Titelthema: Industrie 4.0

Schicht für Schicht total individuell

Je schwieriger, desto besser. Mit 3D-Drucktechniken lassen sich Konstruktionen per Knopfdruck realisieren, die bisher nicht möglich waren. Gleichzeitig heben sie die Individualisierung auf eine neue Stufe. Und die Kosten? Die werden zur Nebensache, wie das Beispiel Alstom Inspection Robotics zeigt.

Daniel Meierhans

Die Rohre stehen dicht an dicht im Dampfkessel eines Kraftwerks. Mit gerade einmal 12 Millimetern muss sich der Scanner begnügen, der die frisch geschweissten Nähte prüft. «Das ist typisch für unsere Anforderungen», erklärt Viktor Klein, Verkaufsleiter von Alstom Inspection Robotics. «Jede Prüfaufgabe ist einzigartig. Ob zwischen den Schaufeln einer Gasturbine, im schmalen Raum zwischen dem unbeweglichen Stator und der rotierenden Komponente eines Stromgenerators oder an den Aussenwänden grosser Tanks.»

 

Das Gemeinschaftsunternehmen von Alstom und der ETH Zürich entwickelt und fertigt seit 2006 hoch spezialisierte Roboter und Geräte, die Rohre, Tanks, Turbinen und Generatoren in Kraftwerken oder in der Öl- und Gasförderung zuverlässig und vor allem auch effizient auf Schäden untersuchen. Mit ihrem hohen Spezialisierungsgrad und kleinen Stückzahlen ist die schnell wachsende Firma typisch für viele Schweizer Industrieunternehmen. Für sie sind Technologien matchentscheidend, mit denen sie möglichst massgeschneiderte Lösungen herstellen können.

 

 
Der unscheinbare Unterschied

Die wesentliche Komponente, dank der die Sensorik des sogenannten Circular-Palm-Scanners genau zwischen die eng aneinandergereihten Rohre passt, ist eine auf den ersten Blick unscheinbare Stahlklammer. Mit ihr werden die Messeinheit und die Positionssensoren so am Rohr befestigt, dass sich die Naht reproduzierbar abtasten lässt. Auffällig an der Klemme ist einzig die leicht rau wirkende Oberfläche. 

 

«Sie ist charakteristisch für gedruckte Metallteile», so die überraschende Erklärung von Stanko Bajunovic, der die Produktion der Scanner und Roboter im Technopark Zürich leitet. Alstom Inspection Robotics gehört damit zu den ersten Schweizer Firmen, die nicht nur Kunststoffkomponenten mit sogenannt additiven Verfahren herstellen, sondern auch kritische Metallteile drucken. Dabei schmilzt ein Laser oder ein Elektronenstrahl die Form Schicht für Schicht aus einem feinen Metallpulver. Dieser schichtweise Aufbau wird in der Oberflächenstruktur sichtbar. 

 

Jede Geometrie wird möglich

Die drei grossen Vorteile des Drucks: Erstens lassen sich Einzelteile und Kleinserien konkurrenzlos schnell herstellen, weil keine Werkzeuge gefertigt werden müssen. Zweitens fallen alle Einschränkungen der traditionellen Guss- oder Fräsetechniken für die Geometrie der Bauteile weg. Auch sehr dünnwandige Strukturen, Hinterschnitte und Hohlräume können in einem Stück gefertigt werden. Und drittens kann das Design laufend an neue Anforderungen angepasst werden, ohne dass deswegen die Produktionskosten steigen. Die Individualisierung ist damit nicht mehr auf bestimmte Parameter beschränkt.

 

1/7 Der 3D-Druck erlaubt die Produktion direkt aus den Konstruktionsdaten. Das spart viel Zeit und - bei Einzelteilen und Kleinserien - auch viel Geld. Die für einen Guss notwendige und aufwändige Herstellung von Formen entfällt.

