Kleinserien, Prototypen, Ersatzteile - der 3D Druck macht's möglich

Beim Thema „Produkte aus Kunststoff“ ist bei den Verbrauchern ein recht festes Bild etabliert: Sie sind leicht, biegsam, zerbrechlich – und billig. In der Realität stimmt das nur teilweise. Billig sind Produkte aus Kunststoff nur dann, wenn sie in grossen Stückzahlen hergestellt werden können.

Die Tiefzieh- und Spritzgussformen sowie die Maschinen auf denen sie eingesetzt werden sind alles andere als billig. Hier sind schnell zehn- bis hunderttausend Euro investiert, ohne dass nur ein einziges Bauteil produziert wurde. Doch mit dem 3D-Druck wird das anders.

Traditionelle Herstellung von Ersatzteilen

Serienbauteile aus Kunststoff werden bis heute vorwiegend im Spritzguss- und Tiefzieh- und Blasverfahren hergestellt. Beim Spritzgussverfahren wird ein Granulat aus Kunststoff erhitzt, bis es eine pastöse Konsistenz angenommen hat. Anschliessend wird diese Paste in eine Hohlform eingespritzt. Die Hohlform wird getrennt und das ausgehärtete Bauteil wird ausgeworfen.

Dieses Verfahren ist für technische Bauteile wie Stutzen, Lampenfassungen, Schaltergehäuse und Abdeckungen eingesetzt. Beim Tiefziehverfahren wird eine Platte aus Kunststoff erhitzt und im formbaren Zustand über eine Form gepresst. Ähnliches geschieht beim Blasverfahren. Dabei wird ein Universal-Rohling mit Druck und Hitze aufgeblasen, bis er sich vollständig an die Innenwand einer Form geschmiegt hat.
Für alle drei Verfahren sind grosse, robuste Maschinen, ein hoher Verbrauch an Energie und Betriebsstoffen sowie viel Einrichtungs- und Wartungspersonal erforderlich. Das einzelne Produkt hat zwar letztendlich nur wenige Cent Herstellungskosten – aber nur dann, wenn es auch in Tausender-Stückzahlen produziert wird. Das macht das Umsetzen von Kleinserien oder Prototypen aus Kunststoff bislang so schwierig.

3D Druck für den technischen Einsatz

Der 3D Druck feiert auch bereits bald seinen 30. Geburtstag. Obwohl diese unerhört praktische Technologie auf viele Fragen die richtige Antwort liefert, hat sein Durchbruch doch erstaunlich lange gedauert. Die ersten praktisch einsetzbaren Maschinen stehen der Industrie erst seit ca. 15 Jahren zur Verfügung. Bislang war der 3D Druck jedoch vor allem dem Herstellen von Prototypen vorbehalten. Doch das soll sich jetzt ändern. Der 3D Druck soll, zumindest im Bereich Kunststoff, die traditionellen Herstellungsverfahren zumindest ergänzen.

Eine Kunststoff-Spritzgussmaschine hat Taktzeiten von ca. 15 – 60 Sekunden, je nach Komplexität und Grösse des Bauteils. Diese Zeit dauert es, biss sich die Form geschlossen, ein neues Produkt eingespritzt und fertig ausgeworfen wurde. Danach muss es noch ein wenig nach bearbeitet werden. In Summe kommt eine Kunststoff-Spritzguss Maschine damit auf eine Stückzahl von bis zu 6000 Produkten pro 24-Stunden-Zyklus. Bei Tiefziehmaschinen ist die Produktivität ungefähr halb so gross.

Ein einzelner 3D-Drucker schafft in der gleichen Zeit maximal 50 Produkte von gleicher Grösse. Realistisch sind jedoch eher 10 bis 20 Produkte.

Eine Kunststoff-Spritzgussmaschine kostet neu ab ca. 500.000 Euro. Dazu kommen noch ca. 5000 Euro an Betriebsmitteln, beispielsweise Hydrauliköl. Je nach Grösse der Maschine sind umfassende bauliche Massnahmen erforderlich. Die tonnenschweren Maschinen benötigen ein besonders robustes Fundament. Bei Tiefziehpressen sieht es ähnlich aus. Für den Betrieb des Hydraulikaggregats und der Heizung ist sehr viel elektrische Energie erforderlich. Sie müssen permanent überwacht und nachjustiert werden, da sie sonst schnell grosse Mengen Fehlteile produzieren.

