Ratgeber Additive Manufacturing

3D-Druck in- oder outsourcen?

17.08.2015 von Klaus Hauptfleisch
Die Kosten für 3D-Drucker, CAD-Software und zusätzliche Ausrüstung können in die Millionen gehen. Vom Personalbedarf ganz zu schweigen. Da liegt es nahe, Aufträge an Dienstleister abzugeben. Aber es gibt auch gute Gründe fürs Insourcing.

Die Geschichte des 3D-Drucksreicht schon über 30 Jahre zurück. In der industriellen Produktion spricht man lieber von Additive Manufacturing oder Fertigung (AM/AF) und wird diese seit über 20 Jahren schon weithin genutzt. Gleiches trifft in zunehmendem Maße auch auf Medizin- und Zahntechnik zu, für die metallverarbeitende Oberliga der 3D-Druckerbranche heute neben Luft- und Raumfahrt eine der wichtigsten Anwendungen.

So gehört die BEGO Gruppe, 1890 von Wilhelm Herbst, dem Erfinder der Rotationsmethode für Plombiergold, als Bremer Goldschlägerei gegründet, zu den führenden Auftragsfertigern für Dentallabore mit weltweit rund 450 Mitarbeitern und einem Umsatz von 80 Millionen Euro im Vorjahr. Das Unternehmen hat ein eigenes selektives Laserschmelzverfahren für die vollautomatische Herstellung von Zahnersatz entwickelt und ist über Tochterfirmen auch Lieferant für Dentaltechnik und Implantate.

3D-Druck beim Flugzeuginstrumentenbauer Kelly Manufacturing: Die Maschine soll 500 dieser Ringkerngehäuse aus hochtemperaturbeständigem Ultem praktisch über Nacht ausdrucken.
Foto: Stratasys

Von Consulting- bis Rundum-Services

Viele Betriebe anderer Branchen, aus dem Handwerk zum Beispiel oder große Kfz-Werkstätten, zeigen auch zunehmend Interesse am 3D-Druck, müssen sich aber oft erstmal beraten lassen. Die Hersteller der 3D-Drucker und -Scanner tun dies schon aus Eigeninteresse natürlich auch. Aber es gibt eine Reihe von Firmen, die entweder die ganze Palette von Dienstleistungen rund um die Additive Fertigung anbieten oder sich wie Core Consulting aus München hauptsächlich auf Beratung, Konzeption und das Erstellen von 3D-CAD-Modellen konzentrieren oder nur auf Letzteres.

Die Trindo Digitalmanufaktur, ebenfalls aus München, geht da schon weiter und verspricht den Rundumservice von der Konzeptionierung und Konstruktion bis hin zur Serienfertigung. Der eigentlicheindustrielle 3D-Druck wird dann allerdings von großen Dienstleistungs-Partnerunternehmen wie der FIT AG, Creabis und FKM vorgenommen, erklärt Trindo-Geschäftsführer Bennet Klein. Alphaform aus Feldkirchen nahe der bayerischen Landeshauptstadt musste gerade Insolvenz beantragen.

Ähnlich wie Trindo aufgestellt ist auch die unter anderem auf Sondermaschinenbau spezialisierte HIC Innotec GmbH aus Bretten bei Karlsruhe, die mit einer Weiterentwicklung der Polygrafie- oder PolyJet-Technologie Prototypen aus einem Gipskeramikgemisch mit bis zu 160.000 Farben anbietet. Geschäftsführer Stefan Hinzmann weiß, ohne dieses zu nennen, von einem Partnerunternehmen, das über 100 Jahre Erfahrungen in der Metallverarbeitung hat und für den 3D-Druck aus einer Vielzahl von Metallen und Legierungen schöpfen kann, die selbst viele Hersteller nicht kennen.

