3D-Druck in der Lieferkette: Kreativität, Elastizität, Robustheit

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Lieferketten beim Militär sind die längsten der Welt und sogar komplexer als Lieferketten für die entlegensten Öl-, Gas- und Bergbauprojekte. Es besteht kein Zweifel daran, dass militärische Lieferketten kritisch sind – immerhin geht es um Leben und Tod. Militärische Einrichtungen auf der ganzen Welt forschen, testen und verwenden bereits seit Jahrzehnten auch 3D-Druck in ihren Lieferketten.

Der 3D-Druck beim Militär während der COVID-19-Pandemie zeigt, wie die Technologie auch in einer ganz anderen Situation lebenswichtig sein kann: Den in Südkorea stationierten US-Streitkräfte mangelte es zu Beginn der Pandemie an dringend benötigter persönlicher Schutzausrüstung (PSA). Zunächst wurden „Maker“-3D-Drucker verwendet, mit denen nur sieben Masken pro Tag hergestellt werden konnten.

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelten US Army und Navy eine Lieferkette, in der 3D-Drucker in Industriequalität eingesetzt wurden, um täglich Hunderte von Masken herzustellen. Das Ergebnis war „ein guter Test dafür, wie wir im Notfall auf die Bedürfnisse der Flotte reagieren können“, so Ross Wilhelm, ein leitender Technologe im Unterwasser-Kriegsführungszentrum der Marine. „Wir hoffen, dass dies als Modell für die Verantwortlichen in den Verteidigungsministerien auf der ganzen Welt dienen kann.“¹

Das von Wilhelm erwähnte Modell, das den Einfallsreichtum der Angehörigen der Streitkräfte in sich vereinte, umfasste die Konstruktion für additive Fertigungsverfahren (DfAM), die Entwicklung mehrerer Entwürfe, den Test verschiedener 3D-Drucker und Materialien und schließlich die Massenproduktion von PSA. Das illustriert die potenziellen Einsatzmöglichkeiten des 3D-Drucks in Ihrer Lieferkette: innovative Mitarbeiter, Entwicklung neuer Produkte, Werkzeuge und Vorrichtungen sowie die Produktion von Fertigprodukten.

Definition von 3D-Druck

Der Hype um den 3D-Druck vor etwa zehn Jahren führte zu vielen Missverständnissen über die Technologie – und zu übermäßig hohen Aktienkursen. Es war nicht überraschend, dass diese Aktienkurse fielen und Laien etwas enttäuscht waren, als sie sahen, dass die Möglichkeiten des 3D-Drucks nicht dem entsprachen, was die Medien versprochen hatten. Was genau ist also 3D-Druck?

Der 3D-Druck ist ein additiver Prozess, bei dem Materialien miteinander verbunden werden, um Objekte auf Grundlage digitaler Modelle zu erstellen. Das Zusammenfügen erfolgt Schicht für Schicht, wobei in einem kontinuierlichen Prozess eine Materialschicht der anderen hinzugefügt wird. Dieses additive Verfahren unterscheidet den 3D-Druck von subtraktiven und formgebenden Fertigungstechnologien wie Zerspanen, Gießen und Formen. Bei den Objekten handelt es sich um die physische Ausgabe des 3D-Druckers, die anhand digitaler Modelle (in der Regel CAD-Dateien und Scan-Daten) erstellt wird.

Viele Ingenieure und Techniker halten die Bezeichnung „additive Fertigung“ für genauer und das ist er in industriellen Anwendungen natürlich auch, aber die meisten Geschäftsleute kennen das Verfahren als „3D-Druck“. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn Sie in Ihrem Betrieb das Management für den 3D-Druck gewinnen möchten. Zum Beispiel hat ein Finanzdirektor, der nur in Einnahmen und Kosten denkt, wenig Interesse an definitorischen Feinheiten, wohingegen ein Fertigungsleiter, der für die Herstellung von Qualitätsprodukten verantwortlich ist, gerade daran interessiert ist.

Und Ihrer Zielgruppe ist möglicherweise nicht bewusst, dass die ISO/ASTM-Normierungsorganisation sieben Kerntechnologien für den 3D-Druck anerkennt. Die Unterscheidungen sind wichtig, wenn es um den 3D-Druck von Metall, Kunststoff, Verbundwerkstoffen und anderen Materialien geht. Im Gegensatz zu einer CNC-Maschine, die mit Kunststoffen und Metallen arbeiten kann, verfügen die meisten 3D-Drucker über ein schmales und exklusives Sortiment an druckbaren Materialien.

