Rapid Manufacturing

Was ist Rapid Manufactoring?

Rapid Manufacturing kann mit „Schnelle Fertigung“, wenn auch nur unzureichend, übersetzt werden.

Im allgemeinen werden unter diesem Oberbegriff Methoden und Fertigungsverfahren zur sehr schnellen und flexiblen Produktion von Teilen durch eine Fertigung ohne klassischen Werkzeugbau direkt aus den 3-D-Daten zusammengefasst.

Der Ablauf

Dabei werden als Ausgangsmaterial hauptsächlich Kunststoffe, aber auch Keramik, Metall, Glas, Papier oder auch innovative Materialien wie UV-aushärtende flüssige Kunststoffe, auf Holz basierende Werkstoffe oder auch Misch/Hybridmaterialien verwendet.

Die Materialvielfalt wächst ständig durch neue Anwendungen wie biokompatible, für die Luftfahrt zugelassene oder auch FDA-zugelassene Materialien.

Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wie Fräsen und Drehen wird das Bauteil in Schichten aus pulverförmigen, flüssigen oder holz/papierähnlichem Ausgangsmaterialien gebaut.

Die Härtung erfolgt durch Erstarren, Laser oder UV-Licht.

Die Vorgehensweise ist, ein 3D-CAD-Modell in eine stl-Datei umzuwandeln.

Diese Datei beschreibt die Oberfläche eines Körpers mit Dreiecksfacetten.

Nach einer Unterteilung in Schichten kann das Teil dann auch in einzelnen Schichten physisch aufgebaut werden. Diese „Übersetzung“ der Datei in maschinelle Baudaten übernimmt die integrierte Software des generativen Systems.

Es können so auch sehr komplexe Geometrien ohne Umrüstzeiten und Stillstände auf einer Maschine just in time realisiert werden.

Verfahrenstechnisch können auch innerhalb des Teils z.B. Wabenstrukturen etc. dargestellt werden, die das Teil leichter und den Materialbedarf geringer machen, ohne dass dies auf Kosten der Stabilität geht. Diese Geometrien sind in anderen Technologien überhaupt nicht realisierbar.

Jedoch muss bei fast allen additiven Verfahren die Oberfläche je nach Anspruch optimiert werden, sei es durch den Treppeneffekt oder relativ rauhe Oberfläche z.B. bei Sinterteilen.

Es lässt sich aber durch Verfeinerung der Verfahren, dünnere Schichtstärken und ideale Positionierung des Teils auf der Baufläche schon weitestgehend die Oberflächenqualität optimieren und es stehen ja weitreichende Möglichkeiten der Oberflächenveredlung, wie auch bei anderen massengefertigten Teilen, zur Verfügung.

Rapid Manufacturing wird einerseits bei der Produktion von Mikrobauteilen und andererseits für große Bauteile eingesetzt.

Dieses Verfahren bietet die Möglichkeit, vor der Fertigung durch virtuelle Simulationen des Produkts bereits Analysen und Optimierungsmöglichkeiten durchzuführen.

Durch die erwähnte sehr große Materialauswahl und im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren materialsparenden und abfallvermeidenden effektiven Einsatz von Material bieten diese Verfahren enorme Möglichkeiten, Produkte äußerst kundenorientiert zu entwickeln und zu einem zunehmend interessanten Preis-Leistungsverhältnis zu produzieren.

Eine besondere Dynamik hat das Rapid Manufacturing in den Bereichen der Luftfahrt, der Biotechnologie und Prothethik/Orthopädie, Dental- und Hörgerätetechnik entwickelt, da hier eine starke Individualisierung erfolgt und Rapid Manufacturing als Technologie zur direkten Herstellung des Endprodukts in Abgrenzung zu Rapid Prototyping und Rapid Tooling zunehmend an Bedeutung gewinnt als reines Fertigungsverfahren.

