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04.07.2016
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3D-Drucker

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Wolfgang Pehamberger, MSc
(5-Dimensions Consulting GmbH)


3D-Drucker – nahezu täglich begegnen sie uns in allen Medien. Sie produzieren farbenprächtige und manchmal wirklich komplexe Objekte – meist aus Plastik oder Keramik. Von ersten kommerziellen Anwendungen dieser Items wird auch bereits berichtet. Richtig interessant wird es aber erst, wenn Bauteile aus Stahl gedruckt werden können - und das ist bereits die Realität und konnte bei DMG MORI CO LTD in Singapur besichtigt werden.

Ein Bohrkopf wird gedruckt

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Bohrkopf aus dem 3D-Drucker

Obiges Bild zeigt einen ca. 25 cm langen Bohrkopf. Er sieht aus wie ein normaler Bohrkopf und besteht aus unterschiedlichen Stahlarten. Dieses Objekt wurde von einem 3D-Drucker produziert und ist voll funktionsfähig.

Der Bohrkopf wurde von einer Lasertec 65 3D der Firma DMG MORI CO. LTD. hergestellt.

Die Basis bildet eine CNC-Fräs-maschine. Die Fräseinheit wird während des Druckvorgangs durch einen Laser ersetzt. Mithilfe dieses Lasers wird Material „gedruckt“. Der „Druck-Vorgang“ ist eigentlich eine Art von Auftragsschweißen. Das Pulver wird von Bohler Pacific PTE. LTD geliefert.

Durch die Verwendung unterschiedlicher Mixturen des Pulvers kann die Art und Zusammensetzung des Stahls variiert werden. Der Druckvorgang wechselt zwischen Auftragen des Materials und Fräsen der benötigten Oberflächen. Die Steuerung des gesamten Prozesses erfolgt durch die CNC-Steuerung des Druckers.

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Abb. Funktionsweise (Vgl. DMG MORI)

Weitere Informationen über den gesamten Vorgang werden in folgendem Dokument beschrieben DMG MORI Lasertec 65 3D. http://bit.ly/290oYci

Warum sollte man einen Bohrkopf drucken?
Die Produktion eines Bohrkopfs dauert auf dieser Maschine rund 7 Stunden. Der Vorgang ist komplex und der 3D-Drucker ist nicht billig. Warum produziert man also einen Bohrkopf mit dieser Maschine? Die Versorgung mit Nachschub auf einer Offshore-Plattform kann ein zeitaufwändiger Prozess sein und weit länger als 7 Stunden in Anspruch nehmen. Der Ausfall eines Bohrkopfs würde die Arbeiten für längere Zeit unterbrechen. Mit diesem Drucker kann ein neuer Bohrkopf Vorort produziert werden. Auch die Reparatur eines beschädigten Bohrkopfs ist  mit diesem Drucker möglich und nimmt keine 7 Stunden in Anspruch. Der Reparaturvorgang setzt sich aus folgenden Schritten zusammen: Scannen des defekten Bohrkopfs, entfernen der beschädigten Teile durch den Fräser und drucken der fehlenden Elemente.
Die Produktion von speziellen Bohrköpfen wäre ebenfalls möglich. Der Plan des Bohrkopfs wird an die aktuellen Bedürfnisse angepasst und an die CNC-Steuerung übertragen. Nach rund 7 Stunden wäre der adaptierte Bohrkopf einsatzbereit.

Die Vorteile eines 3D-Druckers
Für folgende Anwendungsfelder ist der Einsatz eines 3D-Druckers derzeit vorteilhaft:
  • Es wird nur ein Stück benötigt.
  • Ersatzteil-Nachschub dauert zu lange.
  • Kostenreduktion der Lagerhaltung von Ersatzteilen.
  • Es gibt kein anderes Produktionsverfahren für ein spezielles Teil.
In der nächsten Zeit ist ein Ersatz der Massenproduktion von Teilen durch 3D-Drucker eher nicht realistisch. Die hohen Kosten des Druckers und die relativ langen Produktionszeiten des Druckens sprechen derzeit dagegen. Doch die Zukunft ist immer wieder für Überraschungen gut.

