Industrie 4.0: Additive Fertigung mischt die Karten in der Wirtschaft neu

Wirtschaft und Arbeitsteilung sind seit jeher die Faktoren, die den Motor der menschlichen Zivilisation vorantreiben, für Wohlstand sorgen und die etablierte Ökonomie im Rahmen der schumpeterschen kreativen Zerstörung stets aufs Neue erfinden. Neue Energieträger und Fertigungsverfahren kennzeichnen dabei jede mehr oder minder disruptiv stattfindende Wirtschaftsrevolution. Die Industrie 4.0 ist der nächste konsequente Schritt hin zu einer immer effizienteren Fertigung, die nicht nur neue Produktionsverfahren hervorbringt, sondern dem Menschen auch Raum für die kreativen Entwicklungsprozesse überlässt.

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Was versteht man unter Industrie 4.0?

Der Begriff der Industrie 4.0 ist genau genommen nicht viel mehr als eine Kunstschöpfung, die auf einem Projekt der deutschen Bundesregierung beruht und offensichtlich an die Bezeichnung Web 2.0 für den Entwicklungssprung des World Wide Web angelehnt ist. Hinsichtlich der engen Verwobenheit der Industrie 4.0 mit dem Internet ist der betreffende Terminus aber nicht unbedingt falsch gewählt, wenngleich die Begrifflichkeit der vierten industriellen Revolution den Charakter dieser Entwicklungsepoche der Wirtschaft deutlich präziser beschreibt. Im Detail handelt es sich bei der Industrie 4.0 um die Verzahnung der klassischen Industriefertigung mit der gegenwärtigen Informations- und Kommunikationstechnologie, die im Zuge der Digitalisierung auch immer mehr Bereiche der Industrieproduktion durchdringt. Die in diesem Zusammenhang angestrebte Vernetzung von Menschen, Maschinen und Produkten mit Hilfe, respektive im Kontext der Gestaltung cyber-physischer-Systeme zielt dabei auf die auf die Optimierung der Ressourcen- und Kosteneffizienz sowie der Steigerung von Flexibilität und Produktqualität ab. Eingerahmt von den technologischen Voraussetzungen sind es aber vor allem die additiven Fertigungsverfahren, denen das Potenzial innewohnt, die Karten zwischen den großen und kleinen Playern der Wirtschaft gänzlich neu zu mischen.

Additive Fertigungsverfahren revolutionieren die industrielle Produktion

Ein typischer Fertigungsprozess im Rahmen der Industrie 4.0 fußt nicht mehr wie bis dato üblich auf kostspieliger händischer Arbeit, sondern findet direkt über digitale Systeme statt. So dient eine am Computer erstelle 3D-Konstruktion eines Werkstücks als unmittelbare Blaupause, die über eine digitale Schnittstelle direkt an die entsprechenden Fertigungsanlagen übermittelt und dort beispielsweise unter Zuhilfenahme eines leistungsstarken Lasers in einem Stück aus einem Spezialkunststoff hergestellt wird. Der große Vorteil liegt auf der Hand, denn für die Produktion von Bauteilen ist es somit nicht mehr notwendig, spezielle Werkzeuge zu beschaffen oder zu fertigen. Während additive Produktionsverfahren wie die Stereolithographie (SLA) bis vor wenigen Jahren aus Kostengründen ausschließlich für die Fertigung von Prototypen und Kleinserien eingesetzt wurden, haben sich die Investitionskosten für die entsprechenden Anlagen bis heute insoweit reduziert, dass sich die Serienproduktion von Bauteilen bereits für Klein- und Mittelunternehmen lohnt. Die voranschreitende Globalisierung und Digitalisierung führt weiterhin zu der Möglichkeit, Fertigungsprozesse standortunabhängig auch über Dienstleister anzustoßen, indem Fertigungsanlagen für die additive Fertigung per Lizenzmodell gemietet und die entsprechenden 3D-CAD-Vorlagen via Cloud-Diensten direkt an die Anlagen gestreamt werden.

