Rapid Manufacturing

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Methode
1.4 Vorgehensweise

2. Die generative Fertigungstechnologie
2.1 Die ersten historischen Ansätze der Technologie
2.2 Das generative Verfahren
2.2.1 Das Prinzip des schichtweisen Aufbaus
2.2.2 Verfahrensgruppen
2.2.3 Stützkonstruktion
2.3 Aspekte der generativen Fertigungstechnologie
2.3.1 Produktbezogene Aspekte
2.3.2 Prozessbezogene Aspekte
2.3.3 Ökonomische Aspekte
2.4 Begriffe aus dem Umfeld der generativen Fertigungstechnologie

3. Die Zukunft des Rapid Manufacturing
3.1 Konzeption eines Szenarios
3.2 Das Szenario über die zukünftigen Entwicklungen
3.2.1 Die technologische Entwicklung
3.2.2 Die ökonomische Entwicklung
3.2.3 Die soziokulturelle Entwicklung
3.2.4 Die politisch/rechtliche Entwicklung
3.3 Anwendungsbereiche für Rapid Manufacturing

4. Wertschöpfungsmodelle mit Rapid Manufacturing
4.1 Wertschöpfung und ihre Darstellungsform
4.2 Nachfrageorientierte Wertschöpfung
4.3 Schlanke Wertschöpfung
4.4 Interaktive Wertschöpfung
4.4.1 Produktindividualisierung (Mass Customization)
4.4.1.1 Direkte Kommunikation mit dem Kunden
4.4.1.2 Individualisierung über Intermediär
4.4.2 Open Innovation und Co-Design
4.4.3 Open Innovation, Mass Customization und Rapid Manufacturing
4.5 Die Grenzenlose Produktion
4.5.1 Vor-Ort-Produktion
4.5.2 Layer Player
4.5.2.1 Spezialisierte Dienstleister
4.5.2.2 Nichtspezialisierte Dienstleister
4.5.3 Cloud Producing
4.6 Auswirkungen auf die Markteintrittsbarrieren

5. Die Produktion beim Konsumenten
5.1 Bezugsquellen für Produktdaten
5.1.1 Selbsterstellte und eingescannte Produktdaten
5.1.2 Kostenpflichtige Produktdaten
5.1.3 Frei verfügbare Produktdaten
5.1.4 Darknet
5.2 Die schwindende Verfügungsmacht über die Wertschöpfung
5.2.1 Gefahr durch die Digitalisierung der Produkte
5.2.2 Auswirkungen auf starke Marken
5.2.3 Gefahren im industriellen Sektor
5.3 Alternative Ansätze zur Wertschöpfung im Umfeld des Fabbers

6. Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Danksagung

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Selektives Laser-Sintern von zwei Bauteilen

Abb. 2 Complexity for free

Abb. 3 Vergleich von Massenfertigung mit RM

Abb. 4 Weltweiter Branchenumsatz nach Produkten und Services

Abb. 5 Anteil RM am Einsatz generativer Verfahren

Abb. 6 Die Wertschöpfungskette und ihre Umkehrung

Abb. 7 Figur von FigurePrints

Abb. 8 Wertschöpfungsmodell mit Intermediär

Abb. 9 Dreiseitige Marktplattform

Abb. 10 Grenzenlose Produktion

Abb. 11 Produktion in Nähe des Kunden

Abb. 12 Horizontaler Layer Player

Abb. 13 Cloud Producing mit zentraler Distributionsstelle

Abb. 14 Aufteilung entlang der Produktionswertschöpfung

Abb. 15 Die Verfügungsmacht des Unternehmens bei klassischer Produktion

Abb. 16 Die Verfügungsmacht des Kunden als Fabber

Abb. 17 Schwächung der Property-Rights-Verteidigungsposition

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Die generativen Fertigungsverfahren sind eine verhältnismäßig junge Technologie. Die erste industriell einsatztaugliche Maschine wurde 1987 von der amerikanischen Firma 3D-Systems auf den Markt gebracht.^[1] Generative Fertigungsverfahren werden in unterschiedlichen Anwendungsfeldern eingesetzt. Das bis heute dominierende Feld ist die Produktentwicklung, bei der das Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Mustern eingesetzt wird (Rapid Prototyping). Seit einigen Jahren gibt es unter der Bezeichnung Rapid Manufacturing (RM) erste Ansätze, direkt einsatzfähige Endprodukte mittels generativer Fertigungsverfahren herzustellen.^[2] Dieses Feld wird in der vorliegenden Arbeit untersucht.

Mit Rapid Manufacturing ist es möglich, Bauteile oder Bauteilgruppen in nahezu beliebigen Formen herzustellen. Dazu werden keine formspezifischen Werkzeuge, Vorrichtungen oder Einstellungen benötigt. Eine Umrüstung zwischen der Produktion zweier Bauteile, die sich in ihrer Geometrie unterscheiden, ist nicht notwendig. Generative Verfahren bieten sich besonders für die Herstellung von Einzelstücken oder Kleinserien an. Weiterhin ist der Produktionsvorgang in hohem Grade automatisiert.

