Additive Manufacturing

Drucken mit System

Bislang produzieren 3D-Drucker vor allem Prototypen. Jetzt soll der Durchbruch in der Serienfertigung gelingen, doch fehlende Standards bremsen die Revolution aus. Zertifizierungsprogramme könnten die Blockade lösen.

Text Susanne Widrat Illustration Oliver Burston

Langsam hebt sich die Platte aus dem Bauzylinder empor. Erste Konturen von acht knapp 15 Zentimeter hohen Objekten erscheinen. „Das sind Leitschaufeln“, sagt Christoph Hauck, Geschäftsführer der MBFZ Toolcraft GmbH aus Georgens­gmünd. Sie kommen im Energiebereich oder in der Luftfahrt zum Einsatz. Das Besondere an diesen Exemplaren: Sie wurden nicht gegossen, sondern gedruckt. Eine der Laserschmelzmaschinen hat mehrere Stunden lang graues Pulver Schicht für Schicht aufeinander aufgetragen. Zwischendurch hat ein Laserstrahl die Schichten der Nickellegierung verschmolzen.

Die neue Technik begeistert Hauck. Doch für ihn und seine rund 380 Mitarbeiter fängt die Arbeit nach dem automatischen Druckverfahren, auch Additive Manufacturing (AM) genannt, erst richtig an. Denn nun müssen die Stützstrukturen entfernt werden: kleine Türmchen unterhalb der Bauteile, die den Objekten beim Druck Halt geben und Wärme abführen. Sie verhindern, dass überhängende Bereiche zusammenfallen. So wichtig sie beim Druck sind, so überflüssig sind sie danach. Einen Teil der lästigen Arbeit übernehmen CNC-Bearbeitungszentren. In anderen Fällen müssen Mitarbeiter noch mit Zange und Feile ran.

Hauck ärgert sich über diese Friemelarbeit. Sie bedeutet Verzögerung und kostet Geld. „Hier muss noch einiges an Entwicklungsarbeit geschehen“, sagt er. Seine Hoffnung ist, dass schon bald durch Optimierung der Parameter die Zahl der Stützstrukturen drastisch reduziert werden kann oder Roboter die Arbeit übernehmen könnten. Auch ein Ablösen in Flüssigkeiten kann er sich vorstellen.

Bis Haucks Wünsche in Erfüllung gehen, könnte es allerdings noch eine Weile dauern. Noch immer steckt der 3D-Druck zwischen digitaler Hightechproduktion und Liebhaberhandwerk fest. Noch immer fallen private Bastleranlagen in Wohnhausgaragen genauso unter die Technologie wie millionenschwere Produktionslinien nach Industrie-4.0-Standards. Und noch immer helfen sich Hersteller mit selbst entwickelten Prozessrichtlinien und Qualitätsprüfungen über fehlende Standards, Erfahrungswerte und Zertifizierungen hinweg.

Revolution im Wartestand

Im Falle von Haucks Stützstrukturen könnte eventuell ein Zertifikat Abhilfe schaffen, das nicht nur den Druckprozess bis zum fertigen Rohteil abbildet, sondern auch die Nachbearbeitung. „Bislang konzentrieren sich die Maschinenhersteller vor allem auf bessere Laser und Schichtverfahren und vernachlässigen die Nachbearbeitung“, erklärt Hauck. „Bei Zertifizierungen und Standards steht der 3D-Druck noch ganz am Anfang.“

Mehr als drei Jahrzehnte nach seiner Geburt befindet sich der 3D-Druck wie jede aufstrebende Technologie am Scheideweg. So wie sich die ersten Automobile gegen Pferdekutschen durchsetzen mussten und Glühbirnen gegen Gasbeleuchtung antraten, muss sich jetzt der 3D-Druck gegen etablierte Verfahren wie Drehen, Fräsen oder Gießen beweisen. Die Frage ist, ob er mithilfe von Zertifizierungen und Prüfrichtlinien zum neuen Standard aufsteigt und klassische Techniken verdrängt – oder im Nischendasein für Spezial­produkte verharrt.

Das Potenzial der Technik ist gewaltig. Noch vor vier Jahren betrug der geschätzte Umsatz des Segments weltweit 2,6 Milliarden Euro. 2020 sollen es gemäß einer Prognose der Beratungsgesellschaft Deloitte schon 17,5 Milliarden Euro sein. Die größten Wachstumspotenziale ­schlummern dabei laut einer Studie der Beratungsgesellschaft PwC in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Medizintechnik und der Automobilbranche. Auch der Einzelhandel erhofft sich durch individualisierte Produkte Zuwächse.

