Produktionstechnik: Minifertigung: Schicht um Schicht

Produktionstechnik: Minifertigung: Schicht um Schicht

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Selbst gedruckt

Bisher wurden Zeitungen gedruckt, künftig auch Hüftgelenke, Schalthebel und Schuhe. Minifabriken im Tischformat läuten eine neue Ära der Produktion ein.

Schuhe nach Maß, nicht angefertigt vom Schuster, sondern daheim gemacht. Und auch nicht genäht, geklebt und genagelt, sondern einfach ausgedruckt. Frank Piller gerät ins Schwärmen, wenn er seine Idee erläutert. „Wenn die eigenen Füße nicht den Normgrößen des Handels entsprechen, will nichts so richtig passen“, weiß der Professor für Technologie- und Innovationsmanagement an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH). Er meint, da käme eine individuell angepasste Heimproduktion gerade recht: „Technisch ist das inzwischen durchaus machbar.“

Und tatsächlich. Was bis vor Kurzem noch als hübsches Beiwerk für Science-Fiction-Romane durchging, erobert nun die reale Welt: Maschinen, die Wunschprodukte im Handumdrehen materialisieren. Noch ist es die Norm, dass Waren aller Art in Fabriken entstehen und über den Handel zum Konsumenten gelangen. Doch für Zeiten, in denen die Kunden genau nach ihren Vorstellungen gefertigte Produkte verlangen und Kleinstserien zur Regel werden, sind die traditionellen Produktionsstätten zu groß, zu unflexibel – und viel zu teuer.

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Die kommende Alternative: Laser-Sinter-Anlagen, kaum größer als ein XXL-Kühlschrank, oder 3-D-Tischdrucker spucken Brillengestelle, Schmuckstücke, Hörgeräteschalen oder Zahnprothesen, ja sogar Flugzeugteile oder Zahnräder aus. Genauso geformt wie vorher am Computer entworfen.

„E-Manufacturing“ oder „Rapid Manufacturing“ nennen Fachleute das Verfahren, bei dem ein Laser pulverisierte Kunststoffe oder Metalle Schicht für Schicht zum fertigen Produkt verschmilzt. Dabei werden Geometrien möglich, die keine herkömmliche Werkzeugmaschine herstellen kann. „Es geht darum, individuelle Produkte effizient wie ein Serienmodell zu fertigen“, sagt Fertigungsforscher Piller.

Hans Langer ist mit seinen Geräten schon bestens im Geschäft. „Unsere heutige Massenproduktion steht vor einer stillen Revolution. An ihre Stelle tritt mehr und mehr die individualisierte Fertigung“, prophezeit der Gründer und Chef von EOS aus Krailling bei München. Das Unternehmen, Weltmarktführer bei Laser-Sinter-Anlagen, hat im vergangenen Geschäftsjahr Maschinen im Wert von knapp 60 Millionen Euro verkauft – ein Plus von 14 Prozent. Zu den Kunden der Bayern gehören die Flugzeuggiganten Boeing und Airbus, die damit Teile der Kabinenausstattung herstellen.

Langer stützt sein Urteil auf eine hauseigene aktuelle Umfrage unter Industrieexperten. 70 Prozent der Befragten sehen danach im E-Manufacturing eine Schlüsseltechnologie, reif für die breite Markteinführung. Eine Studie des US-Beratungsunternehmens Wohlers sagt voraus, dass die weltweiten Umsätze mit den Minifabriken bis zum Jahr 2015 von aktuell gut 1,4 Milliarden auf 3,5 Milliarden Dollar klettern werden. 20.000 Systeme werden dann jedes Jahr verkauft, so die Prognose.

Ursprünglich dienten Drucker und Sinter-Anlagen vornehmlich dazu, schnell und relativ kostengünstig erste Designmodelle und Prototypen zu erstellen. Konstrukteure gehören deshalb auch heute noch zu den wichtigsten Kunden. „Inzwischen werden sie aber schon für die Produktion von Kleinserien genutzt“, weiß Christof Stotko, Global-Marketing-Manager bei EOS.

Sintern im Kommen

Sintern im Kommen

Der Autohersteller VW etwa nutzt die neue Technik zur Anfertigung individueller Schalthebel fürs Getriebe – zunächst nur in Konzeptfahrzeugen. Weiter ist der Solinger Küchenmesser-Hersteller Solicut. Er bezieht die hochwertigen Griffe für seine Schneidewerkzeuge in Kleinserien von bis zu 10.000 Stück vom hessischen Laser-Sinter-Dienstleister FKM. Auch die US-Schuhfirma Timberland schätzt die Technik. Die Amerikaner benötigen für ihre Kollektionen ständig neue Laufsohlen. Früher musste sie auf die Profile bis zu eine Woche warten und für Prototypen Stückpreise von 1200 Dollar zahlen. Mit dem 3-D-Druck ist das Sohlen-Muster nach 90 Minuten fertig – und kostet nur noch 40 Dollar.