Produkte werden häufig am Computer entwickelt, somit liegt nach der Entwicklungsphase eine dreidimensionale CAD-Datei (Computer Aided Design) des Produktes vor. Generative Fertigungsmaschinen können diese Daten verarbeiten, d.h. das Produkt kann direkt aus der Computerdatei heraus hergestellt werden. Bildhaft ausgedrückt lässt sich das Produkt im Idealfall komplett per Mausklick „ausdrucken“.

Aufgrund der digitalen Anbindung können Produktionsaufträge leicht transferiert werden. Das bietet Ansätze für neue Dienstleistungskonzepte und verspricht hohe Skalierbarkeit und Flexibilität. Es bieten sich Möglichkeiten, Produktionsabläufe und ganze Wertschöpfungsketten neu zu gestalten und die Wertschöpfung über Unternehmensgrenzen hinaus zu organisieren.

Letztlich kann die zukünftige Entwicklung dazu führen, dass auch der Endkunde Zugriff auf die Produktionstechnologie erhält. In Kombination mit der erwähnten Digitalisierbarkeit und Transferierbarkeit von Produktbauplänen ergeben sich bahnbrechende Ansätze.

1.1 Problemstellung

Innerhalb der sogenannten Rapid-Branche, also dem Netzwerk aus Anlagenherstellern, Dienstleistern und Forschungseinrichtungen, die sich mit generativen Fertigungsverfahren auseinandersetzen, war in den 90er Jahren eine Euphorie bzgl. RM zu verzeichnen. Es folgte daraufhin allerdings eine Phase der Ernüchterung. Die technischen Möglichkeiten befanden sich in einem rudimentären Stadium. Qualität, Kosten und Material-eigenschaften ließen eine Anwendung der generativen Fertigung über den Prototypenbereich hinaus nicht zu.^[3] In den letzten Jahren konnten erste Erfolge im RM realisiert werden; seitdem lässt sich eine neue Welle der Innovationsfreudigkeit erkennen. Die meisten Anwendungsfelder liegen im Bereich der Investitionsgüter, in jüngster Zeit sind jedoch auch Erfolge im Konsumentensegment zu verzeichnen. Neben bestehenden Unternehmen versuchen einige Start-Up, neue Konzepte auf Basis der generativen Technologie umzusetzen.^[4]

Die Wertschöpfungsorganisation im produzierenden Sektor wurde seit Beginn der Industrialisierung von den jeweils eingesetzten Fertigungsmethoden geprägt. Generative Fertigungsverfahren stellen den klassischen Produktionsmethoden eine neue Form der Fertigungsmöglichkeit gegenüber und weisen Eigenschaften auf, die sich direkt auf die Fertigungsorganisation auswirken.^[5] Vor dem Hintergrund der Technologie und ihrer Möglichkeiten können aus theoretischer Sicht Überlegungen über die ökonomischen Auswirkungen angestellt werden. RM bietet Voraussetzungen, die eine Institutio-nalisierung neuer oder zumindest modifizierter Wertschöpfungsmodelle im Produktionssektor vermuten lassen.

Die generative Technologie ist von einem dynamischen Fortschritt über die letzten Jahre geprägt und es sind weitere Schlüsselerfolge in der Zukunft zu erwarten.^[6] Trotz dieses Fortschritts gilt es einen realistischen Blick zu behalten. Aufgrund vieler Restriktionen sind bis heute nur in begrenztem Rahmen Produkte mittels RM herstellbar.^[7] Jedoch werden die Branchen und Unternehmen, deren Produkte sich heute oder in Zukunft für die generative Fertigung eignen, mit Auswirkungen auf die Wertschöpfungsorganisation in ihrem Wettbewerbsumfeld konfrontiert.

1.2 Zielsetzung

In der vorliegenden Arbeit wird versucht, vor dem Hintergrund der generativen Fertigungstechnologie zukünftige Wertschöpfungsmodelle abzuleiten. Als Ausgangspunkt muss deshalb die Technologie vorgestellt werden. Dabei gilt es, die Aspekte hervorzuheben, die gegenüber herkömmlichen Produktionsverfahren neu und ökonomisch relevant sind. Desweiteren soll die Betrachtung unter Berücksichtigung der zukünftigen Entwicklung des RM stattfinden.

Aus diesen Überlegungen ergibt sich als erste Forschungsaufgabe die

Darstellung der generativen Technologie mit Herausarbeitung der ökonomisch relevanten Kriterien, sowie die Entwicklung eines Szenarios über den Fortschritt der Technologie und ihrer Umwelt.

Ziel ist es, eine ausreichende Grundlage für das weitere Vorgehen aufzustellen, ohne dabei zu tief auf technische Einzelheiten einzugehen. In Bezug auf die Vorhersage über die weitere Entwicklung der Technologie ist es nicht Ziel dieser Arbeit, eine quantitative und terminierte Prognose aufzustellen, sondern es soll eine generelle Richtung aufgezeigt werden. Es gilt ein Klima zu definieren, in dem die Betrachtung der zukünftigen Wertschöpfungsmodelle stattfinden kann. Die anschließende Forschungsfrage lautet folgerichtig:

Welche zukünftigen Wertschöpfungsmodelle sind mit Rapid Manufacturing unter Berücksichtigung der getroffenen Vorhersagen denkbar?

