3D-Druck Additive Fertigung macht Verkehr nachhaltiger

Ein Gastbeitrag von Jaime Garcia

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Wie 3D Systems betont, kann die Additive Fertigung dem kommerziellen und öffentlichen Verkehr mehr Nachhaltigkeit bescheren. Wie das geht, verrät dieser Beitrag.

3D Systems kennt sich mit dem 3D-Druck gut aus. Hier informiert ein Spezialist und Manager im Bereich Truck, Bus & Rail des Unternehmens, wie die Additive Fertigung viele Branchen, vor allem auch den öffentlichen und kommerziellen Verkehr, nicht nur nachhaltiger machen kann.
3D Systems kennt sich mit dem 3D-Druck gut aus. Hier informiert ein Spezialist und Manager im Bereich Truck, Bus & Rail des Unternehmens, wie die Additive Fertigung viele Branchen, vor allem auch den öffentlichen und kommerziellen Verkehr, nicht nur nachhaltiger machen kann.
(Bild: 3D Systems)

Bei Ausbruch der Coronapandemie 2020 musste man schnell lernen, wie leicht die Nachhaltigkeit der Wirtschaft ins Wanken geraten kann. Die negativen Auswirkungen auf Lieferketten und die Weltwirtschaft waren so gravierend, dass Regierungen immer noch Initiativen umsetzen, um den Trend umzukehren. So hat Präsident Biden in den USA beispielsweise die Additive Manufacturing Forward (AM Forward) ins Leben gerufen und das indische Ministerium für Elektronik und Informationstechnologie die National Strategy on Additive Manufacturing (NSAM) veröffentlicht.

Das teuerste Teil ist das nicht verfügbare

Weltweit ist leider auch der Güter- und Personenverkehr wie Lkw, Bus und Bahn diesem Trend zum Opfer gefallen. Die betreffenden Branchen müssen aufgrund des Nachfragerückgangs, des Mangels an Arbeitskräften und durch die Verzögerungen in der Lieferkette momentan einen tiefen Einbruch erleiden. Viele Hersteller haben deshalb begonnen, an kundenspezifischen Produktspezifikationen zu arbeiten, um einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen. Allerdings gestaltet sich das nicht so einfach, weil die entsprechenden Produkte schließlich auch geliefert werden müssen. Bei John Deere Mexiko machte der damalige Vorstand von John Deere Argentina, Antonio Garcia, einst eine lehrreiche Aussage: „Es gibt kein teureres Teil als das, das nicht verfügbar ist.“ Er hatte offensichtlich, wie viele andere nun auch, erkannt, wie wichtig eine agilere Produktinnovation und flexiblere Fertigungsprozesse sind, um Nachhaltigkeitsstrategien weiterzuverfolgen und in unserer neuen Post-Pandemie-Realität das Wachstum des Geschäfts zu sichern.

Erste Maßnahmen gegen Mangel an kritischen Teilen

Die Folgen des starken Rückgangs der Frachtbewegung und des Personentransports zwangen gewerbliche Frachtunternehmen und Betreiber öffentlicher Verkehrsmittel dazu, große Teile ihrer Fahrzeuge zu parken. Sie sind inzwischen zwar wieder in der Lage, diese in Betrieb zu nehmen, benötigen dafür aber qualifizierte Wartungsarbeiten und schwer zu beschaffende Ersatzteile. Vor diesem Hintergrund überdenken Transporteure und Direktlieferanten ihre Finanzstrategien, um die Lieferketten belastbarer zu machen. Dabei legen sie zunehmend Wert auf Schnelligkeit und Verfügbarkeit von Komponenten für kritische Teile. Auch integrieren sie vertikale Prozesse und etablieren Partnerschaften mit regionalen Lieferanten, die näher an ihren Montagestandorten liegen.

Vorteile der Additiven Fertigung für die Teilelogistik

Die Additive Fertigung hat bereits unter Beweis gestellt, dass sie die Produktivität ankurbeln kann und damit die wirtschaftliche Nachhaltigkeit fördert. Sie ermöglicht rasche Innovationen und eine bis zu dreimal schnellere Markteinführung, weil sie in der Lage ist, die Anzahl der Teile zu reduzieren, damit die Teilelogistik vereinfacht und nicht zuletzt die Lagerbestände um bis zu 90 Prozent verringert werden können.

Daraus ergeben sich unzählige Vorteile, wie zum Beispiel ein geringeres Risiko von Verzögerungen und vereinfachte Montagevorgänge, durch die der Arbeitsaufwand sinkt. Durch die Möglichkeit, mit der Additiven Fertigung monolithische Teile herzustellen, steigt die Qualität der Produkte und damit auch deren Zuverlässigkeit. Kundendienstleistungen minimieren sich und auch die Anzahl an erforderlichen Ersatzteilen. Einige 3D-Systems-Kunden brauchen deshalb jetzt rund 60 Prozent weniger Ersatzteile. Dadurch, dass weniger Ersatzteile im Lager vorzuhalten sind, verringert sich auch die Anzahl an Auslaufteilen, die, wenn es das Produkt nicht mehr gibt, eventuell teuer zu entsorgen wären.