Gründe für zunehmende Bedeutung des Rapid Manufacturing

Um sich in einem globalisierten Markt mit internationaler Ausrichtung in einer sich vom Umfeld deutlich abhebenden Marktposition zu etablieren, ist eine immer stärkere Individualisierung der Produkte erforderlich.

Die bisherige Fixierung auf die möglichst effiziente Fertigung von Massenartikeln zum Erzielen von maximalen Kosteneffekten wird besonders bei hochwertigeren Artikeln zunehmend abgelöst durch die Fertigung von individuellen, exklusiven, limitierten und immer wieder neuen und modifizierten Produkten. Diese Tendenz erfordert eine Konzentration auf die Optimierung der bisher eher im Hintergrund stehenden Kleinserien und Einzelteilfertigung.

Hier liegt ganz klar der Ansatz für die Verwendung generativer Fertigungsverfahren, die durch nunmehr größeren Wettbewerb wegen frei werdender Patente und möglichen Einsatz herstellerungebundener Materialien nun auch kostenmäßig zunehmend interessant werden.

Das Rapid Manufacturing greift auf die aus dem Prototypenbau und Vorserienbereich bekannten Rapid Prototyping-Technologien zurück.

Wurden Kleinserien und Einzelstücke früher in eher subtraktiven Verfahren gefertigt, z.B. gefräst oder es kam in den letzten Jahren auch häufiger Rapid Tooling, also der schnelle Werkzeugbau z.B. mit Werkzeugen aus Epoxidharz, gefrästem Blockmaterial oder Alu- bzw. Stahlwerkzeugen mit niedrigerem Härtegrad oder Wechseleinsätzen zum Einsatz für RIM-, Spritzguss- oder auch Tiefziehteile.

So können die Teile zu einem immer besseren Preis-Leistungs-Verhältnis direkt additiv gefertigt werden.

Das heißt, dass in Zukunft je nach Größe und zur Verfügung stehender Verfahren die additiven Verfahren als sehr schnelle und tendenziell preislich immer attraktivere Option zur Verfügung stehen werden.

Es ist keine Lagerhaltung und nur geringste Vorplanung erforderlich.

Man stelle sich vor, dass einige Firmen in Zukunft komplett auf ihr Lager verzichten können, ihre Artikel auf Bestellung aufbauen und direkt danach verpacken und zum Versand gehen lassen, die digitale Fabrik also.

Zudem sind durch die zunehmende Vereinfachung der additiven Verfahren und der Verbesserungen der Software immer weniger spezifische Fachkenntnisse erforderlich und wenn man an eine Automatisierung denkt bei Standardartikeln, kann man sich vorstellen, dass der Faktor Arbeitskraft nicht mehr allzu sehr ins Gewicht fällt.

Die Zukunft dieser Fertigungsmöglichkeit

Andererseits kann man sich in Zukunft dann auch das Auslagern von Fertigungsprozessen nach Fernost oder in andere Billiglohnländer sparen und die Fertigung wieder ins Inland holen, da Transportlogistik durch tendenzielle steigende Energiekosten ein immer höherer Faktor bei den Beschaffungskosten ist und dieser dann entfällt.

Viele Unternehmen werden diese Technologie auch nutzen, um  z.B. die Problematik der Lagerung und Logistik für Ersatzteile für Garantie- und Reparaturfälle zu vereinfachen.

Sie können dies sogar an Dienstleister auslagern oder das Teil direkt beim Vertragshändler oder bei Verfügbarkeit beim Kunden direkt ausdrucken lassen und dieser hat es sofort verfügbar.

Natürlich haben die additiven Verfahren immer noch technologische Grenzen, aber bei der dynamischen Entwicklung dieses Bereichs ist eine weitere Verbesserung und Kostenreduzierung zu erwarten – die Akzeptanz dieses Verfahrens als echtes Fertigungsverfahren nimmt stetig zu und damit wird sich aufgrund der betriebswirtschaftlichen Vorteile und Zeitersparnis dieses für viele Anwendungsbereiche immer mehr durchsetzen.