Auf der einen Seite ist es Ziel, möglichst realistische Ansätze zu verfolgen, auf der anderen Seite soll ein Blick in die Zukunft getätigt werden, was naturgemäß Unsicherheiten mit sich bringt. Hier gilt es eine Gradwanderung zu meistern. Wenn möglich, sollen Beispiele, die bereits am Markt zu finden sind, mit in die Untersuchung einfließen.

Jedes theoretisch mögliche Wertschöpfungsmodell zu betrachten würde zum einen den Rahmen dieser Arbeit sprengen, zum anderen ist es aufgrund der Zukunftsperspektive nicht möglich, Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Daher gilt es, die grundlegenden Effekte zu erfassen und so zu strukturieren, dass auch nicht aufgezeigte Modellvarianten zuordenbar sind. Die Untersuchung soll den Einfluss von RM auf die Wertschöpfungsstruktur hervorheben.

Ein weiteres Ziel ist die Sensibilisierung des Lesers für etwaige tiefgreifende Veränderungen, die bei einer zukünftigen Etablierung von RM denkbar sind.

Es ist nicht beabsichtigt, Geschäftsmodelle zu erarbeiten, die direkt als Blaupause für zukünftige Unternehmungen dienen. Vielmehr kann diese Arbeit als Versuch gesehen werden, zukünftige strukturelle Entwicklungen abzuschätzen. Es sollen Perspektiven aufgezeigt werden, die den Leser zu weiteren Überlegungen anregen.

1.3 Methode

Um der Zielsetzung gerecht zu werden, ist ein umfassender Überblick über das Umfeld der generativen Technologie sowie eine eingehende Kenntnis der technischen Möglichkeiten notwendige Bedingung. Nur so können die Aspekte von RM erfasst und kom-primiert wiedergegeben werden, besonders vor dem Hintergrund des zukunftsorientierten Charakters dieser Arbeit.

Erste Grundlagen zur Informationsgewinnung bilden zahlreiche Besuche von Fachmessen, Veranstaltungen, Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Diesem Einstieg folgt eine ausgiebige Literaturrecherche. Der Großteil der Literatur über generative Fertigung behandelt technische Fragestellungen, wobei sich die meisten Veröffentlichungen auf Rapid Prototyping und erst neuerdings auch auf RM beziehen. Werden dort betriebswirtschaftliche Perspektiven angesprochen, findet dies häufig in Form von Case Studies statt, in denen sich die Untersuchung auf den Kostenvergleich zu anderen Fertigungsverfahren beschränkt.^[8] Beschreibungen von Wertschöpfungsmodellen sind an dieser Stelle nur vereinzelt zu finden.

Die Beschreibung der generativen Fertigung und ihrer ökonomischen Aspekte kann gestützt auf Literaturquellen erfolgen. Auch für die Vorhersage über die zukünftige Entwicklung der Technologie wird soweit wie möglich auf Prognosen aus der Literatur zurückgegriffen. Methodisch wird ein Szenario erstellt, dass mehrere zu erwartende Entwicklungen umfasst. Für die Untersuchung in dieser Arbeit kann auf eine genaue zeitliche oder quantitative Festlegung verzichtet werden, da für die Lösung der Forschungsaufgabe die Vorhersage von Entwicklungstrends ausreicht.

In der Literatur wird der Begriff Wertschöpfung nicht durchgehend einheitlich verwendet, was auch auf die gleichzeitige Herkunft aus der Volkswirtschafslehre zurückzuführen ist.^[9] Daher ist es notwendig, den Begriff für diese Arbeit näher zu beleuchten. Zur Arbeit an den Wertschöpfungsmodellen sowie zur grafischen Darstellung wird auf in der Lehre verbreitete Konzepte zurückgegriffen.

Die Rapid-Branche unterliegt einer raschen Entwicklung. Einige der Wertschöpfungsmodelle befinden sich bereits in Umsetzung oder können in naher Zukunft realisiert werden. Daher sollen sowohl für die Entwicklung des Szenarios als auch der Wertschöpfungsmodelle bereits heute erkennbare Tendenzen und Ansätze Berücksichtigung finden.

Der Einsatz generativer Fertigungsverfahren wirkt sich je nach Integrationstiefe unterschiedlich stark auf die Wertschöpfungsorganisation aus. Erst wenn sich ein Produkt komplett generativ herstellen lässt, sind größere strukturelle Auswirkungen zu vermuten, daher soll diese Annahme Vorgabe für die vorliegende Arbeit sein.

1.4 Vorgehensweise

In Kapitel 2 werden die generativen Fertigungsverfahren vorgestellt. Nach einer einleitenden Erklärung des grundlegenden Prinzips werden wichtige Aspekte der Technologie näher betrachtet. Dabei wird der Fokus auf betriebswirtschaftlich relevante Kriterien gerichtet. Abschließend werden einige weitere Begriffe aus dem Umfeld der generativen Verfahren vorgestellt.

In Kapitel 3 wird eine Einschätzung über die weitere Entwicklung der Technologie in Form eines einfachen Szenarios vorgenommen. Zusätzlich wird ein Blick über die technologischen Aspekte hinaus auf die Umwelt des RM getätigt. Abschließend werden prädestinierte Branchen für RM aufgezeigt.