Vergleichsdiagramm zwischen subtraktiven und additiven Fertigungsprozessen eines Kühlkörpers für das IGBT-Phasenmodul einer Lokomotive. Man sieht, dass die Additive Fertigung zu einer kürzeren Zykluszeit führt und es keine Produktionswerkzeuge mehr braucht, was zu einer verringerten WIP-Nutzung führt.
Vergleichsdiagramm zwischen subtraktiven und additiven Fertigungsprozessen eines Kühlkörpers für das IGBT-Phasenmodul einer Lokomotive. Man sieht, dass die Additive Fertigung zu einer kürzeren Zykluszeit führt und es keine Produktionswerkzeuge mehr braucht, was zu einer verringerten WIP-Nutzung führt.
(Bild: 3D Systems)

Mit Additiver Fertigung direkt für die Anwendung entwickeln

Die Additive Fertigung fördert aber auch die ökologische Nachhaltigkeit. Denn für die Herstellung von Teilen, Fertigungshilfsmitteln und Werkzeugen wird weniger Material benötigt. Auch verringert sich im Gegensatz zur spanenden Fertigung mit ihr der Abfall. Die Möglichkeit, Teile und Produktionswerkzeuge nach Bedarf zu produzieren, anstatt sie in Regalen zu lagern, spart weitere Lagerfläche und macht die Lagerung teurer Bestände für auslaufende Produkte überflüssig. Schließlich bietet die Additive Fertigung den Ingenieuren viel mehr Designfreiheit, um Teile zu entwerfen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht machbar sind. Wo in der Vergangenheit oft für Fertigungssysteme entwickelte wurde, kann jetzt für die Anwendungen entwickelt werden. So können energieeffizientere Produkte entstehen.

Schnittteil und Montage eines optimierten und integrierten pneumatischen Doppelventils mit Verteiler. Es wurde gedruckt mit dem DMP Flex 350 Dual von 3D Systems aus dem Werkstoff Laserform AlSi10Mg (A). Im Vergleich zur üblichen Fertigung konnte seine Masse um 42 Prozent reduziert werden. Außerdem wurden 15 Teile eingespart.
Schnittteil und Montage eines optimierten und integrierten pneumatischen Doppelventils mit Verteiler. Es wurde gedruckt mit dem DMP Flex 350 Dual von 3D Systems aus dem Werkstoff Laserform AlSi10Mg (A). Im Vergleich zur üblichen Fertigung konnte seine Masse um 42 Prozent reduziert werden. Außerdem wurden 15 Teile eingespart.
(Bild: 3D Systems)

Flexible Fertigungsalternative mit vielen Vorteilen

Die Additive Fertigung wurde seit ihrer Einführung in den 80er-Jahren um viele verschiedene Druckmöglichkeiten erweitert, wie etwa um Photopolymere, Pulverbettfusion und Direktmetalldruck. Auch die Zahl der Werkstoffe, die auf die Anforderungen der Endproduktion zugeschnitten sind, hat sich deutlich erhöht. Hinzu kamen fortschrittliche Softwareanwendungen, die eine maximale Designfreiheit wahr werden lassen. Die Additive Fertigung ist damit zu einem transformativen technischen Werkzeug geworden, das Innovationen auch im Transportwesen fördert.

Darüber hinaus ist sie ein Katalysator für vertikale Integration mit einer einfachen Schnittstelle, die eine noch einfachere Einführung ermöglicht. Die Additive Fertigung ist also weit mehr als nur eine Möglichkeit, eine Produktionsmethode zu beschreiben (also additiv oder subtraktiv). Sie kann mit Fug und Recht als Paradigmenwechsler mit einzigartigen Vorteilen für das Geschäft bezeichnet werden.

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Kein Werkzeug nötig – weniger Änderungskosten

Mit der Additiven Fertigung entfällt außerdem ein ehemals wesentliches Glied im Produktionsprozess – die Werkzeugfertigung. Denn die Möglichkeit, ein Teil ausgehend von seinen digitalen Konstruktionsdaten direkt, also ohne eine Form oder ein Werkzeug, zu fertigen, macht den Prozess nicht nur effizienter. Sie erlaubt auch die Dezentralisierung des Geschäftsmodells sowie die schnelle Anpassung bei Änderungen an der Bauteilkonstruktion, was auch noch günstiger erfolgen kann, weil das Werkzeug oder die Form und weitere Fertigungshilfsmittel nicht auch noch geändert werden müssen.

Ausschnitt aus einem per Additiver Fertigung optimierten flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher, der ohne Stützstrukturen auf dem DMP Flex 350 Dual von 3D Systems mit Laserform ALSi7MG0.6 (A) gedruckt wurde. Er nimmt nun 83 Prozent weniger Platz ein und besteht aus 97 Teilen weniger.
Ausschnitt aus einem per Additiver Fertigung optimierten flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher, der ohne Stützstrukturen auf dem DMP Flex 350 Dual von 3D Systems mit Laserform ALSi7MG0.6 (A) gedruckt wurde. Er nimmt nun 83 Prozent weniger Platz ein und besteht aus 97 Teilen weniger.
(Bild: 3D Systems)

Werkzeuge können aber auch einfach gedruckt werden!

