Konstrukteure müssen umdenken

Mit dem 3D-Druck eröffnen sich für Logistiker viele neue Geschäftsmöglichkeiten. Maike Grund, Chefin der neuen HHLA-Tochter Bionic Production, im Interview über Möglichkeiten und Grenzen der so genannten additiven Fertigung.

Den Namen Bionic Production verbindet man nicht unbedingt mit 3D-Druck. Warum heißt ihre Firma so?
Das liegt vielleicht daran, dass viele Leute noch gar nicht genau wissen, was 3D-Druck eigentlich ist. Es gibt in diesem Bereich sehr viele Technologien und Werkstoffe. Wir nutzen in erster Linie Pulver in sehr, sehr feiner Körnung von 30 bis 40 Mikrometer. Das Pulver wird in vielen Ebenen aufgeschichtet und belichtet, d.h. aufeinander addiert, daher spricht man auch von Additiver Fertigung. Wir bauen ein Werkstück praktisch von unten nach oben auf, und da liegt der Bezug zur Bionik. Das bionische Prinzip bedeutet der Natur Dinge nachzuempfinden, z.B. das Wachstum. Ein Baum oder eine Blume kommen aus der Erde und wachsen nach oben.

Sind diese bionischen Prinzipien eine Einschränkung oder ein Vorteil?
Wir müssen natürlich den Gesetzen der Schwerkraft folgen, aber mit der Bionik kann man zum Beispiel Bauteile steifer machen. Wir haben da eine Maske konstruiert, die im Nasenrücken die Struktur eines Bananenblattes eingearbeitet hat. Die Fächerstruktur eines hohlen Stängels macht die Maske jetzt viel leichter und sie verdreht nicht mehr so leicht. Mithilfe von Bionik werden bei der Konstruktion Modelle und Ideen aus der Natur für technische Anwendungen umgesetzt.

Und weil die Natur eigentlich immer sparsam ist, sind die Konstruktionen besonders nachhaltig?
Ja, eine Pflanze muss nur aus Wasser, Sauerstoff und Nährstoffen ein Blatt zaubern. Aber sparsam ist die Additive Fertigung vor allem, weil das Material wirklich zum größten Teil im Bauteil landet. Es bleibt ein bisschen Pulver am Produkt haften und vom Rest verklebt auch mal etwas, das nicht wiederverwendet werden kann, aber dieser Anteil liegt vielleicht bei fünf Prozent. Das ist der Unterschied zu subtraktiven Verfahren, bei denen man mit einem Klotz anfängt und dann alles Überflüssige entfernt. Noch kostspieliger wird es, wenn ich in mehreren Schritten fertige, so dass ich einzelne Teile z.B. verschweißen oder anderweitig montieren muss. Wir können sehr komplexe Strukturen in einem Schritt aufbauen, und das ist der wirkliche Vorteil, finanziell und qualitativ.

Von Anfang an additiv zu denken, schafft viele Vorteile.

Dr. Maike Grund, Bionic Production

Aber diesen Vorteil sieht der Kunde nicht auf den ersten Blick?
Viele Unternehmen wissen tatsächlich nicht, wo sie Bionik und Additive Fertigung einsetzen können. Und genau dafür sind unsere Berater da! Sie untersuchen das Produktportfolio und Prozesse gemeinsam mit dem Kunden. Es gibt nicht nur das eine Verfahren, sondern etliche und ständig kommen neue dazu. Wir checken alles vor Ort, Stichwort Ersatzteile, Stichwort Hilfsmittel, Stichwort Neukonstruktion, Stichwort Größenvorteile…

Noch denken die meisten Konstrukteure in den Unternehmen sehr traditionell – was ihnen keiner vorwerfen kann. Additive Fertigung ist häufig kein Standard in der Ausbildung – nicht jeder ist so fortschrittlich wie z.B. das SCA! Aber wenn ich von Anfang an additiv denke, lassen sich viele Vorteile schaffen.

Heißt additiv denken also umdenken?
Ja, und da kann man ganz unterschiedliche Wege gehen. Wir können Bauteile identifizieren, die dann optimiert werden. Wenn es herkömmliche Bauteile sind, dann kann ich sie leichter konstruieren, also weniger Material verbrauchen und den Transport vereinfachen. Oder ich kann zusätzliche Funktionen in das Bauteil integrieren, so dass mein Bauteil in der Summe günstiger wird. Ich kann auch die Steifigkeit erhöhen, so dass beispielsweise Aluminium durch ein teureres Metall wie Titan ersetzt wird, ohne dass die Kosten steigen.

Sie können Titan drucken?
Ja, das ist einer unser Wettbewerbsvorteile. Der Druck von Titan ist nicht trivial und einige Wettbewerber beneiden uns darum. Grundsätzlich können wir alle schweißbaren Metalle mit Hilfe unserer Verfahren drucken.

Was Sie bisher beschrieben haben, sind allgemeine Trends im Maschinenbau. Nun transformiert sich die Welt der Logistik aber derzeit durch die Corona-Krise. Hat die additive Fertigung auch dafür neue Lösungen?

Die Beschränkungen und Umwälzungen durch die Corona-Krise zeigen, wie abhängig Unternehmen von einer schnellen und funktionierenden Lieferkette sind. Gerade wenn es um kritische Ersatzteile geht, können Störungen in der Supply Chain sehr weitreichende Folgen für die Produktion haben. Mit Hilfe des 3D-Drucks ist es möglich, solche Engpässe zu vermeiden oder zumindest zu überbrücken. Individuelle Bauteile können schon ab Losgröße 1 gedruckt werden, aber das ist nur einer der Vorteile. Andere Möglichkeiten wären zum Beispiel, zusätzliche Funktionen wie Halterungen oder Kühlkanäle zu integrieren, oder Leichtbauelemente zu entwerfen, indem man Material ‚weg lässt‘, also Hohlräume und Gitter einplant.