Für diesen Preis bekommt man aber auch 500 einsatzfähige 3D-Drucker. Sie kosten nicht nur einen Bruchteil, ihre Betriebskosten sind vor allem im Vergleich zu den anderen Herstellungsverfahren, geradezu vernachlässigbar. 3D-Drucker sind wesentlich leichter und lassen sich problemlos in Regalen aufeinander installieren. Dazu entfällt bei diesem Herstellungsverfahren die Hydraulik vollständig.

Rein rechnerisch schaffen diese 500 3D Drucker in 24 Stunden ca. 1000 Produkte. Um sie wirklich auf die gleiche Produktivität zu bekommen, wie die Spritzgussmaschine, braucht man also mindestens die dreifache Menge.

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Druckerfarmen als Antwort

Für den Aufbau einer seriellen Produktion aus 3D-Druckern braucht man nur eines – Platz. Ein 3D-Drucker hat zwar nur etwa 5% des Volumens einer Spritzgussmaschine. Bei 3000 3D-Druckern kommt aber doch einiges an Platzbedarf zusammen. Wie erwähnt: Die Maschinen sind sehr leicht. Sie lassen sich problemlos übereinander montieren. Mit Spritzguss- oder Tiefziehmaschinen geht das nicht so ohne weiteres.

Der Gedanke an die Produktionsmethode per Druckerfarm ist gewöhnungsbedürftig. Doch es gibt einige, handfeste Vorteile, die für diese Produktionsmethode sprechen. Der wichtigste Vorteil ist der Wegfall der Produktionswerkzeuge. Die Tiefzieh- und Spritzgussformen sind das teuerste Bauteil an einer Kunststoff-Produktionsmaschine. Es kann immer nur ein Werkzeug auf einer Maschine montiert sein. Alle anderen stehen als ungenutztes Kapital im Magazin herum. Zudem halten sie nicht ewig – nach einer definierten Menge an hergestellten Produkten sind sie schrottreif. Bei einem 3D Drucker ist die Software das Werkzeug. Sie wird einfach aufgespielt, schon kann der Drucker die nächste Charge liefern.

Ein weiterer Vorteil ist die Produktionssicherheit. Bei 3000 gleichzeitig laufenden 3D-Druckern wird zwar mit Sicherheit immer die eine oder andere Maschine ausfallen – dafür liefern aber die restlichen Maschinen zuverlässig ihre Produkte ab. Eine ausgefallene Spritzguss-Maschine bedeutet aber immer den vollständigen Stillstand der Produktion, mit allen unangenehmen Folgen, die dazu gehören.

Ideal für die Automobil-Industrie

Eine Herausforderung in der Automobilindustrie ist das Bereithalten von Ersatzteilen. Auch lange nach dem Auslaufen einer Produktion müssen aus Gründen der Garantie und Gewährleistung noch Austauschteile für die einzelnen Typen verfügbar sein. Bislang war dies nur durch Vorrats-Produktion und sehr hohe Lagerhaltungskosten möglich. Durch den 3D-Druck ändert sich dies vollkommen: Teile und Komponenten wie fehlendes Spiegelgehäuse ersetzen, defekte Heckleuchte austauschen, können so on demand hergestellt werden, ohne dass dazu teure Werkzeuge neu produziert oder repariert werden müssen.

Bislang nur Kunststoffteile möglich

Der Einsatz von 3D-Druck als Herstellungsverfahren für Auto-Ersatzteile ist gegenwärtig nur für Kunststoff-Teile umsetzbar. Die kritische Grösse ist die mechanische Belastbarkeit. Stahlteile oder besonders kritische Module wie Bremsbeläge können nach wie vor nur in den traditionellen Herstellungsverfahren produziert werden. Bis der 3D Druck die gesetzlichen Vorschriften am Beispiel für Bremsbeläge erfüllen kann, wird noch einige Zeit vergehen.

China zeigt die Zukunft

Was heute im Bereich Auto-Ersatzteile aus dem 3D-Drucker möglich ist, zeigt ein Fahrzeug aus China. Der Smart-ähnliche Fahrzeug LSEV kommt praktisch vollständig aus dem 3D-Druck. Die technischen Daten zeigen, wofür er gedacht ist: Mit einer Höchstgeschwindigkeit von 70 km/h und einer Reichweite von nur 150 km ist der elektrische LSEV nur ein reines Stadtauto. Dennoch: Projekte wie diese zeigen, wohin die Zukunft weist.

 

Titelbild: Chesky – shutterstock.com