lautet – Generative Fertigungsverfahren - Englisch: additive Manufacturing – Vgl. Nach [AND14, S.2f.]

Folgende Tabelle fast einen kleinen Teil von Schlüsselbegriffen zusammen, die in Kombination zueinander die heutigen Herstellungsverfahren beschreiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Schlüsselbegriffe zu Schichtbauverfahren

Dabei entstehen unter anderem Begriffskombinationen wie:

- Desktop Manufacturing

Herstellung von Bauteilen/Objekten in unmittelbaren Nähe z.B. Büro, Gebäude.

- On-Demand Manufacturing

Herstellung von Bauteilen/Objekten nach individuellen Wünschen.

- Freeform Manufacturing

Herstellung von Bauteilen/Objekten mit frei wählbarer Bauform.

Welcher Begriff bzw. welche Begriffskombination nun zutreffender sind, ist bis heute noch nicht geklärt. Viele Hersteller und Wissenschaftler sehen ihre eigene Begriffskombination als zutreffender oder geeigneter als die der anderen. Diese Uneinigkeit ist auch ein Zeichen dafür, dass diese Technologie noch sehr jung ist. Oberflächlich gesehen beschreiben alle Begriffe das ein und dasselbe, das Schichtbauverfahren bzw. umgangssprachlich das 3D-Drucken. Vgl. Nach [AND14, S.2f.]

Der Verein Deutscher Ingenieure, kurz VDI, versuchte diese unüberschaubaren Kombinationen aus Schlüsselbegriffen, in einer Art Handbuch mit Richtlinien, für Anwender/Kunden und Produzenten von Schichtbauverfahren standardisiert zusammenzufassen. Vgl. Nach [AND14, S.2ff.] und [VDI09]

Die Richtlinie nach [VDI 3404: Generative Fertigungsverfahren]

- grenzt die generativen Verfahren von den konventionellen Verfahren ab,
- ermöglicht eine bessere Bewertung verschiedener generativen Verfahren,
- nennt die Qualitätsmerkmale verschiedener Verfahren,
- gibt entsprechende Prüfverfahren an,
- empfiehlt den Umfang und Inhalt von
- Prüfungen und
- Liefervereinbarungen.
- Hauptziel dieser Richtlinien ist es eine reibungslose Kommunikation zwischen Kunden und Lieferanten herzustellen und um Konflikte zwischen den Parteien vorzubeugen.

Vgl. Nach [VDI09]

2.5 Anwendungsfelder

In diesem Kapitel wird beschrieben, wo diese neue Technologie angewendet wird und welche Art von Produkten damit realisiert werden können. Um ein besseres Verständnis über die unterschiedlichen Anwendungen des Schichtbauverfahrens zu bekommen, werden nachfolgend Anwendungsebenen beschrieben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Aufbau des Schichtbauverfahrens in 2 Anwendungsebenen. Eigene Darstellung.

Wie in Abbildung 5 dargestellt, beginnt die Unterteilung des Schichtbauverfahrens in die zwei wichtigsten Anwendungsgebiete, Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing. In der Rapid Prototyping wird, wie schon der Name erahnen lässt, jeder Prototyp eines Konzeptes zusammengefasst. Zu Rapid Manufacturing hingegen zählen alle Produkte, die nach der Herstellung als Endprodukt durchgehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Unterebene Rapid Prototyping. Eigene Darstellung.

Concept Modeling und Functional Prototyping befinden sich in der Unterebene 1 des Rapid Prototyping. In beiden Bereichen werden CAD-Zeichnungen in eine dreidimensionale Form gebracht. Unterschiede zwischen beiden Bereichen gibt es so gut wie keine. Es wird in beider Hinsicht versucht einen besseren Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung zu erhalten und weitere Schritte zur Vervollständigung oder der Nachbesserung abzuleiten. Wobei man meistens bei Concept Modeling auf das gesamte Konzept eingeht und bei der Functional Prototyping auf einzelne Funktionen von Gegenständen. Diese Erzeugnisse werden auch als show-and-tell models oder auch Datenkontrollmodelle genannt. Vgl. Nach [AND14, S.4ff.]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Anschauungsmodelle – Konzeptmodelle. Vgl. Nach [AND14, S.4ff.]

Des Weiteren wird auch in Rapid Manufacturing in Unterebenen unterteilt. Hier sind Direct Manufacturing und Direct Tooling die Schlagwörter.

Von Direct Manufacturing spricht man, wenn die Erzeugnisse den festgelegten Eigenschaften und deren Funktionen entsprechen. Diese werden auch Endprodukte genannt z.B. Handyhülle, Schuh usw.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Unterebene von Rapid Manufacturing. Eigene Darstellung.

Direct Tooling bezeichnet hingegen alle Erzeugnisse, die nicht direkt als Endprodukt durchgehen. Sie dienen meistens als Hilfsmittel um ein Produkt fertigzustellen z.B. ein spezieller Schraubendreher oder eine Kombizange.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[1] [2]

Abbildung 9: Direct Manufacturing & Direct Tooling

Um nun die bisher genannten Anwendungsebenen zu verdeutlichen, werden die ebenen den entsprechenden Bereichen der Produktplanung zugeordnet.

In der folgenden Abbildung werden die Schritte von einer einfachen Idee bis hin zum fertigen Produkt in einem Ablaufplan dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Allgemeiner Ablaufplan einer Idee bis zum Produkt. Eigene Darstellung.

3. Funktionsweise der Schichtbauverfahren

In diesem Kapitel werden die gängigsten Verfahren des Schichtbauverfahrens, mit denen heutige 3D-Drucker arbeiten, und die allgemeine Prozesskette der Produktherstellung zusammenfassend erläutert.

3.1 Vermarktete Druckverfahren

Generatives Fertigungsverfahren beschreibt eine Vielzahl von technischen Verfahren, die in heutigen 3D-Druckern vorzufinden sind. Die einzigen Unterschiede zwischen den Verfahren liegen darin, wie die Schichten erzeugt werden, wie sie miteinander verbunden werden und welches Material eingesetzt wird. Das Ausgangsmaterial (Kunststoffe, Metalle…) kann dabei in unterschiedlichen Formen vorliegen. Ausgangsformen können sein: Pulver, Flüssigkeiten, Feststoffe, Folien oder Platten, wobei die ersten 3 (Pulver, Flüssigkeiten, Feststoffe) am häufigsten verwendet werden. Vgl. Nach [AND14, S. 33ff.]

[...]


[1] Bildquelle: http://www.muenchen-werbeartikel.de/logodruck/handy-zubehoer/handy-huelle-smartphone-bumper-bedruckbar-p-1227.html

[2] Bildquelle: http://www.elecdirect.com/images/pageheaders/ElecDirect_Tools.jpg

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Titel: Die Auswirkungen von 3D-Druck auf die Logistik