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3D-Metalldruck : Eine Revolution in der Fabrik

  • -Aktualisiert am

So sieht 3D-Metalldruck heute aus. Bild: Colourbox.com

Der 3D-Drucker spuckt bald auch Metall aus. Das wird die Industrie erschüttern. Flugzeuge werden leichter, Spielzeug billiger. Und noch viel mehr. Ein Gastbeitrag.

          4 Min.

          Die Szenerie wirkt wie Science-Fiction. Ein Laserstrahl rast über eine dünne Schicht Metallpulver. Es blitzt und funkt, ein Schieber trägt eine weitere Schicht Metallpulver auf, wieder blitzt und funkt es. Nach mehrfacher Wiederholung des Vorgangs ist dem Staub ein kompliziertes Werkzeug entwachsen, das helfen soll, Metall besser zu verformen. Mit der herkömmlichen Bauweise wäre das nicht gelungen. Der Phönix aus dem Pulver verdankt seine Existenz dem sogenannten 3D-Metalldruck. Das ist eine neuartige Methode zur Herstellung dreidimensionaler Werkstücke und Teile aus Metall.

          Dabei schmilzt ein Laser vom Computer vorgezeichnete Stellen in einer feinen Schicht aus pulverisiertem Metall. Diese Stellen härten nach dem Kontakt mit dem Laser aus, darauf kommt eine weitere Schicht Metallpulver, die wieder mit dem Laser geschmolzen wird und danach aushärtet. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis die gehärteten Stellen die gewünschte Form angenommen haben. Weil sich das so entstandene Gebilde aus unzähligen Schichten zusammensetzt, heißt das Verfahren auch Additive Fertigung (englisch: Additive Manufacturing).

          Die Technologie markiert eine Zeitenwende in der industriellen Fertigung. Anfangs waren es vor allem Kunststoffteile, die dreidimensional gedruckt wurden, dann folgten Prototypen aus Metall. Inzwischen ist der 3D-Druck aus Metallpulver jedoch auf bestem Wege, das Versuchsstadium zu verlassen, und es gibt keine Zweifel mehr: Die Additive Fertigung hat das Potential, einen der zentralen Bereiche der deutschen Industrie, die Metallverarbeitung, zu revolutionieren. Statt aus Metallblöcken mühselig Werkstücke herauszufräsen, zu drehen, zu schneiden und zu bohren, werden immer mehr Teile aus Pulver und per Laser hergestellt. Experten prognostizieren ein jährliches Umsatzwachstum von 35 Prozent bis 2025. Damit überschreitet die Technologie in den kommenden Jahren die Schwelle zur Industrialisierung. Das heißt, mit dem massenhaften Einsatz der Technologie werden die Kosten sowohl pro Drucker als auch pro Teil sinken.

          Demonstrationsobjekte frisch aus dem Drucker des Maschinenbauers Trumpf
          Demonstrationsobjekte frisch aus dem Drucker des Maschinenbauers Trumpf : Bild: dpa

          Die Vorzüge des 3D-Metall-Drucks sind unübersehbar: Das Verfahren erlaubt die Herstellung ganz neuer, komplizierter Teile, zu der die herkömmliche Metallverarbeitung technisch oder wirtschaftlich nicht in der Lage ist. Hinzu kommt, dass Additive Manufacturing gegenüber der traditionellen Metallverarbeitung viel Aufwand und Material erspart. Auch die Fehlerquellen werden reduziert. Was dies für die Kunden bedeutet und welche neuen Geschäftsmodelle sich daraus für Unternehmen ergeben, zeigen die erfolgreichen Beispiele aus der Praxis.

          Billigere Lego-Klötzchen

          3D-Metalldruck ermöglicht, bionisch zu konstruieren, also die teilweise extrem komplizierten aber sehr effektiven Strukturen im Pflanzen- und Tierreich zu kopieren. So hat der Pelikan zum Beispiel Knochen, die fast hohl sind, dank hauchdünner Streben im Innern aber eine extreme Festigkeit besitzen. Gelingt es, diese Struktur mit dem Computer nachzubilden und per 3D-Druck herzustellen, sind völlig neuartige, leichte aber trotzdem robuste Konstruktionen denkbar. Ihre wirtschaftliche Wirkung entfalten solche Teile nicht selten indirekt. So hat sich der Spielzeughersteller Lego die menschlichen Blutgefäße zum Vorbild genommen. In Anlehnung an die feinen Äderchen unter der Haut bauten Techniker mit Hilfe der Additiven Fertigung Metallwerkzeuge mit vielen dünnen Kühlkanälen direkt unter der Oberfläche. Diese kühlen viel besser als die bisherigen tiefer liegenden grobschlächtigeren Röhren. Dadurch spucken die Spritzgussmaschinen nun dreimal so viel Kunststoffklötzchen und -figuren aus wie früher. Und obwohl die Werkzeuge wegen des 3D-Drucks viel mehr kosten, sind die Herstellungskosten unterm Strich nur noch halb so hoch.