Modell von Löschtanker für Saudi-Arabien
Um Saudi-Arabien für das Großtanklöschfahrzeug CBS zu gewinnen, hat der österreichische Feuerwehrfahrzeughersteller Rosenbauer Rapidobject beauftragt, zwei Modelle zu entwickeln.
CAD-Daten von Rosenbauer
So kamen die CAD-Daten vom Löschfahrzeughersteller Rosenbauer bei Rapidobject an.
So entsteht der Wassertank
Mit Boolschen Operationen lässt sich im CAD-System über Hinzufügen, Weglassen und Verknüpfen aus Grundflächen jede beliebige Form modellieren. Hier wird gerade der Wassertank des Löschfahrzeugs entworfen.
500 Höhenmessergehäuse über Nacht
Der Flugzeuginstrumentenbauer Kelly Manufacturing kann mit Hilfe der FDM-basierten Fortus-Maschine die Zeit für die Produktion der Höhenmesser deutlich verringern. Über Nacht werden 500 dieser Ringkerngehäuse aus hochtemperaturbeständigem Ultem ausgedruckt.
Unterkiefer aus dem 3D-Druck
3D Systems hat nach eigenen Aussagen den ersten Unterkiefer im 3D-Druck hervorgebracht.
MakerBot Robohand
MakerBot ist aus dem Open-Hardware-Projekt RepRap hervorgegangen und wurde 2013 an Stratasys verkauft. Das Bild zeigt eine Handprothese des US-Herstellers.
Bionischer Flugzeugbau
Früher wurden Brackets genannte Verbindungselemente, wie sie im Airbus A350 XBW zum Einsatz kommen, aus Aluminium gefräst. Nun werden die Elemente aus Titan und wesentlich „luftiger“ im Laserschmelzverfahren ausgedruckt.
Arbeitsschritte für Titan-Flugzeugbauteil
Das Titan-Verbindungselement wurde mit einem CAD-System zunächst entworfen und die Geometrie für die generative Fertigung ausgelegt, um es dann für den Druck per LaserCUSING von Concept Laser auszurichten und Stützgeometrien hinzuzufügen.
Schmuck vom 3D-Druck
Italien hat sich schon zur Hochburg für Schmuck vom 3D-Druck entwickelt. Das Bild zeigt ein Ensemble von Pietro Nardi aus einem SLA-Drucker von DWS.
Acetabulum von Arcam
Medizin und Medizintechnik ist eine neben Luft- und Raumfahrt eine der Top-Anwendungen für 3D-Drucker. Das Bild zeigt eine Hüftgelenkspfanne (Acetabulum), wie sie Arcam AB mit einer EBM-Maschine ausgedruckt hat. EBM steht für Elektronenstrahlschmelzen und kann auch Metall „drucken“.
Siemens NX im Einsatz
Siemens PLM gehört mit Siemens NX zu den führenden Herstellern von 3D-CAD- oder CAE-Software. Hier ist das Modell einer Flaschenabfüllanlage zu sehen, das mit dem System erstellt wurde.
Polylinien mit NX Realize Shape
Siemens PLMs NX Realize Shape basiert auf Subdivision Modeling und erlaubt das Erstellen von freien Flächen ...
Boolsche Operationen mit netfabb
Komplexe geometrische Figuren werden im CAD-Programm wie dem von der FIT-Tochter netfabb aus geometrischen Grundkörpern wie Würfel, Quadern, Kugeln und Zylindern gebildet.
"Löcher im Käse"
Hier im Bild werden von der netfabb-Software Löcher im 3D-CAD-Modell angezeigt. Denn für die Ausgabe und den Druck muss dieses „geschlossen“ sein. Andere Fehler können sich selbst kreuzende Linien sein.
Violine aus dem 3D-Laserdrucker
EOS fertigt zwar hauptsächlich für die Industrie, hat mit dieser Geige aus dem 3D-Laserdrucker aber auch medienwirksam viel Aufmerksamkeit erregt.
Schädelimplantat aus Titanlegierung
Der Eschenloher Dienstleister Alphaform hat diese künstliche Cranial-Platte im SLM- oder Laserschmelzverfahren aus der Titanlegierung Ti6AI4V gefertigt und für den medizinischen Einsatz veredelt. Solchen Platten müssen für jeden Patienten individuell angefertigt werden.
Prototyp einer Zentrifuge
Für die Braunschweigische Maschinenbauanstalt AG hat der Leipziger 3D-Druckdienstleister Rapidobject im Lasersintern- oder SLS-Verfahren diesen Prototyp einer Zentrifuge ausgedruckt.

