Additive Manufacturing: Jetzt wird es ernst im Metall-3D-Druck

Oft bekommt man die besten Ideen zu Artikeln abends in der Bar. So auch bei der Stratasys-Veranstaltung vor einigen Wochen, als ich mit Terry Wohlers und einigen Managern aus den USA zusammensaß. Die Dimensionen, in denen diese Manager denken, sind beeindruckend – und ein wenig erschreckend. Am nächsten Tag wurde ich von einem deutschen Journalisten gefragt, ob „dieser 3D-Druck“ eigentlich schon mehr als Spielerei ist. Diese Diskrepanz gab mir zu denken, ich befürchte eine echte Gefahr für die deutschen Additive Manufacturing-Hersteller, die bis heute sehr erfolgreich sind – doch was passiert, wenn der AM-Markt plötzlich wirklich ins Fliegen kommt?

Die US-Manager arbeiten bei verschiedenen US-Lohnfertigern – deren Dimensionen das, was wir hier als Lohnfertiger kennen, bei weitem sprengen. Eines der Unternehmen hat etwa 15.000 CNC-Maschinen im Einsatz, pro Jahr kauft das Unternehmen 3.000 neue CNC-Fräsen. Viele dieser Anlagen stehen in China, wo unter anderem Teile für Mobiltelefone hergestellt werden. In solchen Firmen wird groß gedacht und vor allem in Prozessen.

Ich möchte hier einige bedenkenswerte Aussagen und Gedankengänge aus dem Gespräch wiedergeben, weil sie mich sehr zum Nachdenken gebracht haben:

Additive Metallfertigung ist eine Skalierungstechnologie für die Massenfertigung

Bei Kunststoff ist die Skalierung vom Prototypen zur Massenfertigung heute relativ einfach, wie mir einer der Herren erklärte: Man druckt die ersten Prototypen eines Bauteils auf einem 3D-Drucker. Diese Geräte bieten heute schon sehr realitätsnahe Kunststoffe an, was zu relativ realitätsnahem Teileverhalten führt. Die Vorserie kann man mit einer 3D-gedruckten Form oder einer Aluform beispielsweise bei Proto Labs fertigen. Die Massenfertigungstechnologie ist dann der automatisierte Spritzguss in einer Mehrkavitätenform.

Ersetzen wir nun Kunststoff durch Metall: Der Prototyp entsteht additiv in der AM-Anlage, doch direkt danach entsteht sozusagen ein Medienbruch – die allermeisten Metallgussverfahren sind nicht massentauglich, also wird subtraktiv gefertigt. Die Manager am Tisch sahen die additive Massenfertigung als Komplementärtechnologie zum Kunststoff-Spritzguss, mit der eine nahtlose Skalierung des Fertigungsprozesses möglich wird. Das war für mich eine völlig neue Herangehensweise an die additiven Technologien, ich sehe diese Technologien immer noch aus Blickrichtungen wie Individualisierung, Komplexität ohne Aufpreis und Ähnlichem.

Die Qualitätssicherung in AM-Prozessen ist sehr schwierig

Die Qualitätssicherung fordert dokumentierte, nachweisbare und nachvollziehbare Prozesse und Messwerte beziehungsweise Kennzahlen, anhand derer Ausschuss und Gutteile unterschieden werden. Prozesssicherheit bedeutet, potentielle Störpunkte zu kennen und möglichst auszuschließen. Automatisierung ist gut für die Qualität, weil die Nachvollziehbarkeit steigt (siehe nächster Punkt.

Die Erfahrungen mit Additiver Fertigung sind noch sehr frisch, weshalb der Prozess und das Optimieren des Prozesses oft von Trial-and-Error geprägt sind. Die Störpunkte sind nicht vollständig bekannt – im Vergleich beispielsweise zu Fräsverfahren – und deshalb schlechter abschätzbar.

Allerdings arbeiten die Additive Manufacturing-Firmen fieberhaft an diesem Punkt und etablieren In-Process-Qualitätsüberwachung, beispielsweise bei EOS. Für meine Gesprächspartner war der heutige Stand allerdings nicht in der Praxis einsetzbar.