Praktische Anwendungen des 3D-Druckers
Luftfahrtindustrie (http://bit.ly/28Xqsmj), Schiffstechnik und Fördertechniken für Erdöl und Erdgas sind die ersten Branchen, wo die neuen 3D-Drucker bereits zum Einsatz kommen. Scannen eines beschädigten Bauteils, Entfernen des defekten Bereichs und Nachdrucken der fehlenden Struktur ist mit dem 3D-Drucker bereits jetzt möglich. Ebenso können Bauteile komplett gedruckt werden.

Prototyping
Die Entwicklung von voll funktionsfähigen Prototypen wird durch die 3D-Drucker wesentlich beschleunigt. Ein Teil wird entworfen oder modifiziert. Die notwendigen Daten basierend auf dem Plan werden an den 3D-Drucker übergeben und nach dem Druckvorgang ist ein voll funktionsfähiger Bauteil verfügbar. Damit kann die Time-To-Market wesentlich reduziert werden.

Das Drucken “unmöglicher” Bauteile
Bestehende Produktionseinheiten leisten großartige Arbeit. Aber manche Elemente sind mit den bestehenden Technologien nicht zu produzieren. Die Bauteile in obiger Abbildung verfügen über gleiche mechanische Eigenschaften. Das Teil, welches durch den 3D-Drucker erzeugt wurde, ist um 40% kleiner und wiegt nur 25% im Vergleich zum ursprünglichen Objekt. Innovative Konstruktionen und signifikante Gewichtsreduktionen sind dadurch möglich.

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Abb. Adaption durch Einsatz von 3D-drucker (vgl. DMG MORI)


Ersatzteile sind nicht verfügbar
Ersatzteile für Autos sind nahezu überall in kurzer Zeit verfügbar. Dies gilt allerdings nur für relativ neue Fahrzeuge. Für Oldtimer, die vor 30 oder mehr Jahren produziert wurden, sieht es allerdings schon etwas anders aus. Ersatzteile für diese Fahrzeuge sind dank dem Einsatz von 3D-Druckern wieder verfügbar. Das beschädigte Teil wird eingescannt. Eventuell bekannte Probleme können mittels CAD behoben werden. Danach wird das benötigte Teil gedruckt. Möglicherweise ist das so erzeugte Ersatzteil besser als das Original (besseres Material, Konstruktionsfehler behoben, etc.).

Die Zukunft
Heute haben wir Copy-Shops in jeder Stadt und Kopien und Ausdrucke sind überall verfügbar. In kurzer Zeit wären 3D-Service-Center auf jedem Airport und in jedem Hafen möglich. Gibt es ein Problem mit einem Bauteil, so  werden die Daten an das nächste Service-Center übermittelt. Erreicht das Flugzeug oder das Schiff den Hafen,  dann wartet dort schon das fertige Bauteil und Stehzeiten könnten damit wesentlich reduziert werden. In einer vollautomatischen Fertigung könnten die Maschinen laufend ihren Status überprüfen und bei Bedarf den Austausch eines problematischen Elements vorbereiten. Die notwendigen Informationen werden an den 3D-Drucker übermittelt und beim nächsten Wartungsfenster ist das Ersatzbauteil verfügbar und kann rechtzeitig ausgetauscht werden. Ausfälle können damit reduziert werden.
Vermutlich wird die 3D-Drucker-Technologie rasch verfügbar sein. Komplexere Druckvorgänge sind dann sicher möglich (unterschiedliche Materialien etc.). Man wird über das Internet Drucker buchen können, die notwendigen Daten übermitteln können und ein Botendienst bringt uns das gewünschte Objekt.
Natürlich sind bis dahin noch einige Probleme zu lösen: die Kosten der Drucker und der Druckvorgänge sind noch sehr hoch, die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien ist nicht immer möglich, der Schutz der Rechte von allen muss gewährleistet werden, gefährliche Güter (wie automatische Waffen) dürfen nicht ohne weiteres gedruckt werden, usw. Aber die Technologie ist bereits da. Die Probleme werden gelöst werden und neue Geschäftsfelder werden sich rasch eröffnen.  
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