Die Zahl der Einsatzmöglichkeiten und Materialien steigt seit Jahren. Gleichzeitig verschieben sich die Ziele der Auftraggeber. Bislang kam 3D-Druck vor allem beim Bau von Prototypen oder Ersatzteilen zum Einsatz. Dort lohnte sich die Verwendung, weil die Teile sonst aufwendig und oft manuell produziert werden mussten. „Derzeit entkommt die additive Fertigung diesem Prototypenstadium immer mehr und wird auch für die Serienproduktion interessant“, verdeutlicht Gregor Reischle, Head of Additive Manufacturing bei TÜV SÜD, der als verantwortlicher Innovationsmanager seit circa einem Jahr das Kompetenzfeld AM aufbaut. Die Vorteile sprechen für sich: geschonte Ressourcen, verschlankte Produktionsprozesse, schnelle Verfügbarkeit.

Der entscheidende Schritt zur Serienfertigung stellt Hersteller und Lieferanten jedoch noch immer vor riesige Herausforderungen. Um die hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen ihrer Kunden auch in Zukunft halten zu können, müssten Standards für Materialien, Produktionsprozesse und Endprodukte definiert werden. „Es bräuchte vereinheitlichte Lehrpläne für die neu entstehenden Berufsbilder. Definitionen für Produktionsbedingungen, Qualitäts­standards für das Rohmaterial und Prüfungen unter Alltagsbedingungen wären genauso wichtig“, sagt Reischle.

„Additive Fertigung entkommt dem Proto­typenstadium immer mehr und wird für die Serien­produktion interessant.“

Gregor Reischle, Head of Additive Manufacturing bei TÜV SÜD

FREIE FAHRT AUF LANGE SICHT

Einen wichtigen Schritt in diese Richtung geht TÜV SÜD mit dem neuen Prüfzeichen „Additive Manufacturer“. Für die ersten Zertifizierungen kooperiert das Unternehmen seit Herbst 2017 etwa mit der Deutschen Bahn AG.

Das größte ­Verkehrsunternehmen Mitteleuropas hat seine ersten Erfahrungen mit 3D-Druck bereits gemacht und seit 2015 rund 6.000 Teile, die größtenteils nicht sicherheitsrelevant sind, drucken lassen. Die Palette reicht von Mantelhaken im IC und Klemmenkästen aus Aluminium für den ICE über Handlaufschilder mit Blindenschrift für Bahnhöfe bis hin zu Segmenten für Turbinenschaufeln für einen Generator, der in einer 100 Jahre alten Dampflok installiert ist.

Bislang werden 99 Prozent dieser Teile von externen Firmen gefertigt. Und genau das stellt eine Herausforderung dar. „Wir müssen uns bei jedem Teil auf die Einhaltung unseres hohen Qualitätsstandards verlassen können. Insbesondere wenn die Teile mit einer neuen Technologie gefertigt wurden“, sagt Florens Lichte, der das Konzernprojekt 3D-Druck leitet. Das Problem dabei ist nur: Bisherige Standards auf DIN- oder ISO-Ebene bilden die Anforderungen des 3D-Drucks nicht ab.

Gemeinsam mit TÜV SÜD entwickelte die Deutsche Bahn daher ein unabhängiges Zertifizierungsprogramm, das vom Grundsatz her branchenübergreifend eingesetzt werden kann. Das Programm nimmt fast alle Unternehmensbereiche unter die Lupe: Geschäftsleitung, Einkauf, Fertigung und Nachbearbeitung sowie Auftrags­abwicklung und Kundenbetreuung. Die Pilotphase hat das Programm erfolgreich überstanden. Einzelne AM-Dienstleister prüften die Praxistauglichkeit der Anforderungen. „Künftig müssen alle unsere Zulieferer, die nicht sicherheitsrelevante Teile per 3D-Druck anfertigen, ein solches Zertifikat nachweisen“, erklärt Lichte und ergänzt: „Für sicherheitsrelevante Teile werden wir die Anwendung des Prüfprogramms nach vollständiger Spezifizierung der Zusatzanforderungen prüfen.“

STEMPEL DRAUF

Die Siemens Mobility GmbH ist einer der ersten Zulieferer, die das AM-Gütesiegel im September 2018 erhalten haben. „Weil wir aus der industriellen Fertigung kommen und ausschließlich Fachleute beschäftigen, waren wir uns sicher, dass die Prüfung kein Problem sein sollte“, erinnert sich Michael Kuczmik, der die Prüfung als Leiter Additive Manufacturing begleitet hat. Die Experten von TÜV SÜD bemängelten am Ende nur wenige Punkte, beispielsweise lagen die Arbeitsplatzbeschreibungen nicht digital vor. „Das hätte uns vor allem bei stärkeren Expansionsschüben vor Probleme stellen können“, gibt Kuczmik zu.

