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Additiv-Studie: Konstruktion gewinnt an Wert, Fertigung verliert

Wie der 3D-Druck die Wertschöpfung verändert

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Airbus-Chef Tom Enders hält es für möglich, Flugzeuge mit additiv gefertigten Teilen um bis zu 1 t leichter zu bauen. Der 3D-Druck verändert die industrielle Produktion. Doch nicht nur: Laut einer aktuellen Studie beeinflusst er auch Geschäftsprozesse und verschiebt Wertschöpfungsanteile – mit Risiken und Chancen für Unternehmen. Die Autoren geben Handlungsempfehlungen. ❧ Olaf Stauß

Airbus zeigt mit faszinierenden Entwicklungsbeispielen, wie der 3D-Druck bionischen Ansätzen zum Durchbruch verhilft und so den Leichtbau voran bringt. Ein Beispiel ist das 3D-gedruckte Motorrad „Light Rider“, dessen additiv gefertigter Rahmen nur noch 6 kg wiegt (Artikel Seite 50). Rund hundert Ingenieure kümmern sich bei Airbus um das Thema – der Flugzeugbauer ist zum Treiber für die additiven Technologien geworden. Firmen wie Autodesk, Altair oder Dassault Systèmes beteiligen sich als Partner. Und Maschinenbauer bringen erste Produkte auf den Markt, die ihre besondere Leistungsfähigkeit ebenfalls der additiven Fertigung verdanken.

Die Frage, ob es sich bei Additive Manufacturing (AM) um einen Hype handelt oder nicht, gehört damit der Vergangenheit an. Es sieht so aus, als könne AM die Produktion umkrempeln, zumindest in Segmenten. In dieser Situation blickt eine Studie der Uni Stuttgart über technische Fragen hinaus und untersucht im Auftrag der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg die Bedeutung von AM auf Unternehmensentscheidungen. In der Studie mit dem Titel „Additive Manufacturing – Strategische und betriebswirtschaftliche Herausforderungen und Perspektiven“ kommen die Forscher zum Ergebnis, dass AM weitreichenden Einfluss auf Geschäftsprozesse hat und die Wertschöpfung verändert. AM bedeute weit mehr als nur eine technologische Änderung in der Produktionshalle.
„Mit Additive Manufacturing liegt die Kunst, ein Produkt herzustellen, weniger in der Verfügbarkeit von Spezialmaschinen, sondern vielmehr in der Konstruktion“, sagt Prof. Hans-Georg Kemper, Inhaber des Lehrstuhls für Allgemeine BWL und Wirtschaftsinformatik I an der Universität Stuttgart. „Die Kosten für die Fertigung kleinerer Losgrößen sinken erheblich. Die Wertschöpfung wird zunehmend in der Produktentwicklung und in der Nutzung/Wartung generiert.“
Das Risiko: Traditionelle Technologien verlieren an Boden
Dieser Wandel birgt Risiken und Chancen. Wenn Dr. Wolfgang Seeliger, Geschäftsführer der Landesagentur Leichtbau BW GmbH, die Studie der Industrie präsentiert, führt er gerne das Beispiel der fiktiven „Gießerei Meyer“ an. Von ihren Auftraggebern bekommt sie die Zeichnung eines komplexen Gussteiles zur Verfügung gestellt. Ihr Know-how besteht darin, das aufwändige Gusswerkzeug zu bauen und das Teil abzugießen. Doch bei kleinen Stückzahlen kann es günstiger sein, das Teil additiv herzustellen, werkzeuglos. Die Kernkompetenz der Gießerei Meyer verliert damit an Wert. Und es kommt noch schlimmer: Da das Fertigungswissen im 3D-Datensatz schon enthalten ist, könnten den Auftrag ganz unterschiedliche AM-Dienstleister übernehmen.
Die Chance: Versierte Fertigungsbetriebe erweitern ihr Portfolio
Die Wertschöpfung verlagert sich laut der Studie großteils in das Erstellen des Datensatzes, also in die Konstruktion und Entwicklung, und zum kleineren Teil in die Phase der Produktnutzung und Wartung – dem 3D-Drucken von Teilen auf Zuruf. „Sie glauben das nicht?“, fragt Dr. Seeliger. „Dann vergleichen Sie die Situation mit der in der Printindustrie.“ Lag früher die Wertschöpfung vor allem in der Zeitungsherstellung, so kommen moderne Medien auch ohne Papier aus. Manche Zeitungen gibt es nur noch online. Da journalistische Qualitätsarbeit aber meist über die Wertschöpfung des Prints finanziert wird, erfährt sie eine Entwertung – so wie das Know-how der „Gießerei Meyer“ im Werkzeugbau. Die Firma Meyer könnte gut beraten sein, sich Kompetenzen im 3D-Druck anzueignen.