Darüber hinaus haben Anbieter proprietäre Versionen entwickelt, die auf den ISO/ASTM-Standards basieren. Allein im Metallbereich gibt es 50 Versionen, wobei es sich bei der jüngsten um die 3D-Flüssigmetall-Drucktechnologie von Xerox handelt. Angesichts des breiten Spektrums an Möglichkeiten und Materialien sollten Sie bereits beim Einstieg in den 3D-Druck das Ergebnis vor Augen haben: Welche Technologie Sie letztlich einsetzen, hängt davon ab, was Sie herstellen möchten.

Möglichkeiten des 3D-Drucks

Die globale Pandemie machte die Schwachstellen in den Lieferketten von Unternehmen deutlich, mit zum Teil verheerenden Folgen. Tatsächlich ergab eine Gartner-Umfrage unter Business-Continuity-Management-Experten, dass drei von vier Unternehmen den Notstand ausgerufen haben und dabei ein Drittel erhebliche Probleme bei der Wiederherstellung eines oder mehrerer unternehmenskritischer Geschäftsprozesse hatte. Wie hat sich Ihr Unternehmen während der Pandemie geschlagen?

Durch den 3D-Druck wird auch die Kapitalbindung in den Beständen an unfertigen und fertigen Produkten verringert und so eine flexible Fertigung ermöglicht. Ihre Techniker müssen sich jedoch darauf verlassen können, dass die Ergebnisse des 3D-Druckers genauso gut sind wie die der mit herkömmlichen Technologien hergestellten Teile. Kein Techniker wird ein 3D-Druckteil abzeichnen, wenn er auch nur den geringsten Zweifel an seiner Qualität hat. Dieser Konservatismus gilt nicht nur für hochgradig regulierte Teile wie medizinische Implantate und Flugzeugkomponenten, sondern auch für jedes andere Teil, das im Falle eines Misserfolgs katastrophale (oder die Karriere beendende) Folgen hätte.

Fortschritte bei der Hardware, den druckbaren Materialien und der Design-Software, gepaart mit kontinuierlicher technologischer Innovation, machen den 3D-Druck in der Lieferkette rentabel. Beispielsweise kann die Flüssigmetall-Drucktechnologie von Xerox die Produktionszeit von Tagen auf Stunden reduzieren. Die Zykluszeit ist dank des kürzeren Nachbearbeitungsprozesses kürzer. Der 3D-Flüssigmetalldrucker von Xerox senkt auch Ihre Teilekosten durch die Verwendung von Standardlegierungen, mit denen Ihre Techniker bereits vertraut sind.

Ein wesentlicher Vorteil jeder 3D-Drucktechnologie ist die Designfreiheit, die in der herkömmlichen Fertigung nicht erreicht werden kann. Sie können den Materialverbrauch senken und das Teilegewicht reduzieren, ohne Kompromisse bei den mechanischen Eigenschaften eingehen zu müssen. Dies lässt sich durch den Einsatz von Software-Tools erreichen, die DfAM unterstützen. Computergestützte Konstruktionssoftware unterstützt die generative Konstruktion (auch bekannt als Topologieoptimierung) neuer Teile und die Neukonstruktion bestehender Teile. Da die Software Tausende von Entwurfsiterationen auf der Grundlage von Leistungsparametern ausführen kann, die von Ihren Technikern festgelegt werden, entstehen ideale, fast organische Entwürfe. Das Ergebnis maximiert die inhärente Fähigkeit des 3D-Drucks zur Herstellung von Objekten, die mit keiner anderen Fertigungstechnologie hergestellt werden können.

Durch die Kombination der neuesten Hardware, Materialien und Software können 3D-Druckteile mit Leistungsmerkmalen entworfen werden, die Sie bereits kennen und mit denen Sie vertraut sind. Auf diese Weise können Sie den Schwerpunkt Ihrer Lieferkette von den niedrigsten Stückkosten auf optimierte Kosten auf der Grundlage der Leistung und der Herstellung des idealen Designs Ihres Kunden verlagern.

3D-Druck-Risiken

In vielerlei Hinsicht unterscheiden sich die mit dem 3D-Druck in Ihrer Lieferkette verbundenen Risiken nicht von den Risiken, die von Anbietern konventioneller Herstellungsverfahren ausgehen. Bei traditionellen Anbietern und auch Ihren internen Abläufen kommt es unweigerlich mitunter zu Qualitätsproblemen, Rohstoffverzögerungen, Lieferproblemen und finanziellen Schwierigkeiten.

