Ist die additive Fertigung für alle Hersteller und Produkte geeignet?

Leah Archibald: Wie entscheiden Sie, ob additive Fertigung etwas für Sie ist? Mein heutiger Gast Robert Turck kommt von Fast Radius, einem führenden Unternehmen im Bereich der additiven Fertigung, zu uns. Er kam zu uns, als Fast Radius noch ein Start-up-Unternehmen war, und er hat miterlebt, wie Kunden den Prozess der Evaluierung durchlaufen haben, ob Additive Fertigung in ihrer Lieferkette eine ernsthafte Erwägung sein sollte oder nicht. Robert Turck, herzlich willkommen zum Podcast.

Robert Turck: Vielen Dank, dass Sie mich eingeladen haben, Leah.

Leah Archibald: Lassen Sie uns ein wenig in der Zeit zurückgehen. Können Sie mir sagen, wann Sie angefangen haben, sich für die additive Technologie zu begeistern und was Sie daran am meisten begeistert hat?

Robert Turck: Auf jeden Fall. Ich arbeitete für ein Unternehmen namens NN, das im Laufe der Zeit durch Übernahmen eine Anlage für den 3D-Druck – die additive Fertigung von Metall – erworben hatte. Sie nutzten diese Technologie für die orthopädische Industrie – sie druckten im Wesentlichen Teile, die in unseren Körpern eingesetzt werden sollten. Zum Beispiel ein Hüftgelenk, das in einem einzigen Prozess gedruckt wurde, anstatt aus mehreren Teilen zu bestehen und zusammengefügt zu werden. Ich fand das einfach absolut faszinierend. Wir setzen nicht nur gedruckte Metallteile für Körper ein, sondern wir stellen auch Gelenke in einem einzigen Prozess her.

Leah Archibald: Gibt es bestimmte Arten von Teilen, die sich besser für die additive Fertigung eignen als andere?

Robert Turck: Auf jeden Fall. Generell eignen sich sehr komplizierte geometrische Strukturen für die additive Fertigung. Ein großer Teil der Innovation der additiven Fertigung ist die Möglichkeit, Gitterstrukturen zu drucken. Wir können ein massives Teil nehmen und sein Gewicht reduzieren, indem wir im Wesentlichen eine Netzstruktur im Inneren erzeugen. Man opfert nur sehr wenig innere Festigkeit, hat aber den Vorteil, dass alle nicht benötigten Füllstoffe entfernt werden. Bei der herkömmlichen Fertigung ist dies nicht kosteneffizient möglich. Die Möglichkeit, dies im 3D-Druck zu tun, ist ein großer Vorteil.

Ein weiteres Beispiel, das mir in den Sinn kommt, ist die Luftströmung innerhalb eines bestimmten Bauteils. Denken Sie an einen Verteiler, der einen ganz bestimmten Luftstrom haben muss, oder an eine Möglichkeit, Flüssigkeit durch ein bestimmtes System zu leiten. Der 3D-Druck gibt Ihnen die Freiheit, jede beliebige Strömung zu entwerfen, die Sie wünschen.

Eine weitere Besonderheit der additiven Fertigung ist die Anpassungsfähigkeit. Bei der traditionellen Fertigung wird ein Prozess für ein bestimmtes Design eingerichtet und in Serie produziert. Beim 3D-Druck ist es möglich, spontan Änderungen vorzunehmen. Es kann sein, dass Sie ein bestimmtes Design haben, von dem Sie dachten, es sei goldrichtig, aber als Sie es festlegten, stellte sich heraus, dass Sie ein bestimmtes Problem nicht vorhergesehen hatten. Jetzt, wo es im Einsatz ist, ist es ein kompletter Fehlschlag, und Sie müssen Zehntausende, vielleicht Hunderttausende von Dollar in den Sand setzen und von vorne anfangen. Aber wenn man Prototypen aus 3D-gedruckten Materialien herstellt, kann man das Design in Sekundenschnelle ändern.

Leah Archibald: Es klingt also so, als ob sich additive Verfahren gut für Konstruktionen eignen, die für jeden Anwendungsfall individuell angepasst werden, sei es für eine Einzelperson oder für den schnellen Austausch von Teilen im Feld. Gibt es noch andere Anwendungsfälle für große Fertigungsunternehmen, bei denen der 3D-Druck in großem Maßstab helfen könnte?

Robert Turck: Der ursprüngliche Gedanke, der hinter dem 3D-Druck steckt, war der des Prototypings, und das bietet sich für bestimmte Anwendungen innerhalb des Produktlebenszyklus an. Aber es gibt auch bestimmte Bereiche, in denen der 3D-Druck für die Massenproduktion eingesetzt werden kann – Bereiche, in denen die geometrische Struktur des Teils entweder nicht auf herkömmliche Weise hergestellt werden kann oder dies nicht kosteneffektiv möglich ist.