Die mittelständische Gießerei Wolfensberger ist diesen Weg gegangen und hat über viele Jahre zusätzliches Know-how im Laserschmelzen aufgebaut. Die Schweizer wissen den 3D-Druck auch in Kombinationen mit anderen Fertigungsmethoden einzusetzen und erschließen damit zusätzliche gestalterische Möglichkeiten in hybriden Bauteilen (Artikel Seite 52).
Die Studie der Universität Stuttgart zielt darauf ab, die mit AM verbundenen Chancen bewusst zu machen und Hinweise zu geben, wie Unternehmen sich auf den Wandel einstellen und Nutzen daraus ziehen können. Sie kann als kompakte Broschüre downgeloadet werden.* Auszüge aus ihren Ergebnissen:
Zu den wichtigsten Vorteilen von AM gehören die werkzeuglose Fertigung und die Design-Freiheit, die insbesondere im Leichtbau große Fortschritte möglich macht. Es lassen sich Strukturen realisieren, die bisher nicht zu fertigen waren. AM kann mit herkömmlichen Fertigungsmethoden teils bis zu Stückzahlen von 10 000 und mehr konkurrieren, sagen die Wissenschaftler.
Außerdem wird es möglich, Produkte individualisiert anzubieten. Das kann so weit gehen, dass Kunden über Online-Portale in die Konstruktion einbezogen werden. In diesem Zusammenhang gewinnen Konzepte für Modularisierung und Standardisierung an Bedeutung. Auch Ersatzteile lassen sich in Form von 3D-Datensätzen beschaffen und am Ort des Gebrauchs ausdrucken.
Die Herausforderung: Geschäftsmodelle überdenken und neu gestalten
AM stellt die Unternehmen damit vor die Aufgabe, ihre Konstruktion zu stärken, weil vor allem in ihr die Wertschöpfung stattfindet. Sie ist nicht mehr „bloß“ die Vorleistung der Produktion, sondern bekommt zentralen Stellenwert. Die Konstruktion wird zum Kerngeschäft, während die Produktion als „Dienstleistung“ erfolgt. Die Entwickler implementieren sogar das Fertigungswissen in die 3D-Daten, die dann an den Dienstleister gehen. IT-Ansätze zum Schutz des geistigen Eigentums (3D-Datensätze und Fertigungswissen für den 3D-Druck) werden umso wichtiger.
Eine weitere Herausforderung und Chance besteht darin, neue Geschäftsmodelle zu entwickeln (inklusive neuen Mechanismen zur Preisbildung) und/oder die bestehenden Modelle zu überprüfen und zu überarbeiten. All dies sind Ergebnisse der Studie. Die Forscher empfehlen jedoch, „behutsam und vorausschauend“ vorzugehen. „Wir wollen vor allem das Management sensibilisieren, Additive Manufacturing nicht nur als zusätzliche Technologie zu sehen “, sagt Dominik Morar vom Autorenteam. „Ein Anfang könnte schon sein, alle mit additiver Technik befassten Mitarbeiter in ein Kompetenzteam zu holen und gemeinsam Möglichkeiten für das Unternehmen zu entwickeln.“
Wie sollte ein solches Team inhaltlich vorgehen? Morar empfiehlt, zunächst drei Fragen zu beantworten: Welchen Nutzen bietet additive Technik dem Unternehmen selbst? Für welchen Mehrwert im Produkt könnte der Kunde bereit sein, einen Aufpreis zu bezahlen? Und drittens: Welche Rolle will das Unternehmen in der Wertschöpfungskette einnehmen – soll es mit Dienstleistern zusammenarbeiten oder AM selbst betreiben?
Die Studie der Leichtbau BW GmbH ist 2015 genau zum richtigen Zeitpunkt erschienen. Kurz darauf haben sich die Erfolgsmeldungen zum 3D-Druck überschlagen und unterstreichen die optimistischen Grundannahmen der BWL-Forscher.