Stereolithographie (SLA)

Im Rahmen der professionellen Anwendung haben sich insbesondere drei additive Fertigungsverfahren herauskristallisiert, deren technische Ausgereiftheit bereits dafür sorgt, dass sich mittlerweile auch der Einsatz abseits der Fertigung von Prototypen lohnt. Das wohl bekannteste Verfahren ist die Stereolithographie (SLA), die sich dadurch auszeichnet, dass das zu fertigende Werkstück unter Zuhilfenahme eines potenten Lasers in einem Bad aus flüssigem photosensitiven Kunststoff gefertigt wird. Dabei härtet der uv-empfindliche Kunststoff durch die Strahlung des Lasers Schicht für Schicht aus, wobei die Fertigungsplattform das entstehende Bauteil sukzessive absenkt. Im Anschluss an diesen Produktionsschritt erfolgt schließlich die finale Polymerisation in einem UV-Schrank, um die vollständige Vernetzung der Photopolymere abzuschließen.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Im Gegensatz zum SLA-Verfahren fußt das sogenannte Selektive Laserschmelzen (SLM) nicht auf flüssigen Photopolymeren, sondern auf pulverförmigen Kunststoffen, die in einer dünnen Schicht auf Fertigungsplattform aufgebracht werden. Diese dünne Schicht wir nach dem Bottom-up-Prinzip punktuell von einem Laser geschmolzen, sodass sich an den bestrahlten Punkten ein fester Stoff ergibt. Ist eine Schicht erstarrt, senkt sich die Fertigungsplattform um die im Vorfeld definierte Dicke der Schmelzschicht ab und ermöglicht das Auftragen neuen Kunststoffpulvers, das wiederum durch den Laser unter einer Schutzgasatmosphäre umgeschmolzen wird.

Selektives Lasersintern (SLS)

Das dritte große additive Fertigungsverfahren ist das Selektive Lasersintern, im Zuge dessen das herzustellende Werkstück ebenfalls Schicht für Schicht aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt wird. Das verwendete Kunststoffpulver wird dabei von einer Walze vollflächig in der eingestellten Schichtdicke auf die Fertigungsplattform aufgetragen und von einem Laser schichtweise in das Pulver eingeschmolzen, bevor eine weitere Materialschicht aufgetragen und per Laser gesintert wird. Eine Besonderheit des Verfahrens ist die Tatsache, dass selbst für den Bau komplexester Bauteile keine Stützkonstruktionen für kragende Strukturen eines Bauteils vonnöten sind, da das Pulverbett diese Funktion übernimmt. Nebst den drei genannten Verfahren existieren weitere Fertigungssysteme, die hier bei Vioproto genauer beleuchtet werden.

Vorteile der additiven Fertigung

Die Vorteile dieser Fertigungsverfahren sind klar ersichtlich: Insbesondere der Entwurf von funktionstüchtigen Prototypen vereinfacht sich erheblich, da die am Computer entworfenen Modelle unmittelbar und vollkommen automatisch per 3D-Druck gefertigt und in Augenschein genommen werden können. Darüber hinaus sorgt die technische Deflation für rapide sinkende Anschaffungskosten der entsprechenden Fertigungsanlagen, sodass sich diese nicht nur für Forschungszentren und Großkonzerne eignen, sondern auch für Klein- und Mittelunternehmen, die ihre Fertigung durch die Effizienzoptimierung auf eine neue Stufe heben möchten. Die eingesparten Kosten haben zur Folge, dass die Produktion nicht zuletzt durch den schrumpfenden Personalbedarf wieder vermehrt an europäischen Standorten vonstattengehen kann, womit das Outsourcing der Produktion nach Asien hinfällig wird. Unter dem Strich birgt die Etablierung additiver Fertigungsverfahren im Rahmen der Industrie 4.0 nicht nur Vorteile für das Unternehmen an sich, sondern trägt auch dazu bei hochwertige Arbeitsplätze in der Bundesrepublik zu schaffen.

Was bringt die Zukunft?

Die vierte industrielle Revolution ist nicht mehr aufzuhalten und birg nicht zuletzt durch die zunehmende Nutzung von Kommunikations- und Informationstechnologien im Rahmen der Industrie sowie durch das Aufkommen des Internets der Dinge enormes Wachstumspotenzial für Wirtschaft und Privathaushalte. Insbesondere das Rapid Manufactoring wird in Zukunft mit der Ausbreitung der additiven Fertigungsverfahren vor allem in Bezug auf die Einrichtung von Smart Factories einen immer größeren Stellenwert einnehmen und somit die zeiteffiziente Fertigung selbst komplexester Teile zu ermöglichen. Die Einrichtung von Dienstleistern, die ihre Fertigungsanlagen gemäß einem Pay-per-Use-Konzept via Serverschnittstelle über das Internet vermieten, wird letztlich auf Sicht selbst Privatpersonen die Gelegenheit geben, eigene Ideen in die Tat umzusetzen und innovative Produkte in Eigenregie auf den Markt zu bringen.