Der 3D-Druck von Fertigprodukten bringt eine weitere Ebene überschaubarer Risiken mit sich, vorausgesetzt, Sie verstehen die Technologie und bewerten Ihre Anbieter angemessen. Zwei Hindernisse für den Einsatz des 3D-Drucks in der Fertigung sind zum Beispiel die Kapital- und Materialkosten sowie der Mangel an qualifizierten Mitarbeitern. Diese Kosten sind ein wesentlicher Grund dafür, dass die Anzahl der 3D-Druckservicebüros, die Ihre Partner in der Lieferkette sein könnten, im Vergleich zur Anzahl der traditionellen Fertigungsservicebüros und Druckereien verschwindend gering ist. Der Mangel an qualifizierten 3D-Druck-Anbietern stellt ein Risiko dar, insbesondere wenn DfAM-Teile nicht mit herkömmlichen Technologien hergestellt werden können.

Ein weiteres Risiko hängt von Ihren Plänen für den Einsatz der 3D-Drucktechnologie ab. Möglicherweise haben Sie bereits einen kostengünstigen 3D-Drucker verwendet, der Kunststoffe für schnelles, iteratives Prototyping extrudiert, und das sollten Sie auch tun. Wenn Sie sich jedoch mit fortgeschritteneren 3D-Drucktechnologien zur Herstellung von Fertigprodukten befassen, müssen Sie sich möglicherweise mit neuen Fragen wie der Zertifizierung der Fertigprodukte befassen.

Glücklicherweise mindern 3D-Druckservicebüros das Risiko in Ihrer Lieferkette. Die Mitarbeiter geben Ihren Technikern wertvolle Hinweise zur Teilekonstruktion in Bezug auf die erforderlichen Materialien, die gewünschte Leistung und die Oberflächenqualität. Die Teile werden von erfahrenen, sachkundigen Facharbeitern hergestellt. Selbst wenn es nur für kurze Zeit genutzt wird, macht ein Servicebüro eine Investition in fortschrittliche 3D-Drucktechnologie überflüssig, bis Sie den Geschäftsfall nachgewiesen haben.

Empfehlungen

Dreißig Jahre nach der Erfindung der ersten 3D-Drucker und zehn Jahre, nachdem der Hype seinen Höhepunkt erreicht hat, wird der 3D-Druck weltweit von Herstellern und Servicebüros genutzt. Die heutigen Teile reichen von alltäglichen Teilen (Montagevorrichtungen) bis hin zu lebenswichtigen Geräten (medizinische Implantate). Lieferkettenfachkräfte profitieren von der jahrzehntelangen Forschung, Erprobung und Fehlerbehebung, indem sie Folgendes beherzigen:

• Mit kostengünstigen 3D-Druckern lassen sich schnell neue Produkte ausprobieren, mit industrietauglichen Druckern können Kunststoff- und Verbundstoffteile hergestellt werden, die in der Fabrikhalle benötigt werden, und mit dem 3D-Metalldruck schließlich lassen sich hochwertige Fertigprodukte herstellen.
• Das Ziel sollte von Anfang an vor Augen gehalten werden. Das heißt, die Technologie zu bestimmen, mit der Ihre Teile hergestellt werden können, und herauszufinden, welcher Anbieter oder Lieferkettenpartner über den 3D-Drucker verfügt, mit dem qualitativ hochwertige und kostengünstige Teile hergestellt werden können.
• Sie müssen bestimmen, wo der 3D-Druck am sinnvollsten ist und den größten Wert in Ihrer Lieferkette bietet – das ist nicht unbedingt die Produktion von Fertigerzeugnissen.
• Erstellen Sie Ihren Geschäftsfall für den 3D-Druck, indem Sie entweder firmeninterne Geräte verwenden, wenn dies gerechtfertigt ist, oder mit Lieferkettenpartnern arbeiten, bis Sie die tatsächlichen Kapital-, Konstruktions- und Herstellungskosten kennen.

¹ Coronavirus-Abwehr: Navy entwickelt 3D-gedruckte taktische Masken für US-Streitkräfte in Korea, https://americanmilitarynews.com/2020/08/coronavirus-defense-navy-develops-3d-printed-tactical-masks-for-us-forces-korea/