Im Vergleich zur Automobilindustrie erfordern gewerbliche und öffentliche Verkehrsmittel wesentlich größere Teile. Additive Fertigungsmethoden werden zwar immer produktiver und ermöglichen dabei immer größere Bauteile, doch einige wichtige Teile können leider immer noch nicht mit den aktuell erhältlichen 3D-Druckern hergestellt werden. Im Falle vieler Komponenten, wie etwa großer Metallgussteile, Karosserieteile oder Innenpaneele, kann die Fertigung für den Endnutzungsverbrauch nicht so effizient wie gewünscht erfolgen, sodass diese auf konventionellem Wege hergestellt werden müssen. Dann ist die Additive Fertigung aber die perfekte Alternative, um schnell Fertigungswerkzeuge und geringe Volumina an Gussformen herzustellen, die, je nach Bedarf, einmal oder mehrmals verwendbar sind. Die Additive Fertigung bietet den Vorteil, dass auch diese im digitalen Werkzeugbestand hinterlegt werden können, womit der Bedarf an Lagerräumen für solche Produktionsmittel entfällt.

Eine vakuumgeformte Form, die mit dem FDM aus Titan Atlas 3.6 und PC-GF10 mit 10 Prozent Fülldichte für das Thermoformen einer 3 Millimeter dicken FR-Bahnplatte mit Polycarbonat-Platten gemäß EN 45545-2:2013 R1 gedruckt wurde.
Eine vakuumgeformte Form, die mit dem FDM aus Titan Atlas 3.6 und PC-GF10 mit 10 Prozent Fülldichte für das Thermoformen einer 3 Millimeter dicken FR-Bahnplatte mit Polycarbonat-Platten gemäß EN 45545-2:2013 R1 gedruckt wurde.
(Bild: 3D Systems)

Das Bestandsmanagement wird komfortabler

Aufgrund des schnellen Wachstums an digitalen Verschlüsselungs- und IP-Schutztechnologien wie Digital Right Management (DRM) oder Blockchain-Systemen ist das geistige Eigentum in Form von 3D-Modellen und 3D-Druckparametern gut geschützt. Die Schutzmöglichkeiten lassen sich außerdem perfekt in additive Fertigungssysteme einbinden. Eigentümer von Rechten an einem Design können digitale Informationen dann auch global verteilen und etwa steuern, wie viele physische Teile produziert werden sollen und dabei die Qualität gewährleisten, während Remotebenutzer oder -hersteller nach Bedarf drucken können, ohne dass Inventar versendet, versichert, gelagert oder gewartet werden muss.

Graphische Darstellung von verschlüsselten 3D-Modellen und Paketen mit technischen Daten, bei denen Druckmengen und Herstellungsparameter wie Material, Werkzeugwege, Temperatur, Geschwindigkeit et cetera über digitale Schlüssel gesteuert werden können.
Graphische Darstellung von verschlüsselten 3D-Modellen und Paketen mit technischen Daten, bei denen Druckmengen und Herstellungsparameter wie Material, Werkzeugwege, Temperatur, Geschwindigkeit et cetera über digitale Schlüssel gesteuert werden können.
(Bild: 3D Systems)

Mit Vollgas auch die Transportbranche verbessern

Unternehmen mit einer soliden langfristigen Vision für Nachhaltigkeit sind bemüht, so zu arbeiten, dass sie wirtschaftliches Wachstum fördern, soziale Herausforderungen meistern, auf erneuerbarer Ressourcen setzen und Abfall vermeiden. Führende Transportunternehmen und Direktlieferanten überdenken ihre Finanzstrategien bereits, um ihre Lieferketten stabil zu gestalten. Sie legen zunehmend Wert auf Schnelligkeit und die Verfügbarkeit von Komponenten für kritische Teile. Viele von ihnen integrieren die Additive Fertigung schon in ihre Produktionsabläufe, um heute schon den Grundstein für den zukünftigen Erfolg zu legen.

Wer diesen Schritt in Erwägung zieht, tut sich unter Umständen aber schwer damit, zu verstehen, wie hoch die Anfangsinvestition sein wird, welche Druckverfahren angesichts der Anforderungen die Richtigen sind und mit welchem Schulungsbedarf die Einführung zu veranschlagen ist. Diese Fragen kann aber ein strategischer Partner leicht beantworten, der technische Unterstützung und durchgängiges additives Fertigungs-Know-how anbieten kann. So eröffnen sich Herstellern und Zulieferern jeglicher Größe viele Chancen, die Additive Fertigung als effektiven Katalysator zur Stärkung ihrer Innovations- und Wettbewerbsposition zu implementieren.

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