Bei der Additiven Fertigung in Metall ist derzeit noch zu viel manuelle Nacharbeit notwendig, um die Technologie reif zu machen für die Massenfertigung

Einer der Herren sagte, dass die Druckzeit bei Teilen wie den bekannten, AM-gefertigten Jet-Einspritzdüsen von GE mit einigen Stunden bis über 20 Stunden zwar relativ überschaubar seien. Die Nachbearbeitung könne allerdings aktuell bis zu drei Wochen dauern – sandstrahlen, spannungsarm glühen, subtraktiv nachbearbeiten, polieren und andere Tätigkeiten, die zum großem Teil manuell durchgeführt werden, dauerten so lange.

Genau diese manuellen Arbeitsschritte halten solche Groß-Lohnfertiger und andere Großkonzerne derzeit davon ab, in die additive Fertigung einzusteigen. Diese Unternehmen wollen riesige Mengen von Teilen möglichst automatisch fertigen, beispielsweise Gehäuse für Handys. Da geht es um Hunderttausende von Teilen – unmöglich, diese Mengen zu fertigen, wenn manuelle – oder „roboterisierte“, also von Robotern ausgeübte, aber dem manuellen Ablauf vergleichbare – Prozessschritte notwendig sind.

Von der Teileentnahme über die Nachbehandlung bis zur automatisierten Qualitätskontrolle – es sind viele Baustellen, an denen gearbeitet werden muss. Aber die Aufgaben sind lösbar.

Wenn diese Hürden genommen sind, explodiert der Markt für Metall-AM-Maschinen

Die Manager, mit denen ich sprach, redeten nicht davon, eine Additive Manufacturing-Maschine anzuschaffen – sie hatten alle schon welche zum Testen der Technologie. Sie sprachen von „tausenden“ von Maschinen, die angeschafft werden sollen. Wenn diese Firmen in eine Technologie investieren, dann im großen Maßstab. Dort geht es um sechsstellige und größere Losgrößen.

Das bringt mich zum letzten Punkt. Der größte Spieler im Metall-AM-Markt ist bislang EOS mit über 1.000 Mitarbeitern. EOS hat laut diesem Artikel einen Marktanteil von etwa 26 Prozent, gefolgt von GE, die mit ihren letzten Zukäufen auf 21,7 Prozent kommen. Das Unternehmen hat nach Angaben von der letzten Formnext etwa 2.400 Maschinen im Markt, davon 47 Prozent metallverarbeitende Maschinen, das sind etwas über 1.100 Maschinen. Im letzten Jahr verkaufte EOS 500 Systeme – über 20 Prozent mehr als im Vorjahr – davon wiederum 55 Prozent metallverarbeitende, das sind rein rechnerisch 275 Anlagen. Grundsätzlich beeindruckende Zahlen, andere deutsche Anbieter – und Deutschland ist ein Fokuspunkt der Metall-AM-Fertigung – sind weit kleiner

Stellen wir uns nun vor, dass einer der Manager an meinem Bartisch zu EOS kommen würde mit dem Wunsch, mal eben tausend Anlagen zu kaufen – oder auch nur 500, 400 oder 300. Das wäre mehr als die aktuelle Jahresproduktion und je nach Zahl in etwa so hoch wie die gesamte installierte Basis von EOS. So schnell kann kein Unternehmen seine Fertigung hochskalieren, vor allem nicht, wenn er wie die Metall-AM-Hersteller aktuell eher im Manufakturstil als in Massenprozessen produziert.

Um den Sprung in die Massenfertigung von Additive Manufacturing-Maschinen zu fertigen, braucht es viel Geld und vor allem Fertigungs-Know-how. Das hat ein GE eher als unsere hochinnovativen Nischenfertiger. Ich befürchte, dass diese Welle unsere gewachsene, innovative Firmenstruktur im professionellen AM-Bereich beiseite fegen wird. Aber ich hoffe, dass die Verantwortlichen bei EOS, SLM und den anderen Anbietern wach sind und die Welle surfen statt von ihr verschlungen zu werden.