          Günstigere Kraftwerke

          Normalerweise benötigte Siemens 44 Wochen, um einen verschlissenen Brenner in einem Kraftwerk zu reparieren. Heute sind es nur noch vier Wochen. Statt Ersatzteile herzustellen, werden von den verschlissenen Brennerköpfen elf Millimeter abgetragen und per 3D-Metalldruck die verlorenen Formen wieder aufgetragen. Die neue Technologie ermöglicht sogar, die alten Brenner auf die neueste Generation umzurüsten. Der Vorteil liegt auf beiden Seiten. Die Kraftwerksbetreiber können die Anlage schneller wieder in Betrieb nehmen und mehr Strom verkaufen. Siemens verschafft sich einen Vorteil gegenüber Wettbewerbern, die dazu nicht in der Lage sind.

          Leichtere Flugzeuge

          Schweres zu transportieren ist teuer, vor allem durch die Lüfte. Mit 3D-Metalldruck lassen sich ungeahnte Einsparungen erzielen. Dem amerikanischen Konzern General Electric gelang es, mit Hilfe der Additiven Fertigung 18 Einzelteile eines Düsenantriebs zu einer einzigen komplexen Komponente zusammenzufassen. Das spart 25 Prozent Gewicht, gleichzeitig hält das Teil fünfmal so lang. Das Prinzip funktioniert im Großen wie im Kleinen. So wiegt das Gurtschloss im Super-Airbus A 380 nur noch 45 Prozent eines herkömmlichen Modells. Ein A380 spart dadurch über seine gesamte Lebenszeit Kerosin im Wert von zwei Millionen Euro.

          Für die Hersteller von Teilen aus 3D-Metalldruck sind die Einsparungen auf Kundenseite vielfach die einzige Möglichkeit, die hohen Kosten der neuen Technologie und die entsprechenden Preise der Produkte zu rechtfertigen. So taxiert der englische Hersteller Domin Fluid Power den Wert eines Kilogramms Gewichtsersparnis im Formel-1-Autorennsport auf 120.000 Dollar, in der Raumfahrt auf mehr als 25.000 Dollar, in Flugzeugen auf 1.200 bis 13.000 Dollar und selbst im Autobau noch auf 20 bis 600 Dollar.

          Cloud Producing

          Die amerikanischen Land- und Baumaschinenhersteller Caterpillar und John Deere planen „Cloud Producing“. Das heißt, sie speichern die Daten der Ersatzteile für ihre Traktoren oder Bagger in einer Datenbank, auf die jeder Befugte überall auf der Welt zugreifen kann. „Cloud“ oder auch Datenwolke nennen IT-Experten solche Systeme. Die damit verbundenen Möglichkeiten sind enorm: Benötigt eine Werkstatt irgendwo auf dem Globus ein Ersatzteil, kann sie die Daten herunterladen und die Komponente theoretisch am Ort drucken. Hohe Lager- und Transportkosten sowie Zölle, die heute den Kundendienst im Fahrzeug- und Maschinenbau so teuer machen, lassen sich auf diese Weise deutlich reduzieren. Gleichzeitig sind die Ersatzteile schneller verfügbar. Weil nicht jede Werkstatt die neue Technologie wird nützen können, ergeben sich neue Geschäftsmodelle für Dritte. Die notwendige Infrastruktur für 3D-Metalldruck zum Beispiel wird von Industriekonzernen aufgebaut.

          Volkswirtschaftlich wird der 3-D-Metall-Druck eine Verschiebung der Wertschöpfung bringen – dorthin, wo die Erzeugnisse gebraucht werden. Heute geben meist die unterschiedlichen Lohn- und Kapitalkosten in Verbindung mit den Transport- und Logistikkosten für die Unternehmen den Ausschlag, wo produziert wird. Durch Additive Manufacturing werden die Karten neu gemischt. Die Wertschöpfung rückt näher an den Ort, an dem die Teile eingebaut werden. Beim 3D-Metalldruck kommt es nicht mehr so sehr auf die großen Mengen an, da sich mit einem Drucker fast beliebig viele unterschiedliche Teile in noch so kleiner Stückzahl herstellen lassen.

          Industrien, die sich seit Jahrzehnten auf Massenproduktion kapriziert haben, sind somit in Gefahr. Profitieren werden von der Additiven Fertigung Länder mit gut ausgebildeter Bevölkerung und hoher Binnennachfrage. Deutschland wird ins Ausland verlagerte Beschäftigung teilweise zurückholen. Das aber gibt es nicht umsonst. Ohne Investitionen in Humankapital wird die Rückverlagerung nicht gelingen. Denn die Anforderungen an das Ausbildungsniveau für die neu entstehenden Arbeitsplätze sind überaus hoch: Das bleibt eine der großen Aufgaben für Staat und Unternehmen.

          Autor Horst Wildemann ist Professor an der TU München und leitet die Unternehmensberatung TCW. Er veranstaltet Mitte März das 25. Münchner Management Kolloquium.

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