2/7 Mit dem gedruckten Rahmen lässt sich die Sensorik des PALM Scanners extrem flach an die Rohre eines Dampfkessels anheften. Für andere Rohrdurchmesser kann zudem einfach eine neue Klammer konstruiert und gedruckt werden. Die Produktionskosten steigen deswegen nur unwesentlich.

3/7 Die Prüfroboter und -Scanner von Alstom Inspection Robotics werden im Zürcher Technopark einzeln zusammengebaut und nach dem Einsatz auch revidiert. «Wenn es nicht kompliziert wäre, würden wir unsere Roboter kaum in der Schweiz herstellen», erklärt der Produktionsleiter Stanko Bajunovic.

4/7 Die Entwicklung und Herstellung der Prüfroboter verlangt sowohl im Engineering wie auch in der Produktion höchste Fachkompetenz. Kleinste Details machen den entscheidenden Unterschied und die individuellen Anpassungen müssen exakt umgesetzt werden.

5/7 Vor dem Einsatz werden die Systeme auf Herz und Nieren geprüft. Hier wird eine Kamerasensorik kalibriert. Sie gehört zu einem ultraflachen Roboter, der mittels einer Klopftechnik im schmalen Zwischenraum zwischen dem Stator und der rotierenden Komponente eines Generators Materialschäden aufspürt.

6/7 Im eigenen Labor testen die Ingenieure neue Funktionalitäten und Designs aus. An und in Nachbauten von Heizkesseln, Rohrsystemen oder Turbinen- und Generatorkomponenten - die zum Teil auch gedruckt sind - werden die Mobilität und das Messverhalten optimiert.

7/7 Damit die Systeme im Feld robust und zuverlässig funktionieren ist höchste Präzision notwendig. Hier werden die eigens entwickelten Elektronikplatinen vor dem Einbau in einen Roboter einer Qualitätsprüfung unterzogen.

1/7 Der 3D-Druck erlaubt die Produktion direkt aus den Konstruktionsdaten. Das spart viel Zeit und - bei Einzelteilen und Kleinserien - auch viel Geld. Die für einen Guss notwendige und aufwändige Herstellung von Formen entfällt.

Weil sich mit additiven Verfahren massgeschneiderte Produkte per Knopfdruck direkt aus den Konstruktionsdaten herstellen lassen, gehören sie zusammen mit dem Internet of Things zu den Schlüsseltechnologien für die durchgängige Digitalisierung der Industrie. Am Ende der Entwicklung zur sogenannten Industrie 4.0 steht – quasi als Krönung – die Massenproduktion in Losgrösse 1: Jeder Kunde erhält eine individuelle Produktversion, die auf Bestellung für ihn ausgedruckt wird. Das ist zwar noch Zukunftsmusik. Für einzelne Komponenten rechnet sich der Druck aber schon heute.

 

Innert weniger Tage produktiv

«Giessen oder Fräsen wäre in unserem Fall wesentlich teurer», hält Bajunovic fest. Die Klammer hat eine Wandstärke von lediglich einem Millimeter und sie besteht aus mehreren Komponenten. Das Fräsen so dünner Teile würde kaum im ersten Versuch klappen. Kommt dazu, dass die Konstrukteure mit dem additiven Verfahren viel weniger Randbedingungen beachten müssen und sich daher ganz auf das optimale Design konzentrieren können. Entscheidend ist für Bajunovic aber die Geschwindigkeit: «Wir entwickeln unsere Produkte gemeinsam mit unsern Kunden laufend weiter. Dank dem Druck können wir angepasste und neue Komponenten innerhalb von wenigen Tagen produktiv einsetzen.»