In Kapitel 4 werden die Wertschöpfungsmodelle untersucht. Eingangs wird der Begriff „Wertschöpfung“ näher beleuchtet und eine geeignete Darstellungsform festgelegt. Anschließend werden die Aspekte der nachfrageorientierten und schlanken Wertschöpfung mit den Möglichkeiten der generativen Fertigungstechnologie in Verbindung gebracht. Darauf aufbauend wird in Kapitel 4.4 mit der interaktiven Wertschöpfung sowohl die Thematik der Produktindividualisierung als auch des Co-Design angesprochen. Anschließend werden beide Bereiche zusammengeführt.

Ein weiterer Aspekt ist die Flexibilität von Rapid Manufacturing, dieser wird in Kapitel 4.5 untersucht. Es werden die Möglichkeiten der Zentralisation und Dezentralisation von Produktion beschrieben. Daraus abgeleitet soll die Möglichkeit des Cloud Producing als eine neue dynamische Form der Distribution von Produktion vorgestellt werden. Kapitel 4.6 zeigt auf, welche Effekte diese Ergebnisse in Bezug auf Markteintrittsbarrieren mit sich bringen.

Letztlich kann die Produktion auch beim Endverbraucher stattfinden. Dieser Ansatz ist

von einem fortgeschrittenen Zukunftscharakter geprägt und bringt gravierende Veränderungen mit sich. Daher soll eine exklusive Betrachtung in Kapitel 5 stattfinden.

Kapitel 6 schließt die Arbeit mit einem kurzem Fazit und Ausblick ab.

2. Die generative Fertigungstechnologie

Einführend soll in diesem Kapitel ein Überblick über die generative Fertigungstechnologie gegeben werden. Es wird sich herausstellen, dass die Technologie Eigenschaften aufweist, die eine Diskussion über die Wertschöpfungsorganisation von Produktions-unternehmen zulässt.

2.1 Die ersten historischen Ansätze der Technologie

Der Grundstein der generativen Fertigung wurde um 1890 von Blanther gelegt.^[10] Er stellte dreidimensionale Landkartenmodelle aus aufeinander geklebten, den topografischen Höhenlinien entlang ausgeschnittenen Wachsplatten her.^[11] Damit war die Idee des schichtweisen Aufbaus von Gegenständen geboren. 1956 erhielt Munz das Patent auf eine Maschine, die eine photoreaktive Flüssigkeit über Belichtung schichtweise über-einander aushärtet, sodass aus den Konturen der einzelnen belichteten Schichtebenen ein dreidimensionales Objekt entsteht.^[12] Der Einsatz photochemischer Reaktionen ist bis heute zentraler Bestandteil zahlreicher generativer Fertigungstechnologien. Es folgten weitere Innovationen, welche die Verwendung anderer Ausgangsmaterialien sowie weiterer Methoden der Materialverarbeitung ermöglichten (z. B. über Laser, Elektronen- oder Plasmastrahlen).^[13]

2.2 Das generative Verfahren

Die konventionellen Verfahren, die in der heutigen maschinellen Produktion eingesetzt werden, basieren auf folgenden Prinzipien:^[14]

- Urformen, z. B. Gießen unter Zuhilfenahme von Formen
- Umformen mittels Werkzeugen
- Spanen, also Abtragen von Material (oder auch Trennen)
- Fügen von mehreren Bauteilen

Ein Produkt wird meistens aus einer Kombination dieser Prinzipien in mehreren Verarbeitungsschritten hergestellt. In der Massenproduktion weit verbreitet sind die Spritzgussverfahren, für die aufwändige Werkzeuge wie Gussformen benötigt werden.

Auf der Abtragung von Material beruhende Prinzipien werden als subtraktive Fertigungsverfahren bezeichnet (z. B. Bohren, Fräsen oder Honen). Wird Material geformt (z. B. beim Biegen von Blechen), fällt dies unter die formativen Fertigungsverfahren. Neu hinzu gesellen sich die additiven oder auch generativen Fertigungsverfahren, die sich durch einen schichtweisen Aufbau der Bauteile auszeichnen.^[15]

2.2.1 Das Prinzip des schichtweisen Aufbaus

Am Extrusionsverfahren^[16] kann das Prinzip anschaulich erläutert werden: dazu lässt sich gedanklich die Funktion eines Druckers in den dreidimensionalen Raum übertragen. Als Ausgangspunkt ist das Bauteil als digitales Modell in einer Computerdatei gespeichert, ähnlich wie ein zu druckendes Dokument, jedoch dreidimensional. Dieses Volumenmodell wird nun in einer Software in einzelne horizontale Scheiben zerlegt (Slicing). Daraus ergeben sich Schichten, die jeweils einen Querschnitt des Bauteils auf einer definierten Höhe der vertikalen Achse repräsentieren. Diese Daten werden an den „dreidimensionalen Drucker“ gesendet, der statt Tinte einen Kunststoff ausdruckt. Ist die erste Schicht auf eine Bodenplatte gedruckt, senkt sich die Bodenplatte um die Höhe einer Schicht ab und die nächste Schicht wird auf die zuvor erstellte aufgetragen. Durch Einbringung von Energie (z. B. Wärme) gehen die beiden Schichten dabei eine feste Verbindung ein. Aus der Kontur der jeweiligen Ebenen ergibt sich Schicht für Schicht die Bauteilgeometrie. Die Produktion läuft vollständig automatisch ab, bis die letzte, oberste Schicht aufgetragen ist. Nun ist das Bauteil fertiggestellt und kann aus dem Bauraum der Maschine entnommen werden. Eventuell sind anschließend Nachbearbeitungen wie Oberflächenveredelung oder eine Aushärtung des Bauteils notwendig.