Betrachten wir die Transportströme: Müssen wir davon ausgehen, dass bald überall auf der Welt Maschinen stehen, die Produkte direkt ausdrucken, so dass man sie nicht mehr über die Weltmeere verschiffen muss?
Prinzipiell muss auch das Pulver bzw. der Draht verschickt werden, die man dann vor Ort verarbeitet. Wirtschaftlich macht es alllerdings wenig Sinn, simple Bauteile in Großserien zu drucken, denn der Druck von großen Stückzahlen ist etwa im Vergleich zum Gießen nicht schnell genug. Und in den allermeisten Fällen bestehen Produkte aus mehr als einem Material – das ist im Moment eine Limitation! Aus gutem Grund wird ein Metall mit Glas kombiniert, wenn ich z.B. ein Fenster baue. Und die meisten Maschinen sind noch komplexer als ein Fenster. Deshalb werden sie auf absehbare Zeit weiterhin schwer zu drucken sein. Auch wenn man ganz viele einzelne Teile drucken kann, werden wir langfristig nicht um die Montage von Maschinen herumkommen. Wir bei der BPG werden morgen keine Lollis drucken, übermorgen keine ganzen Autos in Serie, und auch in ferner Zukunft keine Energiekraftwerke.

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck bezeichnet alle Verfahren, mit denen Schicht für Schicht dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden. Der schichtweise Aufbau, deswegen häufig auch additive Fertigung genannt, erfolgt durch 3D-Drucker nach vorgegebenen Daten. Werkstoffe für den 3D-Druck sind beispielsweise Kunststoffe, Metalle und deren Legierungen..

Der 3D-Druck ist das Gegenteil von herkömmlichen, zerspanenden oder auch subtraktiven Fertigungsverfahren wie Drehen und Fräsen. Der deutlich geringere Materialverbrauch macht den 3D-Druck häufig günstiger.

Noch setzt die Industrie 3D-Druck vor allem ein, um Modelle, Muster oder Prototypen herzustellen. Auch bei Sonderanfertigungen ist 3D-Druck häufig deutlich günstiger und besser als herkömmliche Verfahren.

Aber es werden sich doch neue Geschäftsmodelle für Logistiker ergeben, die an relevanten Knotenpunkten der Warenströme vertreten sind?
Ja! Es ist total sinnvoll, Dinge zu drucken, die kurzfristig beschafft werden müssen oder an denen nachträglich eine Änderung an der Konstruktion vorgenommen wurde. Solche Güter kann man entlang der Transportwege anderer Massengüter beisteuern. Nicht unbedingt ad hoc, sondern auch geplant, weil es z.B. die Flexibilität erhöht oder bestimmte Dinge vielleicht nur gedruckt werden können. Man muss auch nicht alles in China herstellen und kann einiges häufig ortsnah oder an einer logistischen Drehscheibe drucken.

Also im Hafen, vielleicht sogar bei der HHLA?
Ja, dort könnte man Einzelteile dem Materialfluss planmäßig beifügen. Genau diese Idee haben wir mittelfristig auf dem Radar, in Kooperation mit der HHLA, für deren Kunden wir gerne einen Mehrwert leisten wollen - auch darum sind wir ein Teil des neuen Segments ‚Logistik‘. Die Idee ist es, Teile auch kurzfristig verfügbar machen, die wir im Zweifel vorher schon im Design optimiert haben. Man muss allerdings die richtige Nische finden und die Anwendung, bei der es wirklich Sinn macht. Noch sind die Maschinen ziemlich teuer, und das Material ist auch nicht billig. Aber da setzt unsere Beratung an. Wir schauen genau hin, welche Teile man der Transportkette an welcher Stelle hinzufügen kann.

Ist es nicht auch naheliegend, dass man abgelegene Regionen mit Drucker vor Ort besser versorgen kann?
Absolut! Dafür wollen wir ein neues Produkt auf den Markt bringen, die Mobile Smart Factory. Sie kann in einem oder mehreren Containern - je nachdem, was gedruckt werden soll – fast überall aufgebaut werden. Fehlt dort der Strom, wird er von einem Dieselmotor erzeugt. Nur einen Internet-Zugang braucht man, weil die Factory ihre Druckaufträge über das Netz erhält. Nicht einmal ausgebildete Spezialisten mit tiefer technischer Expertise benötigt man. Sie müssen nur den Datensatz auswählen, der bestimmt, was gedruckt werden soll. Die lade ich in der Maschine hoch und drücke auf Start. Dann wird gedruckt, was auch immer benötigt wird.

Die können ohne Nachbearbeitung gleich eingesetzt werden?
Die Smart Factory hat nicht nur den Drucker in der Box, sondern auch alles, was er zur Nacharbeit braucht. Wir wissen ja, dass gedruckte Teile nicht notwendigerweise die finale Oberflächenstruktur haben. Also müssen bestimme Schnittstellen noch nachbearbeitet werden, und dafür ist eine Fräse oder ein Sandstrahl-Apparat eingebaut. Deshalb kann ein solches Gerät besonders in Regionen Mehrwert leisten, wo es sonst kaum Transportmöglichkeiten gibt.

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Dr.-Ing. Maike Grund

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