Dirk Humfeldt von Airbus bekräftigte beispielsweise auf der Hannover Messe 2016 die hohe technische Qualiltät lasergeschmelzter Teile. Bei Tests schnitten sie „meist viel besser als erwartet“ ab, berichtete der Ingenieur, der im Konzern unter anderem für Industrialization Engineering zuständig ist. So seien die als „Brackets“ bezeichneten, 3D-gedruckten Kabinenhalter aus Titan für Lasten bis 3,9 t ausgelegt, würden im Schnitt aber erst bei 13 t zu Bruch gehen. Airbus arbeite noch an einem Erklärungsmodell für dieses Phänomen. In der Praxis führte dies dazu, dass das bereits 60 g leichtere 3D-gedruckte Titanteil von 190 g auf 120 g Gewicht weiter abgespeckt werden konnte. „Die großen Leichtbaueffekte erzielen wir ohnehin erst, wenn wir unsere Anwendungen nach bionischen Prinzipien neu konzipieren“, fügt Humfeldt an.
Ein Paradebeispiel für die Erfolge der Bionik ist die „Bionic Partition“, die Autodesk auf der Messe als Gemeinschaftsentwicklung mit Airbus präsentierte. Die Kabinentrennwand spart 30 kg Gewicht ein. Produzierbar nur im 3D-Druck, besteht sie aus vielen, fachwerkartig vernetzten Stegen. Autodesk-Manager Karl Osti verrät, dass die Struktur von einem Bakterium abgeguckt ist: Um eine Brotkrume zu erschließen, legt sie eine Pilzkultur an. Der Pilz baut um die Krume herum Stützstrukturen auf, die sehr effizient und also leicht sind. Osti: „Solche Designs kann der Computer in Zukunft allein gestalten“. Denn auf Basis von Vorgaben und Regeln könne er problemlos hunderte oder tausende bionischer Entwicklungsalternativen durchspielen.
Auch im Maschinenbau gibt es bereits additiv gefertigte Produkte. Die Landesagentur Leichtbau BW machte im Januar in ihrer Reihe „ThinKing“ das Beispiel der Mapal Dr. Kress KG bekannt. Sie nutzt das selektive Laserschmelzen, um das Gewicht von Außenreibahlen um mehr als die Hälfte zu reduzieren. Wiegt ein herkömmliches Stahl-Werkzeug 400 g, um einen Durchmesser von 8,5 mm zu bearbeiten, so kommt die lasergeschmelzte Reibahle auf nur noch 172 g. Dafür sorgt eine spezielle Rippenstruktur im Inneren, die sich nur additiv realisieren lässt. Ein klarer Erfolg, denn die Masse des Werkzeugs begrenzt über ihr Trägheitsmoment die Schnittgeschwindigkeiten.
Votieren die Autoren der Stuttgarter Studie für das Entwickeln neuartiger Produkte mit hoher konstruktiver Intelligenz, so haben zwei Unternehmen in Baden-Württemberg diese Empfehlungen geradezu perfekt vorweggenommen: Edelstahl Rosswag und Franke Lineartechnik. Beide sind nebenbei zu Geschäftspartnern geworden. Denn Franke hat beschlossen, bei Rosswag als AM-Dienstleister laserschmelzen zu lassen. Rosswag stellte im April in Hannover eine Verfahrenskombination aus Schmieden und Laserschmelzen vor und bietet nun Kunden gemeinsame Anwendungsentwicklungen an – mehr dazu im Artikel auf S. 44.
Franke präsentierte im April ein Drahtwälzlager, das sein Gewicht durch eine innere Wabenstruktur rund um die Hälfte reduziert. Diesem Ansatz kommt zugute, dass bei Drahtwälzlagern sämtliche Belastungen zunächst von den Laufringen aufgenommen werden. „Gekonnter Leichtbau ist die Fähigkeit, überall dort Material wegzulassen, wo es nicht gebraucht wird“, kommentiert Franz Öhlert das Ergebnis, Wälzlager-Spezialist bei Franke. „Der 3D-Druck mischt die Karten neu.“ Öhlert freut sich darauf, die Entwicklung mit Kunden zur Anwendungsreife zu bringen. Empfänger solcher Leichtbaulager könnten beispielsweise Roboter sein.
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