An diesem Beispiel zeigt sich, dass die generative Technologie „die werkzeuglose Er-stellung von Produkten und Komponenten direkt aus einem Datenmodell heraus (...)“^[17] erlaubt. Soll anschließend ein anderes Bauteil hergestellt werden, bedarf es keiner speziellen Vorbereitung oder Anpassung der Maschine. Analog zu einem herkömmlichen Drucker ist kein spezifisches Setup für den Druck eines anderen Dokumentes notwendig.^[18] Außerdem können in einem Bauraum mehrere, auch unterschiedliche Bauteile parallel in einem Bauvorgang erstellt werden.

2.2.2 Verfahrensgruppen

Inzwischen existieren zahlreiche Verfahren, die auf dem Prinzip des schichtweisen Aufbaus basieren. Diese lassen sich in mehrere Verfahrensgruppen untergliedern, die jeweils Vor- und Nachteile sowie spezifische Eigenschaften aufweisen (z. B. die Verarbeitungsmöglichkeit unterschiedlicher Materialen). Die meisten Hersteller von Produktionsmaschinen sind auf eine Verfahrensgruppe spezialisiert. Im Anhang sind die wichtigsten Verfahrensgruppen in einer Übersicht aufgeführt. Es existieren zahlreiche weitere Verfahren auf dem Markt, einige auch für anwendungsbezogene Applikationen. So haben sich beispielsweise in der Schmuckindustrie spezielle Maschinen für das Drucken von Wachsmodellen etabliert.

2.2.3 Stützkonstruktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Beispiel weiter oben wurde das Extrusionsverfahren beschrieben. Dieses Verfahren beruht darauf, dass lediglich an den Koordinaten Material gedruckt wird, an denen das Produkt im Bauraum positioniert ist. Hat das Bauteil überhängende Flächen, muss zusätzlich eine Stützkonstruktion produziert werden, da die Maschine nicht „in die Luft“ fertigen kann. Es gibt ein weiteres Verfahrenskonzept, bei dem der gesamte Bauraum der Maschine mit Material ausgefüllt wird. Ein Beispiel ist das selektive Laser-Sintern (Abb. 1). Hier wird die Bauplattform um eine Schichthöhe abgesenkt, anschließend wird das pulverförmige Rohmaterial von einer Rakel über die gesamte Bauplattform gestrichen. Nachdem ein Laser die Bauteilkontur abgefahren und das Pulver verschmolzen (versintert) hat, senkt sich die Bauplattform um eine Schichtstärke und die nächste Schicht wird aufgestrichen usw. Am Ende des Produktionsprozesses ist der gesamte Bauraum mit Material gefüllt. Das nicht verfestigte Pulver übernimmt in diesem Fall die Stützfunktion.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Selektives Laser-Sintern von zwei Bauteilen^[19]

2.3 Aspekte der generativen Fertigungstechnologie

Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte der generativen Fertigungstechnologie vorgestellt. Hervorzuheben sind Merkmale in Bezug auf die generativ hergestellten Produkte sowie auf den Fertigungsprozess selbst. Daraus resultieren schließlich einige ökonomische Aspekte.

2.3.1 Produktbezogene Aspekte

Zentrale Kriterien sind die Bauteilgenauigkeit und insbesondere die Oberflächenqualität, die mit den jeweiligen generativen Verfahren erreicht werden können. Durch den schichtweisen Aufbau treten bei abgewinkelten oder runden Bauteiloberflächen Stufeneffekte auf, die abhängig von der Höhe der einzelnen Schichten mehr oder weniger stark ausgeprägt sind. Genügt die Oberflächenqualität nicht den Anforderungen, muss eine Nachbearbeitung erfolgen (z. B. Sandstrahlen oder Lackieren).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[20]

Bei konventionellen Produktionsverfahren erhöht sich mit der Bauteilkomplexität der Produktionsaufwand und folglich die Kosten. In diesem Punkt liegt eine Besonderheit der generativen Verfahren, denn die Komplexität der Bauteilgeometrie ist unabhängig vom produktionsbedingten Zeit- und Kostenaufwand.^[21] Sie kann praktisch beliebig erhöht werden, was bei konventionellen Produktionsverfahren zu explodierenden Kosten führen würde (Abb. 2). Generative Verfahren bieten diesen Aspekt als kostenloses Nebenprodukt (complexity for free). Als Konsequenz lassen sich nicht nur neue Designkonzepte in der Außenform, sondern auch komplexe Strukturen innerhalb von Bauteilen realisieren. Mit der Konstruktion von Wabenstruk-turen lassen sich sehr leichte und stabile Bauteile herstellen, zusätzlich kann Material eingespart werden. Innenliegende Strukturen dieser Art können mit konventionellen Produktionsverfahren nicht realisiert werden.^[22]

2.3.2 Prozessbezogene Aspekte

Generative Fertigungsverfahren können im Kontext des Computer Aided Manufacturing (CAM) und Computer Integrated Manufacturing (CIM) gesehen werden.^[23] Die Fertigungsmaschinen sind über Netzwerkschnittstellen an die Computerinfrastruktur angebunden. Der Produktionsauftrag kann direkt aus einer Softwareumgebung heraus erteilt werden, es ist kein vorheriges Eingreifen von Hand notwendig. Der Grad der Automatisierung ist bei generativen Fertigungsverfahren sehr hoch.