Deutschlandweit 600 bis 800 3D-Druck-Dienstleister

Stefan Ritt, Marketingchef beim norddeutschen Hersteller SLM Solutions, zufolge gibt es deutschlandweit rund 600 bis 800 Dienstleistungsunternehmen, im Bereich der Metallverarbeitung jedoch sehr viel weniger. Beim 3D-Laserdruck mit den Selektiven Laserschmelz- und Lasersinter-Verfahren (kurz SLM und SLS genannt), sind deutsche Unternehmen wie SLM Solutions aus Lübeck, EOS und Concept Laser global führend. Das Segment der metallverarbeitenden AM-Technologien, das 2012 laut einem Wohlers-Report nur etwa neun Prozent des auf zwei Milliarden Dollar geschätzten Gesamtmarktes für 3D-Druck ausmachte, soll besonders stark wachsen. Aber wie Ritt einräumt, stehe man damit gemessen an den weltweiten Umsätzen in der Metallverarbeitung noch relativ am Anfang.

Angesichts der hohen Investitionskosten seien AM-Dienstleistungsunternehmen wie die FIT AG wichtige Kunden. Diese würden heute schon etwa zur Hälfte zum Umsatz beitragen und den Markt beflügeln. FIT aus Lupburg in der Oberpfalz hat im Juli 2015 gerade die Investition von 20 Millionen Euro für die weltweit erste Fabrik bekanntgegeben, die vollständig für die industrielle Serienfertigung auf Basis der additiven Verfahren geplant ist und will somit zu General Electrics (GE) aufschließen. Zu den 30 Hochleistungsmaschinen, die dafür angeschafft wurden oder werden, gehören neun Laserschmelzanlagen, darunter acht SML 500HL, die Top-Modelle der Lübecker.

Gründe für Insourcing

Für OEMs (Industrieunternehmen) gebe es im Wesentlichen zwei Gründe für das Insourcing, sagt Ritt: Zum einen sollen vertrauliche Daten oder Firmengeheimnisse nicht nach außen gelangen. Zum anderen hegten viele Unternehmen den Wunsch, bei der jeweiligen Technologie immer auf dem neuesten Stand sein und zu wissen, wie die Maschinen arbeiten. Schließlich zähle das schnelle Time to Market.

Mit den von Ritt genannten Innovationszyklen von drei bis fünf Jahren sind die technologischen Fortschritte immens. Im Umkehrschluss kann man daraus aber erst recht einen Grund ableiten, Auftragsfertiger zu beschäftigen, wenn man bedenkt, dass die SLS- und SLM-Maschinen zwischen 200.000 und zwei Millionen Euro kosten sollen. Dass externe Dienstleister mit ihrem Knowhow und Wissen der Abläufe Dinge beschleunigen können, die im Unternehmen selbst zwischen den verschiedenen Abteilungen vielleicht ins Stocken geraten, habe man dem Manager von SLS Solutions zufolge nicht erfahren.

Weltmarktführer Stratasys sagt, viele Unternehmen hätten noch nicht verstanden, dass 3D Printing sehr schnell voranschreite und die hochqualitative 3D-Drucker wie die seinen keineswegs mehr so teuer seien. Allerdings hat Stratasys nur Geräte mit FDM- und PolyJet-Technologie für Kunststoffe im Programm und keine für die Metallverarbeitung. Wie dem auch sei, der Company zufolge gibt es sechs Gründe für Insourcing: günstigere Preise, ein schnelleres Time-to-market, Wettbewerbsvorteile, weniger Produktionsfehler, mehr Verlässlichkeit und eine verbesserte Genauigkeit und Qualität.

"Demokratisierung des 3D-Drucks"

Für Endkunden fangen die Gerätepreise heute bei unter 400 Euro an. Vom Elektronik-Dienstleister RS-Components war sogar zu erfahren, dass die Materialkosten für den RepRap-Bausatz schon bei unter 200 Euro angelangt seien. Adrian Bowyer hat mit dem 2006 angestoßenen Open-Source- und Open-Hardware-Projektes eines sich selbst replizierenden FDM-Druckers unter dem Namen RepRap(Replication Rapid Prototyper) laut RS-Components viel zur "Demokratisierung des 3D-Drucks" beigetragen.

Unzählige Heimbastler haben eigene Ideen entwickelt und nicht wenige darüber auch ein Geschäftsmodell für 3D-Services, angefangen vom Consulting über die Datenerfassung, das Erstellen von 3D-CAD-Modellen bis hin zum 3D-Druck. Die Community der Enthusiasten war bald so stark am Wachsen, dass sich selbst die etablierten Player für sie zu interessieren begannen. War 3D-CAD-Software früher noch sehr teuer, haben namhafte Hersteller wie Autodesk oder die FIT-Tochter netfabb ihre Lösungen in abgespeckter Form plötzlich kostenlos angeboten, wohl auch mit dem Hintergedanken, dass sich dadurch etwas tut im Markt.

