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3D-Druck: Was passieren muss, damit er sich auszahlt

Additive Verfahren werden immer häufiger in der Produktion zum Einsatz gebracht. Doch deren wirtschaftlicher Wert gilt bisweilen noch als umstritten. Worauf es ankommt, damit sich 3D-Druck auszahlen kann.

Der 3D-Druck wird längst nicht mehr nur für die Prototypen-Herstellung verwendet. Gemäß einer VDMA-Studie setzen fast 50 Prozent aller Maschinenbauer auf additive Verfahren. Davon nutzt die Hälfte den 3D-Druck für die Herstellung von Prototypen und die andere Hälfte ebenfalls für andere Anwendungen wie zum Beispiel Serienfertigung, Werkzeuge und Ersatzteile. Viele Maschinenbauer denken noch über den Einsatz von additiver Fertigung nach. Wobei auf jeden Fall die Frage der anfallenden Kosten eine wesentliche Rolle spielt: Wie und ab welchen Stückzahlen lohnt sich der Einsatz von 3D-Druckern?

Linear teurer

„Wenn hohe Stückzahlen gefordert sind, lohnt sich der 3D-Druck häufig nicht“, erklärt Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigungsverfahren bei Messer. „Eine Faustregel lautet: Wenn ich zwei Bauteile nehme, verdoppeln sich die Kosten und drei Bauteile sind drei Mal so teuer. Diesen linearen Verlauf gibt es in einer konventionellen Fertigung natürlich nicht.“ Anders liegt der Fall in der Reifenproduktion, bei der die metallischen Formen per 3D-Druck gefertigt werden. Diese Formen entstehen in überschaubarer Anzahl, wobei klassische Fräsverfahren zudem viel zu kompliziert wären.

Der 3D-Drucker bestimmt die Kosten

Eine Rechengröße, um den wirtschaftlichen Erfolg einer Investition oder eines Verfahrens zu ermitteln, ist der ROI ausschlaggebend. Für die Ermittlung des ROI sind neben dem erwirtschafteten Gewinn auch das eingesetzte Kapital oder die angefallenen Kosten von Bedeutung. Da aber die Kostenstrukturen von konventionellen und additiven Verfahren sich teilweise wesentlich unterscheiden, müssen die einzelnen Faktoren, die zu den Kosten führen, gründlich gegeneinander abgewogen werden. Es gilt zu beachten, dass bei der Verwendung von additiven Verfahren die Kosten maßgeblich durch die Anschaffungskosten des 3D-Druckers bestimmt werden. Die zweithöchsten Kostenverursacher sind im Bereich der Werkstoffe und Lohnkosten zu finden. Hinzu kommen auch andere Faktoren wie zum Beispiel Schutzgase als Verbrauchsmittel oder Kosten für Energie.

Kapitalintensiv sind insbesondere 3D-Drucker für das Selektive Lasersintern (SLS) und Laserschmelzen (SLM). Die Kosten für das Pulverbettverfahren sind häufig mit den von werkzeugintensiven konventionellen Fertigungsverfahren wie zum Beispiel Spritz- und Druckguss oder Bearbeitungsverfahren wie CNC-Fräsen vergleichbar.

Wie wird 3D-Druck wirtschaftlich?

Abgesehen von den zunächst einmal höheren Kosten kann der Einsatz des 3D-Drucks trotzdem wirtschaftlich sinnvoll sein. Dies ist der Fall, wenn man die Fixkosten oder den Block der Rüst- und Umrüstkosten näher betrachtet. Bei den herkömmlichen Verfahrenstechniken verteilen sich diese Kosten nur auf ein spezifisches Bauteil. Denn eine bestimmte Form kann im Druckguss auch nur zur Herstellung eines spezifischen Produkts verwendet werden.

Das heißt, die Kosten für die Form sollten sich in jedem Fall über das Volumen der erstellten Teile rechnen. Daher müssen auch die entstehenden Rüstkosten für eine Werkzeugmaschine oder die Kosten des Werkzeugwechsels an einer Spritzgussmaschine auf die Ausbringungsmenge bis zum nächsten Umrüsten zugerechnet werden. Ist dann das produzierte Volumen relativ gering, so kann diese Kostengruppe dazu führen, dass das herkömmliche Verfahren unwirtschaftlich und der 3D-Druck kostengünstiger wird.

Additive Verfahren können diese Kosten durch unterschiedliche Produkte leichter ausgleichen, weil sie alle in einem Drucker hergestellt werden. Die tatsächlichen Kosten, die hierzu anfallen, sind jedoch abhängig von einer komplexen Kombination aus technischen Parametern und den Betriebsbedingungen der Maschinen. Dazu zählen beim Pulverbettverfahren folgende Parameter: Maschinendaten, Materialien, Parameter, Baujob, Verbrauchsmitteldaten und Betriebskalkulationen.

Da beispielsweise Lasersinter- und Laserschmelz-Drucker bei der Anschaffung kostenintensiv sind, ist die Produktivität ein entscheidender Parameter, der die Gesamtkosten wesentlich bestimmt. Die Produktivität dieser Maschinen errechnet sich aus dem Quotienten des Durchsatzes eines Bauauftrags und der benötigten Durchlaufzeit. Aus diesem Grunde ist es bedeutsam, die Struktur der Durchlaufzeit bei pulverbettbasiertem 3D-Druck zu kennen, da sie der Schlüssel zur Optimierung der Gesamtkosten sind.

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