Der Bauvorgang läuft in einem vollkommen automatisierten Prozess ohne Unterbrechung ab. Folglich kann das Bauteil erst nach der Fertigstellung aus dem Bauraum entnommen und auf Produktionsfehler untersucht werden. Sensorsysteme und Vermeidung von Planungsfehlern durch Softwareunterstützung während der Produktentwicklung können hier zumindest teilweise vorbeugen.

Ein wichtiges Leistungsmerkmal einer Maschine ist die Baugeschwindigkeit, die in cm³/h angegeben wird. Zu berücksichtigen sind neben der reinen Bauzeit auch eventuell erforderliche Nachbearbeitungsprozesse. Typische Arbeiten sind das Entfernen von Stützkonstruktionen, die Stabilisation der Bauteile durch Infiltration mit Kunstharz oder Aushärtung in Heizöfen sowie Flächennachbearbeitungen (Schleifen/Lackieren). Die Nachbearbeitung ist im Vergleich zum generativen Verfahren bis zum heutigen Zeitpunkt kaum automatisiert.

Generative Fertigungsmaschinen sind unspezifisch gegenüber der Bauteilgeometrie. Dieselbe Maschine kann unterschiedliche Bauteile ohne bauteilspezifischen Rüstaufwand herstellen. Weiterhin ist auch die beliebige Kombination und Anordnung unterschiedlicher Bauteile für einen Bauvorgang möglich. Sie können nebeneinander und bei einigen Verfahren auch übereinander im Bauraum der Maschine platziert werden, die Mengenbegrenzung ist lediglich durch das Bauraumvolumen vorgegeben. Weiterhin können mechanische Bauteilgruppen wie z. B. ein Kugelgelenk in einem Zug hergestellt werden. Nach dem Bauprozess ist keine weitere Montage der beweglichen Komponenten notwendig.

Aus ökologischen Gesichtspunkten ist die Recyclingmöglichkeit von nicht verbrauchtem Rohmaterial erwähnenswert. Bei Verfahren, in denen der Bauraum komplett mit Material ausgefüllt wird, kann das nicht verbaute Material in Folgeprozessen wiederverwendet werden.

2.3.3 Ökonomische Aspekte

Die wichtigsten Kostentreiber bei generativen Fertigungsverfahren liegen in der Bauraumkapazität, der Baugeschwindigkeit und dem Anschaffungspreis der Maschine.^[24] Die Anschaffungskosten für Fertigungsanlagen liegen je nach Verfahrensgruppe und Bauraumvolumen zwischen ca. 15.000 und mehreren 100.000 Euro. Nicht zu vernachlässigen sind die Betriebs- sowie Rohmaterialkosten, die zusätzlich erheblich ins Gewicht fallen können.^[25]

In Abb. 3 wird das generative Verfahren dem Spritzguss als Massenfertigungsverfahren gegenübergestellt. Bei der Produktion geringer Stückzahlen liegt RM klar im Vorteil. Die absoluten Werte hängen stark von Produktanforderung und eingesetztem Verfahren ab.^[26] Die Kostenkurve bei der generativen Produktion weist eine Oszillation auf. Diese resultiert aus der Kapazitätsbeschränkung des Bauraumes. Soll eine knapp oberhalb der Kapazitätsgrenze des Bauraumes liegende Stückzahl gefertigt werden, muss für wenige Bauteile ein kompletter Produktionsvorgang gestartet werden. Durch Zusammenlegung mehrerer Bauaufträge kann diesem Effekt entgegengewirkt werden, bei größeren Unternehmen ist auch der Einsatz von Maschinen mit unterschiedlich dimensionierten Bauräumen denkbar. Inzwischen werden einige Maschinen mit variablem Bauraum angeboten. Insgesamt ist der Oszillationseffekt nicht sehr ausgeprägt und kann in der Praxis häufig vernachlässigt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten^[27]

Während „neue Produktionstechnologien in vielen Fällen zu einer Erhöhung der Maschinenspezifität führen“^[28], ist bei generativen Fertigungsverfahren in Bezug auf die herstellbare Bauteilgeometrievielfalt eine Verringerung des Spezifitätsgrades festzustellen. Zum einen ist die Investition in das Sachkapital Produktionsmaschine weniger spezifisch, zum anderen findet eine gleichmäßige Fixkostenverteilung auf alle Bauteile statt, unabhängig von der Anzahl differenziert gestalteter Bauteilformen. Dazu kommt die Nähe zur Informationstechnologie, die ebenfalls „häufig (…) zu einer Verringerung des Spezifitätsgrades“^[29] führt. In einem solchen Fall ist mit „erheblichen Konsequenzen für die Unternehmensorganisation“^[30] zu rechnen.

