Vor 30 Jahren habe ich mich auf den Weg gemacht, den 3D-Druck vom Prototyping in die Serienfertigung zu bringen. Meine erste wirtschaftliche Analyse aus dem Jahr 1999, in der ich den 3D-Druck mit dem Spritzguss verglich, veranlasste mich 2003 dazu, die ursprünglichen Patente für die auf dem „Print-and-Fuse“-Verfahren basierende Polymer-Pulverbettfusion (PPBF) anzumelden. Meine Vision war klar: Laser aus dem PPBF-Verfahren zu entfernen, um eine skalierbare Fertigung zu ermöglichen.
Im Laufe dieser 30 Jahre hat sich die Polymer-Pulverbettfusion (PPBF) von einer spannenden Prototyping-Technologie zu einem echten Fertigungsverfahren entwickelt – ganz so, wie ich es mir vorgestellt hatte. Heute sehen wir Produktionsanwendungen in verschiedenen Branchen, die von der Automobilindustrie bis hin zu Konsumgütern reichen, unterstützt durch ein zunehmend vielfältiges Ökosystem aus Maschinenherstellern und Materiallieferanten.
Genau das hatte ich mir erhofft, als ich die druckkopfbasierte powder bed fusion erstmals entwickelte. Die Branche ist gereift, die Innovation schreitet immer schneller voran, und die Kunden haben heute mehr Auswahlmöglichkeiten als je zuvor.
Die Entwicklung des PPBF-Verfahrens war faszinierend.
Laserbasierte Systeme haben die Grundlagen der Branche geschaffen und bieten weiterhin Prototyping-Lösungen sowie Vorteile für Spezialanwendungen mit fortschrittlichen Werkstoffen. Das druckkopfbasierte PBF hingegen erfüllt meine ursprüngliche Absicht: die Ermöglichung einer Großserienfertigung mit geringeren Kosten pro Teil und einem skalierbaren Fertigungsverfahren.
Zu sehen, wie mittlerweile mehrere Anbieter verschiedene Versionen des druckkopfbasierten PPBF entwickeln – darunter SAF®, HP Multi Jet Fusion (MJF) und voxeljet High Speed Sintering (HSS) –, ist sehr erfreulich und genau das, was ich mir erhofft hatte, als ich 2003 die ursprünglichen Patente für das Drucken und Sintern anmeldete. Zusammen haben sich diese Technologien zu einem Markt entwickelt, der einen Umsatz von weit über 1 Milliarde US-Dollar generiert hat, was den nachhaltigen Einfluss des druckkopfbasierten PPBF-Verfahrens verdeutlicht.
Während PPBF nun fest in die Serienproduktion eintritt, wird eine Erkenntnis immer deutlicher: In der Fertigung geht es stets darum, Kompromisse abzuwägen.
Bei PPBF hängen Faktoren wie die Packungsdichte, der Anteil an wiederaufbereitetem Pulver, die Druckgeschwindigkeit und die Teilequalität alle miteinander zusammen. Eine Erhöhung der Packungsdichte kann die Kosten pro Teil senken. Ein höherer Anteil an wiederaufbereitetem Pulver kann die Materialkosten senken. Beides kann jedoch auch die Genauigkeit, die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigen, wenn der Prozess nicht sorgfältig kontrolliert wird.
Es gibt keine einheitliche Einstellung, die alle Leistungskennzahlen gleichzeitig maximiert. Das Verständnis dieser Kompromisse ist es, was erfolgreiche Fertigung von beeindruckenden Vorführungen unterscheidet.
Dies erklärt auch, warum SAF zunehmend in der Serienfertigung eingesetzt wird. Bei SAF treten die oben beschriebenen Kompromisse zwar auf, sind jedoch weniger ausgeprägt, da auf schnell scannende Laser oder Kühlflüssigkeit auf dem Baubett verzichtet wird – beides verursacht Oberflächenfehler wie „Orangenhaut“ und „Elefantenhaut“.
Aus diesem Grund sollten Marketingversprechen stets im Kontext betrachtet werden.
Es ist durchaus möglich, ein hervorragend aussehendes Demonstrationsbauteil zu präsentieren, das bei geringer Verschachtelungsdichte und hohem Anteil an Neupulver hergestellt wurde, während gleichzeitig Präsentationen mit hochverschachtelten Produktionsaufbauten gezeigt werden – jedoch ohne physische Bauteile aus diesen Aufbauten. Solange diese Ergebnisse nicht gemeinsam erzielt wurden, erhalten Kunden kein vollständiges Bild.
Die wichtige Frage ist nicht, ob eine Maschine ein außergewöhnliches Bauteil herstellen kann.
Die entscheidende Frage ist, ob sie diese Qualität wiederholt, bei produktionsüblichen Verschachtelungsdichten und unter Verwendung realistischer Pulverrecyclingstrategien jeden Tag erzielen kann.
Das ist Fertigung.
Das gleiche Prinzip gilt für die Wirtschaftlichkeit. Der Kaufpreis ist nur ein Teil der Gleichung. Die Gesamtbetriebskosten hängen von der Verschachtelungsdichte, der Pulvererneuerungsrate, den Arbeitskosten, der Ausbeute und – ganz entscheidend – von der Teilequalität ab. Die Herstellung von Teilen minderer Qualität, die verschrottet oder nachbearbeitet werden müssen, ist einer der schnellsten Wege, die Kosten pro Teil in die Höhe zu treiben.