Der andere Bereich, in dem das Verfahren seine Stärken ausspielen kann, ist die lokale Beschaffung, d. h., es wird lediglich das Material an einem bestimmten Ort benötigt. Eine solche Anwendung wurde uns von einem Kunden vorgestellt. Er wollte Duschköpfe in 3D drucken, die für einen speziellen Wohnbereich maßgeschneidert werden sollten.

Leah Archibald: Zu Beginn dieses Gesprächs hatte ich diese Frage im Kopf: Ist 3D-Druck etwas für mich, wenn ich GE bin? Ist 3D-Druck etwas für mich, wenn ich Boeing bin? Jetzt denke ich, dass das vielleicht die falsche Frage ist. Ich denke, die Frage lautet: Ist der 3D-Druck für mich geeignet, wenn ich dem Kunden einen Mehrwert biete? Wenn ich die Abteilung von Boeing bin, die Flugzeugtüren für 1000 Flugzeuge herstellt, dann ist der 3D-Druck nichts für mich. Wenn ich aber weiter unten im Produktlebenszyklus stehe und ein kleines Teil am Flugzeug ersetze, das sehr schwer zu beschaffen ist, wo die Beschaffungskette sehr lang ist, ich aber einen Drucker in meinem LKW haben kann, dann ist 3D-Druck etwas für mich.

Um auf Ihr Beispiel mit den Duschköpfen zurückzukommen: 3D-Druck ist nichts für mich, wenn ich bei Lowe’s bin und versuche, Tausende von Duschköpfen für meine Lagerregale zu bekommen. Aber für meine individuell gestaltete Badezimmereinrichtung könnte der 3D-Druck etwas für mich sein. Ich denke, es kommt darauf an, welchen Wert wir für den Kunden produzieren, und das wird sich auch im Preis widerspiegeln, den der Kunde bereit ist, für diese spezielle Art von Wert zu zahlen.

Robert Turck: Sie sprechen hier einige sehr gute Punkte an. Und es gibt sogar Anwendungen für ein und dasselbe Teil, das immer wieder hergestellt wird. Das gilt, wenn es keine gute Möglichkeit gibt, dieses bestimmte Teil auf traditionelle Weise zu fertigen. Zum Beispiel kann es sehr wohl notwendig sein, das Gewicht eines Flugzeugteils zu reduzieren, und vielleicht ist man bereit, für die Gewichtsreduzierung insgesamt etwas mehr zu bezahlen, weil man mit einem leichteren Flugzeug Treibstoff spart. Man könnte das Gewicht durch die Schaffung von Gitterstrukturen reduzieren, oder man könnte das Gewicht reduzieren, indem man keine Teile zusammenfügen muss. Vielleicht hat man ein einzelnes Teil, das als mehrere Teile in einem Stück gedruckt wird, anstatt es in mehreren Teilen zu fertigen und dann zusammenzubauen, wobei es zu Fehlern kommen kann, wenn die Materialien nicht richtig verbunden werden. Dabei geht es natürlich auch um die Kosten für den Transport dieser Einzelteile an verschiedene Orte, um sie zusammenzubauen und dann an einen anderen Ort zurückzuschicken, um sie zu größeren Teilen zusammenzubauen. Es gibt eine Möglichkeit, durch Innovation und Design die Anzahl der Teile zu reduzieren und sie zu Einzelteilen zu machen, ähnlich wie das Hüftgelenk, über das wir zu Beginn gesprochen haben.

Leah Archibald: Ich habe so getan, als sei der 3D-Druck ein einziger Monolith – als gäbe es nur eine Maschine, die Dinge in 3D druckt. Könnten Sie uns aber eine Vorstellung von den verschiedenen Arten des 3D-Drucks geben, die vielleicht unterschiedliche Kosten für einen Hersteller haben oder in verschiedenen Situationen funktionieren könnten?

Robert Turck: Es gibt eine riesige Auswahl. Man kann sogar so einfach wie der Hobby- oder Prosumer-Markt für den 3D-Druck vorgehen. Heutzutage kann man wirklich gute Drucke bekommen – und das zu einem sehr günstigen Preis. Man kann sogar einen Drucker kaufen. Und dann gibt es natürlich auch noch teure Geräte, deren Anschaffung bis zu einer halben Million Dollar kosten kann. Und manchmal mieten oder leasen Servicebüros diese Geräte, anstatt sie direkt zu kaufen. Abgesehen von den Druckerkosten sind auch die Materialkosten von Drucker zu Drucker sehr unterschiedlich. Ob es sich nun um ein flüssiges Harz oder um ein pulverförmiges metallisiertes Material handelt, es muss ganz bestimmte Eigenschaften haben, damit es richtig verschmilzt, sogar bis hin zum Pulver für den Multi Jet Fusion-Drucker von HP. Es gibt so viele verschiedene Möglichkeiten, mit 3D-Druck zu produzieren. Die meisten kennen das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), bei dem im Wesentlichen eine Reihe oder eine Spule von Filamenten oder Kunststoffen durch eine heiße Düse extrudiert und verflüssigt bzw. bis nahe an die Schmelztemperatur gebracht wird.