2.4 Begriffe aus dem Umfeld der generativen Fertigungstechnologie

Im Literaturumfeld der generativen Fertigungstechnologien treten zahlreiche Begriffe auf, die nicht eindeutig festgelegt sind und sich thematisch oft überschneiden. Daher sollen zum Abschluss des Kapitels einige zentrale Begriffe beleuchtet werden.

Die Verwendung des Begriffs „Rapid“ ist nicht immer eindeutig.^[31] Gelegentlich wird damit eine verfahrensunabhängige „schnelle Fertigung“ definiert, seltener unter Berücksichtigung weiterer begleitender Funktionen wie Logistik, Forschung und Entwicklung.^[32] Meistens wird der Begriff in direktem Bezug zu den generativen Fertigungsverfahren verwendet, so auch in dieser Arbeit. Aufgrund der Eigenschaft des schichtweisen Aufbaus der Bauteile wird allgemein auch von Layer Manufacturing gesprochen.^[33]

Die Familie der Rapid-Technologien wird in mehrere Bereiche untergliedert. Bisher werden generative Verfahren primär für die Herstellung von Mustern und Prototypen eingesetzt, daher entstammt der Begriff Rapid Prototyping. Aufgrund zahlreicher Weiterentwicklungen der Technologie kann seit einigen Jahren die Herstellung von direkt einsatzfähigen Bauteilen in Betracht gezogen werden, was als Rapid Manufacturing bezeichnet wird. Weiterhin kann das Verfahren auch für die Herstellung von Werkzeugen eingesetzt werden, das sogenannte Rapid Tooling.^[34] So können beispielsweise Spritzgusswerkzeuge oder anforderungsspezifisch gestaltete Vorrichtungen für Fertigungsroboter generativ hergestellt werden.

Mit Desktop Manufacturing wird eine Situation beschrieben, in der eine Fertigungsmaschine als Peripheriegerät an einen PC angeschlossen ist und sich direkt am Arbeitsplatz befindet. Handelt es sich dabei um das Umfeld des privaten Anwenders, deklarieren das einige Autoren als Home Manufacturing. In diesem Fall wird der Anwender zum Fabber.^[35] Obwohl nichtgenerative Verfahren per Definition nicht ausgeschlossen sind, werden diese selten mit Desktop Manufacturing in Zusammenhang gebracht.^[36]

Die Bezeichnung 3D-Drucker wird ebenfalls inkonsistent verwendet. Einige Autoren begrenzen den Begriff auf die Verfahrensgruppe der Inkjet-Verfahren. Neil Gershenfeld, Pionier im Bereich der generativen Technologie und Leiter des „Center for Bits and Atoms“ am Massachusetts Institute of Technology (MIT), beschreibt mit diesem Begriff hingegen alle generativen Fertigungsverfahren.^[37]

Mit Reverse Engineering ist ein Prozessablauf definiert, in dem eine dreidimensionale CAD-Datei eines physisch existierenden Bauteils erstellt wird. Dies ist zum Beispiel notwendig, wenn von alten Bauteilen keine digitalen Daten vorliegen und das Bauteil erneut produziert werden soll. Die dafür erforderlichen Arbeitsschritte (Scannen, Flächenrückführung etc.) sind sehr aufwändig und benötigen hohe Erfahrungswerte und Kompetenzen in zahlreichen Gebieten.^[38]

Einige weitere Begriffe, die synonym oder zumindest nah angelehnt für RM verwendet werden, sind:^[39] Fabbing, On-Demand-Manufacturing, Direct Manufacturing,
Digital Manufacturing, e-Manufacturing ©.^[40]

Die Vielzahl der Begriffe ist ein Indikator für die Neuheit und ständige Fortentwicklung der generativen Technologien. Es können inkonsistente Definitionen in der Literatur sowie das Fehlen von internationalen Standards und Normen bemängelt werden. Für diese Arbeit ist das grundlegende Verständnis der Technologie und der gegebene Überblick jedoch vollkommen ausreichend.

3. Die Zukunft des Rapid Manufacturing

In diesem Kapitel soll die Fragestellung behandelt werden, welche zukünftigen Entwicklungen in der generativen Technologie in Hinblick auf das RM zu erwarten sind. Dazu wird anhand einiger Vorhersagen ein Szenario skizziert.

3.1 Konzeption eines Szenarios

Szenarien werden anhand der Szenario-Technik entwickelt. Sie gehört zu den qualitativ explorativen Prognoseverfahren^[41] und hat sich als mächtiges Instrument in der strategischen Prognose und Frühaufklärung etabliert.^[42] In dieser Arbeit soll mit dem Szenario keine differenzierte Strategieempfehlung für ein konkretes Unternehmen abgeleitet, sondern lediglich ein genereller Entwicklungstrend prognostiziert werden. Daher kann eine stark vereinfachte Form eines Szenarios aufgestellt werden.^[43]