Aus diesem Grund sollten Marketingversprechen stets im Kontext betrachtet werden.
Es ist durchaus möglich, ein hervorragend aussehendes Demonstrationsteil zu präsentieren, das mit geringer Verschachtelungsdichte und hohem Anteil an Neupulver hergestellt wurde, während gleichzeitig Präsentationen mit stark verschachtelten Produktionsaufbauten gezeigt werden – jedoch ohne physische Teile aus diesen Aufbauten. Solange diese Ergebnisse nicht gemeinsam erzielt wurden, erhalten Kunden kein vollständiges Bild.
Die entscheidende Frage ist nicht, ob eine Maschine ein außergewöhnliches Bauteil herstellen kann.
Die entscheidende Frage ist, ob sie diese Qualität wiederholt, bei produktionsüblichen Verschachtelungsdichten und unter Verwendung realistischer Pulverrecyclingstrategien, jeden Tag erzielen kann.
Das ist Fertigung.
Das gleiche Prinzip gilt für die Wirtschaftlichkeit. Der Kaufpreis ist nur ein Teil der Gleichung. Die Gesamtbetriebskosten hängen von der Verschachtelungsdichte, der Pulvererneuerungsrate, den Arbeitskosten, der Ausbeute und – entscheidend – von der Teilequalität ab. Die Herstellung von Teilen minderer Qualität, die verschrottet oder nachbearbeitet werden müssen, ist einer der schnellsten Wege, die Kosten pro Teil in die Höhe zu treiben.
Als wir die SAF-Technologie entwickelten, waren wir uns dieser Kompromisse von Anfang an bewusst. Anstatt isolierte Leistungsdaten zu veröffentlichen, wollten wir, dass unsere Kunden verstehen, wie sich die Technologie unter realen Produktionsbedingungen verhält. Wir haben diese Kompromisse nicht verschwiegen.
Deshalb enthielten unsere ersten Materialdatenblätter Daten aus mehr als 30 Druckvorgängen und über 1.000 Zugproben, die über das gesamte Bauvolumen hinweg auf mehreren Maschinen und an verschiedenen Produktionsstandorten hergestellt wurden.
Noch wichtiger ist, dass wir die mechanische Leistungsfähigkeit, Maßgenauigkeit und Ästhetik bewusst anhand von Bauteilen aus denselben Druckläufen gemessen haben. Erfahrene Anwender der powder bed fusion wissen, dass die Optimierung einer Eigenschaft, wie beispielsweise der Bauteilfestigkeit, oft zu Lasten einer anderen Eigenschaft, wie der Genauigkeit, geht. Leider war es bisher üblich, dass Maschinenhersteller mechanische Eigenschaften aus einem Drucklauf und Genauigkeitswerte aus einem anderen Drucklauf angaben. Wir waren der Ansicht, dass unsere Kunden Daten verdienen, die diese tatsächlichen technischen Kompromisse widerspiegeln, anstatt idealisierte Einzelwerte.
Diese Philosophie der Transparenz hat dazu beigetragen, Vertrauen in anspruchsvollen Produktionsumgebungen aufzubauen, in denen Konsistenz weitaus wichtiger ist als vereinzelte Spitzenleistungen.
Heute wird SAF in der industriellen Fertigung eingesetzt, unter anderem in der Automobilindustrie, wo Maschinen rund um die Uhr laufen, um Endkomponenten für Produktlinien zu liefern.
In diesen Umgebungen wird der Erfolg nicht anhand eines Demonstrationsteils oder einer Schlagzeile-Spezifikation gemessen. Er wird anhand von Wiederholbarkeit, vorhersehbaren Ausbeuten und der Gewissheit gemessen, dass jede Fertigung die erforderliche Qualität liefert.
Da unsere Branche weiter wächst, glaube ich, dass wir alle die Verantwortung haben, Technologien ehrlich und transparent zu präsentieren. Die Zukunft von PPBF ist außerordentlich vielversprechend, da zahlreiche Anbieter unterschiedliche Innovationen auf den Markt bringen. Diese Vielfalt wird die Verbreitung der Technologie weiter beschleunigen.
Kunden sollten jedoch tiefgreifendere Fragen stellen als bisher.
Bei welcher Verschachtelungsdichte wurden diese Teile hergestellt? Welches Pulverauffrischungsverhältnis wurde verwendet? Wurden die veröffentlichten mechanischen Eigenschaften, die Genauigkeit der Maße und das Oberflächenfinish alle anhand derselben Produktionsläufe gemessen? Wie reproduzierbar sind diese Ergebnisse im Laufe der Zeit? Inwieweit ist der Prozess auf manuelle Nachbearbeitung angewiesen, und wie hoch sind der Zeitaufwand und die Arbeitskosten?
Das Verständnis dieser Abwägungen ist letztendlich weitaus wertvoller als der Vergleich von Spezifikationen auf den ersten Blick.
Denn in der Fertigung ging es noch nie darum, ein einziges beeindruckendes Bauteil herzustellen.
Es ging schon immer darum, Tausende identischer Teile wirtschaftlich, vorhersehbar und zuverlässig herzustellen. Ich bin stolz darauf, in den letzten 30 Jahren meinen Teil dazu beigetragen zu haben, die Branche dorthin zu bringen, wo sie heute steht, und ich fühle mich in der Verantwortung, dafür zu sorgen, dass wir als Branche die Technologie durch Transparenz und Nachweise weiter vorantreiben. Vor allem aber freue ich mich auf die Zukunft von PPBF.