 

Das Resultat sind Roboter und Scanner, die perfekt auf jede einzelne Prüfaufgabe zugeschnitten sind. Und das spart unter dem Strich viel Geld. «Jeder Tag, an dem ein Kraftwerk stillsteht, bedeutet einen Produktionsausfall von rund 1 Million Dollar», rechnet Klein vor. «Unsere Geräte senken die Inspektionszeiten um 50 Prozent und mehr.» So wurde vorher für die Überprüfung der Schweissarbeiten an den Boilerrohren jede Naht geröntgt. Dafür musste wegen der Strahlung jeweils der ganze Bereich geräumt werden und das Resultat stand erst nach dem Entwickeln der Filme am nächsten Tag zur Verfügung. «Dank seiner hohen Reproduzierbarkeit erreicht der Circular-Palm-Scanner die gleiche Genauigkeit mit Ultraschallmessungen, die wir direkt hinter dem Schweisser ausführen können», so Klein. 

 
Von der Blende bis zur Pasta

Für Matthias Baldinger, den Mitgründer von Additively.com, ist Alstom Inspection Robotics ein eindrückliches Beispiel dafür, wie sich Schweizer Hersteller mit additiven Verfahren besser differenzieren können. Baldinger baut mit seiner Internet-basierten Plattform eine Brücke zwischen Industrieunternehmen und der wachsenden Zahl der 3-D-Druck-Dienstleister: «Jeder Kunststoff und jedes Metall benötigen eine spezialisierte Maschine. Da lohnt sich eine eigene Anschaffung für die wenigsten. Wir helfen Firmen, den für jede Aufgabe passenden Lieferanten zu finden.» Inzwischen sind bereits weit über 300 Anbieter bei Additively.com registriert. Und im Wochenrhythmus kommen neue dazu. 

 

Genauso schnell wächst auch die Nachfrage, wie Baldinger betont: «Vor drei Jahren mussten wir den Verantwortlichen noch im Detail erklären, was additive Verfahren überhaupt sind. Heute diskutieren wir meist schnell über konkrete Projekte.» Dabei verlagern sich die Aktivitäten immer mehr in Richtung individuelle Kundenprodukte: Der High-End-Kamerahersteller Alpa druckt beispielsweise bereits Blenden, die genau zur Linsengeometrie des einzelnen Fotoapparats passen, der Laborgerätehersteller Tecan an einzelne Analyseaufgaben angepasste Waschblöcke für ein Pipettiersystem oder Medizinaltechnikfirmen drucken patientenspezifische Implantate. 

 

Aber auch traditionelle Industriekonzerne wie Bühler setzen sich intensiv mit den neuen Möglichkeiten auseinander. Der Hersteller von Produktionstechnologien für Nahrungsmittel hat dabei nicht nur Komponenten für seine eigenen Anlagen im Auge. Er evaluiert auch, welche Möglichkeiten er seinen Kunden eröffnen kann, damit zum Beispiel Pasta-Hersteller in die Lage kommen, individuelle Nudelformen zu drucken.

 

An der Schwelle zur Massenproduktion

Baldinger ist denn auch überzeugt, dass sich das Anwendungsspektrum in Zukunft deutlich vergrössern wird: «Die Technologien entwickeln sich schnell weiter und dadurch fallen die Preise.» Das Beratungsunternehmen Roland Berger Strategy Consultants rechnet damit, dass sich die Stückkosten innerhalb der nächsten Jahre auf einen Drittel reduzieren. Dafür sorgt unter anderem der Markteinstieg der grossen deutschen Werkzeugmaschinenbauer Trumpf, Aarburg oder DMG Mori. Und auch der Drucker- und PC-Spezialist HP hat für 2016 eine neuartige Technologie angekündigt, die um Faktoren schneller und besser sein soll. 

«Der 3-D-Druck verändert aber nicht nur die Produkte, sondern auch die Supply Chain.»