Die Aufgabenstellung ist durch die Forschungsaufgabe definiert. Wichtige Einflussgrößen wurden bereits mit den Aspekten der generativen Fertigungstechnologie in Kapitel 2.3 aufgezeigt, einige zusätzliche werden im Rahmen der Projektion, also der einzelnen Trendvorhersagen eingebracht. Die Szenario-Technik ist für die Entwicklung alternativer Zukunftsbilder ausgelegt. In der Regel werden zwei Extremszenarien und ein medianes Trendszenario entworfen. Vor dem Hintergrund, dass in dieser Arbeit lediglich ein genereller Entwicklungstrend beschrieben werden soll, kann auf den multi-plen Ansatz verzichtet werden.^[44] Es soll eine Betrachtung von der gegenwärtigen Situation ausgehend vorgenommen werden, ohne ein konkretes Zeitfenster oder einen fixen Endpunkt zu definieren. Auch Aussagen über das Tempo der Trendentwicklung und die Abfolge der einzelnen Entwicklungsschritte in einer Zeitreihenstruktur werden nicht angestrebt. Zusammengefasst geben die Vorhersagen ein Szenario-Bild und damit ein Klima vor, in dem die Wertschöpfungsmodelle erarbeitet werden.^[45] Dies ist eine sehr einfache Interpretation eines Szenarios, für die Zwecke und den Rahmen dieser Arbeit jedoch ausreichend.

[...]

^[1] Vgl. Wohlers (2008), S. 12.

^[2] Vgl. Zäh (2006), S. 3.

^[3] Vgl. Wohlers (2008), S. 12 ff. sowie S. 136.

^[4] Vgl. Beispiele, die im Verlauf der Arbeit aufgezeigt werden.

^[5] Vgl. Zäh (2006), S. 222 ff.

^[6] Vgl. Kapitel 3.2.

^[7] Vgl. Kapitel 3.3.

^[8] Ein solches Beispiel aus dem KFZ-Bereich ist zu finden in Augsburg (2007), S. 32 f.

^[9] Vgl. hierzu Möller (2006), S. 76 ff.

^[10] Vgl. Blanther (1892), US Patent No. 0473901.

^[11] Vgl. Pham/Dimov (2001), S. 2.

^[12] Vgl. ebd., S. 3 sowie Munz (1956), US Patent No. 2775758.

^[13] Besonders hervorzuheben sind Swainson (1977), US Patent No. 4041476 sowie Householder (1981), US Patent No. 4247508.

^[14] Vgl. Zäh (2006), S. 9.

^[15] Vgl. Wohlers (2008), S. 10.

^[16] Vgl. auch Anhang.

^[17] Reichwald/Piller (2006), S. 217.

^[18] Die Verwendung eines anderen Papierformates, was die Notwendigkeit einer spezifischen Anpassung mit sich bringen würde, wird hier vernachlässigt.

^[19] Bildquelle: eigene Darstellung.

^[20] Bildquelle: Schindel (2008), S. 21.

^[21] Vgl. weiterführend Zäh (2006), S. 125.

^[22] Ein großer Anwendungsbereich liegt in der Herstellung industrieller Filtersysteme, die sich nur mit generativer Fertigung realisieren lässt.

^[23] weiterführenden über CAM und CIM vgl. Scheer (1994), S. 19 und 49.

^[24] Vgl. Wohlers (2008), S. 140.

^[25] Vgl. Zäh (2006), S. 184 ff.

^[26] Der Spielraum erstreckt sich je nach Anwendungsfall von Einzelstücken bis mehrere hundert Stück, für Beispiele aus der Autoindustrie vgl. Augsburg (2007).

^[27] Bildquelle: Zäh (2006), S. 170.

^[28] Picot et al. (2008), S. 405.

^[29] Ebd., S. 405.

^[30] Ebd., S. 405.

^[31] Vergleiche zum Beispiel Augsburg (2007), S. 27 f.

^[32] So wird auch bei durch z. B. Hochgeschwindigkeitsfräsen erstellten Prototypen oder Produkten gelegentlich von „Rapid-Verfahren“ gesprochen, vgl. Murr (1999), S. 1-16.

^[33] Vgl. Zäh (2006), S. 10.

^[34] Vgl. zu dieser Thematik Wohlers (2008), S. 128.

^[35] vgl. Krempl (2006), S. 100 sowie Thommen (2002), S. 361.

^[36] Ein Beispiel wäre das Square Foot Manufacturing, siehe Wulfsberg et al. (2006), S. 3 ff.

^[37] Vgl. weiterführend Gershenfeld (2005), S. 99

^[38] Die dafür notwendige Flächenrückführung per Software erfordert bis heute umfangreichen Eingriff von Ingenieuren, hier existiert ein breites Feld für Innovationen in Richtung Automatisierung.

^[39] Vgl. Zäh (2006), S. 10.

^[40] e-Manufacturing ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma EOS GmbH, Krailling.

^[41] Vgl. Welge/Al-Laham (2008), S. 421.

^[42] Vgl. ebd., S. 424.

^[43] Das Vorgehen ist angelehnt an den Framework der Szenario-Technik, vgl. Müller-Stewens/Lechner (2005), S. 211 sowie Reibnitz (1987), S. 244 f.

^[44] Somit entfällt eine Annahmebündelung zu mehreren unterschiedlichen Szenarien.

^[45] Die Erarbeitung der Wertschöpfungsmodelle kann als Maßnahmenplanung interpretiert werden.