Der 45-Jährige ist überzeugt, dass 3D-Druck immer wichtiger werden wird: „Sobald die Produktionskosten in einigen Jahren weiter gesunken sein werden, wird der Hype einsetzen“, glaubt er. Und dann komme es umso mehr auf sichere Prozesse und Produkte an. „Wenn nur wenige Produkte aus dem Bereich 3D-Druck versagen, geht das Vertrauen in die neue Technologie schnell verloren“, sagt er. „Schon deshalb ist das Zertifikat erforderlich.“

Auch Christoph Hauck und das Unternehmen Toolcraft aus Georgensgmünd haben sich der Zertifizierung gestellt. Seit 2011 betreiben die Mittelfranken mehrere Anlagen für 3D-Druck, mit denen sie Knochenbohrer für OPs, Motoraufhängungen für Rennwagen oder eben die Leitschaufeln für Flugzeugturbinen drucken. Das Zertifikat sicherten sich Hauck und sein Team im September 2018. „Wir produzieren für sehr viele Branchen, in denen auf Genauigkeit und Sicherheit extrem großer Wert gelegt wird“, sagt Geschäftsführer Hauck. „Prüfer sind für uns deshalb wie Berater, die unseren Produktionsprozess detailliert unter die Lupe nehmen und neutral bewerten.“ 

Innerhalb weniger Wochen durchlief Toolcraft das Programm. „Lediglich in den Dokumentationen mussten wir an einigen Definitionen und begrifflichen Abgrenzungen feilen“, erinnert sich Hauck. Im Bereich der Auftrags­annahme hat die TÜV SÜD-Prüfungsgrundlage dem Unternehmen dabei geholfen, sich noch weiter in Richtung Industriekunden zu entwickeln. Für Hauck ist das Prüfsiegel ein wichtiger Schritt zum vollständig digitalen 3D-Druckprozess – und eventuell auch zur baldigen Verbannung der leidigen Stützstrukturen.

DURCHBRUCH PER ZERTIFIKAT

TÜV SÜD bietet im Bereich Additive Manufacturing insgesamt acht Serviceleistungen an, darunter die Zertifizierung von Fertigungsprozessen, die Zertifizierung von Materialien und Produkten sowie die Aus- und Fortbildung für Mitarbeiter.


PROZESSZERTIFIZIERUNG

„Mit dem Zertifizierungsprogramm von TÜV SÜD werden erstmals verbindliche Standards für 3D-Druck im industriellen Kontext definiert“, sagt Christophe Blanc, Experte für Additive Manufacturing bei TÜV SÜD. Dazu gehören die Qualität des Rohmaterials, der genaue Verlauf des Datenflusses oder die einzelnen Arbeitsschritte zur Nachbearbeitung des Produkts. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Materialfluss während des Fertigungsprozesses sowie auf der Reproduzierbarkeit der einzelnen Fertigungsschritte. Bei Firmen, die ein Zertifikat für ihr 3D-Druckverfahren erlangen wollen, „schauen wir uns die übergeordnete AM-Strategie, das Kundenmanagement, die Auftragsannahme, die Vorbereitung der Produktion, den Druck selbst und die nachfolgenden Arbeitsschritte genau an“, erklärt Blanc. Bei mehreren Überprüfungen muss das Unternehmen nachweisen, dass es die gesetzten Qualitäts- und Sicherheitsnormen erfüllt. Das Zertifikat ist für ein Jahr gültig und kann jedes Jahr durch ein Audit verlängert werden.