Einen bedeutenden Anteil an der schnellen Weiterentwicklung der Technologie wird zweifellos auch der Flugzeug-Triebwerkhersteller GE Aviation haben. Die Amerikaner machen nämlich den Metall-3-D-Druck mit einer Fabrik für Triebwerk-Einspritzdüsen für die Massenproduktion fit. In diesem Jahr sollen bereits 4000 Düsen additiv hergestellt werden. Bis in fünf Jahren ist eine Steigerung auf 100’000 Stück geplant. Wie im Fall von Alstom Inspection Robotics macht der Nutzen die hohen Investitionskosten mehr als wett. Die gedruckte Düse ist ein Drittel leichter und spart damit im Flugbetrieb entsprechend Treibstoff. Kommt dazu, dass die optimierte Geometrie der in einem Stück statt in 20 Einzelteilen hergestellten Düsen auch die Einspritzleistung markant verbessert.

 

Das Engineering übernimmt das Kommando

«Der 3-D-Druck verändert aber nicht nur die Produkte, sondern auch die Supply Chain», betont Baldinger. «Die Fabrikation und der Einkauf werden viel enger mit dem Engineering verknüpft und die Kunden stärker in die Produktentwicklung miteinbezogen.» Diese Aufwertung des Engineerings kommt den Qualitäten der Schweizer Hersteller entgegen. Dies umso mehr, als sich durch die neuen Möglichkeiten auch der Fokus von den Kosten in Richtung Mehrwert verlagern lässt, wie das Beispiel von Alstom Inspection Robotics eindrücklich zeigt. Die additiven Verfahren sind damit eine Antwort auf eine der grössten Herausforderungen für den Werkplatz Schweiz. Oder wie es Bajunovic prägnant formuliert: «Wenn es nicht kompliziert wäre, würden wir unsere Roboter kaum in der Schweiz produzieren.» 

 

Vom Modellbau zur additiven Produktion

Der 3-D-Druck wird in der Industrie schon länger für die schnelle Herstellung von Modellen und Funktionsprototypen eingesetzt. Dabei werden in CAD-Programmen erstellte Konstruktionen direkt durch einen Kunststoffdrucker Schicht für Schicht aufgebaut. Die sogenannten additiven Produktionsverfahren heben dieses Rapid Prototyping nun auf das für die Produktion notwendige Qualitätsniveau bezüglich Toleranzen, Homogenität und Belastbarkeit.

Je nach Material kommen dabei unterschiedliche Drucktechniken zur Anwendung. Die breiteste Palette steht für Kunststoffe zur Verfügung. Sie können durch diverse Polymerisationstechniken, Verkleben oder verschiedene Schmelzverfahren aufgebaut werden. Keramik lässt sich verkleben oder durch Laser sintern. Vergleichbar werden auch Metallteile durch das selektive Schmelzen einer dünnen Metallpulverschicht mittels Lasern oder Elektronenstrahlen in einem Metallpulverbett aufgebaut. Die Genauigkeit des Metalldrucks liegt derzeit bei etwa 0,02 Millimeter und die maximale Grösse der gedruckten Teile entspricht einem Würfel mit einer Kantenlänge von rund 60 Zentimetern. Die Dichte von bis zu 99,9 Prozent und die Bearbeitungseigenschaften entsprechen denjenigen von Schweissteilen.

Den grössten Kostenfaktor stellt bei allen additiven Verfahren die Druckzeit dar. Jede Beschleunigung der Technologie wirkt sich dadurch direkt auf den Preis aus. Der grösste Vorteil liegt in den viel grösseren geometrischen Freiheiten. Dank ihnen kann beispielsweise eine additiv hergestellte Sitzgurtschnalle aus Titan um 55 Prozent leichter konstruiert werden. Im Airbus 380 senkt dies das Gesamtgewicht um 72,5 Kilogramm. Über die ganze Lebensdauer des Flugzeugs kann so Treibstoff für rund 2 Millionen Franken eingespart werden.

ETH-Know-how für die Industrie

Unternehmen, die Unterstützung im Bereich der additiven Verfahren zur Fertigung suchen, finden diese bei Inspire. Das Angebot der Forschungs- und Transfereinrichtung der ETH Zürich reicht vom Engineering über die Produktion bis hin zu F&E-Partnerschaften.

Institute for Rapid Product Development

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Die Digitalisierung in der Praxis

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