Ein weiterer Anwender ist der Tuttlinger Medizintechnik-Hersteller Hettrich. Das Unternehmen hat erst 2007 eine zweite Sinter-Anlage angeschafft, um darin wichtige Funktionsteile für Blutzentrifugen in Kleinserie bauen zu können. Geschäftsführer Klaus-Günter Eberle möchte auf die neue Methode nicht mehr verzichten. „Durch die praktisch grenzenlosen Konstruktionsmöglichkeiten realisieren wir Dinge, die sonst nicht oder nur mit einem kaum zu vertretenden Aufwand zu machen wären.“

Ähnlich umfassend ist der US-Anbieter von Kinderartikeln, Graco Children’s Products, in die neue Produktionstechnik eingestiegen. Er „druckt“ jährlich bis zu 10.000 Spielzeuge sowie Teile für Kindersitze und Kinderwagen auf vier Maschinen, die von einer einzigen Person bedient werden können. Der amerikanische Hochtechnologie-Hersteller Rockwell Collins vertraut den Anlagen sogar den Bau von Schlüsselkomponenten für Luftfahrt-Lotsensysteme und Solargeneratoren an. 6000 Teile hat das Unternehmen in den vergangenen vier Monaten gesintert. Und auch Rockwell beschäftigt dafür nur einen Spezialisten.

Rasanter Fortschritt

Für Wohlers-Präsident Terry Wohlers stärken die Systeme Hochlohnstandorte: „Sie reduzieren die Arbeitskosten und erleichtern es westlichen Industrieländern, gegenüber der Billiglohnkonkurrenz aus dem Osten konkurrenzfähig zu bleiben.“

Der Preis von Rapid-Prototyping-Maschinen beträgt je nach Größe und Leistungsumfang bis zu mehreren Hunderttausend Euro. Aber die Anschaffung eines vergleichbaren Werkzeugmaschinenparks ist in der Regel noch deutlich teurer. Zur vollen Konkurrenzfähigkeit fehlt der Sinter-Technik allerdings vorerst noch ein breites Spektrum geeigneter Werkstoffe. Bisher ist dieses auf einige Dutzend Kunststoffe, Metalle und Keramiken beschränkt.

„Es kommen aber laufend neue hinzu“, verspricht EOS-Manager Stotko. Speziell für medizinische Anwendungen haben die Kraillinger körperverträgliche Kobalt-Chrom-Legierungen und Edelstahl-Mischungen kreiert, aus denen Knie-Implantate, Zahnersatz und Hörgeräteschalen entstehen. Auch mit Titanium wird experimentiert. „Erste Zahnärzte arbeiten heute nicht mehr mit einem Labor zusammen, sondern drucken das Implantat aus, noch während der Patient im Behandlungsstuhl liegt“, berichtet RWTH-Professor Piller.

Die technischen Möglichkeiten erweitern sich in schnellem Tempo. Das israelische Unternehmen Objet Geometries stellte jüngst einen 3-D-Drucker vor, der Kunststoffteile in einem Durchgang in verschiedenen Farbtönen und Härtegraden aufbauen kann. Ein erstes darauf hergestelltes Produkt ist ein Nassrasierer mit gummiartigen Griffmulden und elastischem Scherkopf. Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität in Jena und des Bremer Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) erproben derweil Drucker, die hochempfindliche Solarzellen, Minibatterien, Sensoren und Antennen produzieren – in einem Arbeitsgang und auf Hundertstel Millimeter genau. Der Jenaer Professor Ulrich Schubert denkt längst weiter: „Wir hoffen, in Zukunft Hautgewebe und Blutgefäße drucken zu können.“

Der Fortschritt lässt der EOS-Befragung zufolge ein gutes Fünftel der Fertigungsbetriebe um ihre Zukunft bangen. Ihre Sorge: Immer mehr ihrer Kunden könnten bald Produkte und Werkzeuge selbst herstellen. Piller hält die Angst für begründet. „Massenmärkte verschwinden, zugleich wird der Lebenszyklus eines Produkts kürzer. Darauf sind herkömmliche Großanlagen nicht ausgerichtet.“

Zukunftsforscher gehen noch einen Schritt weiter. Mit sinkenden Preisen und einfacher zu bedienenden Apparaten werden Konsumenten immer öfter Produktideen eigenständig verwirklichen, glaubt Andreas Neef, Geschäftsführer des Beratungsunternehmens Zpunkt in Essen. Statt Tassen, Handyschalen oder Sonnenbrillen im Laden zu erwerben, werden sie sich diese Alltagsgegenstände künftig daheim oder in einem „Copyshop“ einfach ausdrucken.

Erste Ansätze für einen solchen „Personal Fabricator“ gibt es schon. In den USA stellt das Unternehmen E-Machine-Shop Kunden einen Maschinenpark inklusive 3-D-Drucker zur Verfügung, auf dem sie eigene Entwicklungen fertigen können. Nur noch knapp 5000 Dollar kostet die kopierergroße Tischfabrik des Herstellers Desktop-Factory. Der Preis soll in den nächsten vier Jahren auf unter 1000 Dollar fallen.

RWTH-Forscher Piller sieht ganz neue Geschäftsmodelle voraus: „Warum soll ein Unternehmen nicht künftig statt der Tasse nur noch die Baupläne dafür verkaufen?“

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