MATERIALZERTIFIZIERUNG

Ob chemische Analysen, mechanische Prüfungen, Alterungsanalysen oder Wettersimulationen: In den Laboren von TÜV SÜD werden sämtliche Rohmaterialien, Zwischen­erzeugnisse und Endprodukte des 3D-Drucks genau unter die Lupe genommen. „Wir konzentrieren uns vor allem auf Metalle und Kunststoffe“, sagt Stefanie Sagerer, Program Manager Additive Manufacturing Materials bei TÜV SÜD. Sie ist überzeugt: „Mit einem Zertifikat für ihre Additive-Manufacturing-Materialien setzen die Hersteller und Betreiber von technischen Anlagen ein deutliches Signal nach außen, dass ihre Produkte sicher und von hoher Qualität sind.“

Unternehmen, die ihre Wertstoffe freiwillig oder aufgrund einer rechtlichen Vorschrift prüfen lassen wollen, können an drei Stufen ansetzen. ­„Welche Werkstoffeigenschaften in den einzelnen Stufen tatsächlich überprüft werden, hängt jeweils vom Einsatzort und von der Aufgabe des produzierten Werkteils ab“, erklärt Expertin Sagerer.

TRAININGSANGEBOTE

3D-Druck entwickelt sich ständig weiter. Dabei werden schon jetzt dringend Fachkräfte gesucht. Um die Lücke zu schließen, bietet TÜV SÜD seit Frühjahr 2018 zahlreiche Aus- und Weiterbildungsprogramme an. Die einzelnen Schulungen decken neun Bereiche ab – von den Grundlagen des 3D-Drucks über Auftragsabwicklung, Design, Qualitätsmanagement und Risikobewertung bis hin zu den Anforderungen in puncto Gesundheit und Sicherheit. Damit die Veranstaltungen Workshopcharakter haben, nehmen maximal zwölf Interessierte teil. Nach Vorträgen von Experten müssen die Teilnehmer bei interaktiven und praktischen Übungen selbst ran. TÜV SÜD stellt viele Referenten selbst und holt externe Experten hinzu, die beispielsweise über die rechtlichen Anforderungen informieren. „Bald können unsere Teilnehmer auch Prüfungen ablegen und bekommen im Erfolgsfall ein Zertifikat“, kündigt Max Rehberger, Experte für Additive Manufacturing bei TÜV SÜD, an.

EINGESPARTE ZEIT

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren produziert 3D-Druck sehr schnell. Während etwa beim Spritzguss zunächst eigene Formen und Werkzeuge entworfen und hergestellt werden müssen, kommt der 3D-Druck mit einem digitalen Bauplan aus. Die Herstellung eines Bauteils dauert so nur wenige Stunden bis Tage statt einiger Wochen.

INDIVIDUALISIERUNG

Weil in der Massenfertigung alle Teile mit derselben Form oder demselben Werkzeug hergestellt werden, sind alle Produkte mehr oder weniger uniform. Der 3D-Druck ermöglicht individuelle Produkte zu überschaubaren Mehrkosten. Vor allem in der Zahnmedizin wird dieser Vorteil bereits ausgespielt. Modeunternehmen und Sportschuhhersteller ziehen nach. Auch Ersatzteile können so leichter produziert werden.

GERINGERE KOSTEN

Im 3D-Druck müssen keine Gussformen, Werkzeuge oder Programme mehr erstellt werden. Das spart nicht nur Zeit, sondern auch Entwicklungskosten. In der Kleinserie und beim Einsatz von Kunststoffen ist der 3D-Druck deswegen schon heute günstiger als herkömmliche Herstellungsverfahren. Bei größeren Serien und Verwendung von Metallen stechen klassische Verfahren den 3D-Druck noch aus.

FEHLENDE FACHKRÄFTE

Obwohl der 3D-Druck über 30 Jahre alt ist, gibt es nur wenige Spezialisten. In den meisten Ausbildungsberufen werden bis heute vor allem die klassischen Herstellungsverfahren gelehrt. Unternehmen, die ihre Produktion in Teilen auf 3D-Druck umstellen wollen, müssen Fachkräfte deswegen teuer einkaufen oder langwierig selbst ausbilden.

ZU WENIGE STANDARDS

Viele Sicherheitsnormen und Qualitätsstandards sind bislang nicht auf 3D-Druckverfahren ausgelegt. Deshalb können Produkte aus 3D-Druckern oft nur bedingt zertifiziert werden. Hersteller müssen deswegen Bauteile aus 3D-Druckern individuell prüfen und sich auf Angaben anderer Hersteller verlassen. Diese Prozesse kosten Zeit und damit Geld.

NUR BEDINGT SERIENREIF

Während sich der Einsatz von 3D-Druckern bei geringen Stückzahlen und mittlerweile auch kleineren Serien wirtschaftlich lohnt, kommt er in der Massenfertigung noch lange nicht gegen herkömmliche Verfahren an. In der Massenproduktion von Plastikteilen ist der Spritzguss zum Beispiel bislang ohne Konkurrenz.