Es gibt auch Verfahren wie MJF (Multi Jet Fusion) von Hewlett Packard, bei denen ein pulverförmiger Kunststoff auf eine Temperatur nahe seiner Schmelztemperatur gebracht wird und dann mit Hilfe von Licht oder Laser im Wesentlichen der spezifische Querschnitt geschmolzen wird, der über seinen Schmelzpunkt gebracht werden muss. Dadurch entsteht eine Schmelze, die sich verfestigt und dann eine neue Schicht bildet.

Leah Archibald: Ich habe einmal bei einer Schuhfirma gearbeitet und habe gesehen, wie die Prototypen der Schuhsohlen gedruckt wurden. Der Drucker hat eine Schicht Sand aufgetragen und dann Teile des Sandes geschmolzen, immer und immer wieder, über mehrere Stunden hinweg. Das Ergebnis war ein Schuhboden, der vielleicht 150 Pfund wog, und es sah so aus, als würde man diesen Berg von Schuhen aus der Erde ziehen. Das war zwar nichts, was man sich tatsächlich an den Fuß ziehen würde, aber es vermittelte einem die Vorstellung.

Robert Turck: Das ist ein guter Punkt: Wie kommt man von etwas, das im Wesentlichen wie eine Sandburg aussieht, zu einem Teil, das tatsächlich nutzbar ist? Im Allgemeinen gibt es beim 3D-Druck einen Schritt, der den meisten nicht bewusst ist, es sei denn, sie sitzen in einer Fabrik und erleben ihn mit. Es gibt einen Nachbearbeitungsschritt, der nach dem 3D-Druck stattfindet. Es gibt Fachleute mit Präzisionswerkzeugen, die im Wesentlichen das abschleifen, was nicht benötigt wird, oder das Stützmaterial von den Teilen entfernen. Der Teil der Reinigung ist etwas, an das man nicht denkt, wenn man sagt: Hey, ich drücke einfach auf Drucken!

Leah Archibald: Wenn Hersteller also darüber nachdenken, diese Technologie einzusetzen – entweder für bestimmte Anwendungsfälle oder weil sie einen Teil ihrer Produktion ins Ausland verlagern wollen -, müssen sie nicht nur an die Kosten für den Drucker und das Druckmaterial denken. Es gibt auch spezielle Arbeitskosten, die damit einhergehen müssen, denn jedes 3D-gedruckte Teil muss in irgendeiner Weise nachbearbeitet werden.

Robert Turck: Ganz genau. Und selbst vor dieser Spezialisierung, die Sie für den Nachbearbeitungsprozess ansprechen, gibt es eine Menge technischer Arbeit, die im Vorfeld geleistet werden muss, um das Teil tatsächlich für den 3D-Druck herstellbar zu machen. Es könnte eine Optimierung geben, die es für den 3D-Druck kostengünstiger macht. Außerdem wirkt sich die Ausrichtung, in der das Teil gedruckt wird, auf die Materialeigenschaften aus, wenn es sich nicht um ein isotropes Material handelt. Isotrop bedeutet, dass das Material unabhängig von der Ausrichtung in allen Richtungen die gleichen Festigkeitseigenschaften aufweist. Manche Materialien sind jedoch nicht isotrop. FDM, die traditionelle Art der Herstellung, die wir kennen, ist nicht isotrop. Die Z-Achse, in der Schichten und Schichten übereinander liegen, versagt viel früher, als wenn man versucht, die XY-Region unter Spannung zu setzen.

Leah Archibald: Und aPriori hat ein ganzes Softwaresystem, das dem Konstrukteur hilft, diese Entscheidungen zu treffen.

Robert Turck: Ganz genau. Es ist fast wie in der Matrix. Zum Beispiel: Ich weiß nicht, wie man einen Hubschrauber fliegt, aber ich lade mir das hier herunter, und schon weiß ich, wie man es macht. Das ist in etwa das, was aPriori mit den Design-Insights macht, die es bietet.

Leah Archibald: Meine Lieblingsfrage auf Partys war schon immer: Wenn Sie sich eine Fähigkeit im Matrix-Stil herunterladen könnten, ohne dafür Unterricht nehmen oder üben zu müssen, welche Fähigkeit würden Sie wählen?

Robert Turck: Einen Sinn für Ironie.

Leah Archibald:  Nun, Robert Turck, es war mir ein großes Vergnügen. Danke, dass Sie heute bei mir im Podcast sind.

Robert Turck: Das Vergnügen ist ganz meinerseits, Leah, vielen Dank.