Hohe Gerätepreise treiben 3D-Druck-Outsourcing an

Für professionell genutzte 3D-Drucker liegen die Anschaffungspreise natürlich sehr viel höher. Der Leipziger 3D-Druckdienstleister Rapidobject, der sich zu den ganz Großen zählt, nennt konkrete Preise für professionell genutzte Geräte, die selbst mit der vom RepRap-Billigbausatz genutzten Technologie den Geldbeutel der meisten Konsumenten übersteigt:

Profi-FDM-Drucker: 15.000 bis 50.000 Euro (Schmelzschichtung)

Profi-SLA-Drucker: 20.000 bis 1 Million Euro (Stereolithographie)

Profi-SLM-Drucker: 300.000 bis 2 Millionen Euro (Selektives Laserschmelzen)

Profi-SLS-Drucker: 200.000 bis 1,5 Millionen Euro (Selektives Lasersintern)

Profi-Polygrafie-Drucker: 60.000 bis 600.000 Euro (auch PolyJet genannt, mit InkJet vergleichbar)

Nachdem andere Kosten etwa für weitere Gerätschaft, Software, Schulung und Personal in diesen Preisen noch nicht mal enthalten sind, stellt sich die Frage, wann es sich für ein Unternehmen lohnt, den 3D-Druck selbst in die Hand zu nehmen. Pauschale Antworten auf die Frage scheint es nicht zu geben. Laut Rapidobject hängt das unter anderem von den Anwendungen und Materialien ab. Je nach Technologie lassen sich unterschiedliche Werkstoffe verarbeiten, mit SLM und EBM (Elektronenstrahlschmelzen mit Arcam aus Schweden als Anbieter) zum Beispiel nur Metall, mit SLS sowohl Metall als auch Kunststoff, mit SLA und PolyJet Photopolymere, mit FDM/FFF hauptsächlich Kunststoffe, aber auch Lebensmittel.

BEGO Varseo für Dentallabore
Ganz neu bei BEGO ist der 3D-Drucker Varseo, mit dem beispielsweise Schienen, vergießbare Modellgussbasen, individuelle Abformlöffel oder Bohrschablonen mittels Hochleistungskunststoffen gefertigt werden können.
Industriell genutzer SLS-Drucker von 3D Systems
Der erste 3D-Drucker stammte 1984 von 3D Systems. Neben der damals eingesetzten Stereolithographie bietet der US-Hersteller auch eine Vielzahl von Geräten mit FDM-, PolyJet- und MultiJet-, und SLS-Technologie an. Letztere steht für Selektives Lasersintern und ist in dieser ProX 500 Plus genannten Maschine verbaut, mit der sich 3D Systems vornehmlich an Industriekunden wendet.
3D-Druckgigant für Skulpturen
Die Voxeljet AG aus Friedberg in Bayern hat mit dem VX4000 einen der größten 3D-Drucker weltweit. Dieser hat einen Bauraum von 4 x 2 x 1 m und wird mit dem selbstentwickelten Phenolic-Direct-Binding-Verfahren sehr viel für großformatigen Sanddruck von Skulpturen eingesetzt, für das geplante Berliner Stadtschloss zum Beispiel. Voxel (aus volumetric und pixel) bezeichnet übrigens analog zu Pixel einen Gitterpunkt in einem dreidimensionalen Gitter und tritt als Name bei einigen Herstellern oder Produkten auf.
Leapfrog XeeD mit Dual-Extruder
Der XeeD von Leapfrog ist ein FFF-Drucker (auf Basis der FDM-Technologie) für größere Objekte mit bis zu 350 x 270 x 220 mm zu Preisen ab etwa 7.390 Euro bei Idealo. Im Fenster zu sehen sind soeben ausgedruckte Zahnräder. Man kann seinen Entwurf per WLAN drahtlos an den Drucker schicken. Unterstützte Baumaterialien sind unter anderem ABS, Nylon oder PLA. Dank Dual-Extruder können zwei Werkstoffe in verschiedenen Farben gleichzeitig ausgedruckt werden.
Digital Wax: DWS-Schmuckdrucker
DWS Systems steht für Digital Wax Systems und ist ein italienischer Hersteller, der mit dem Stereolithographieverfahren (SLA) Geräte für verschiedene Branchen anbietet. Das Modell 028JE zum Beispiel ist für Schmuckhersteller konzipiert.
SLM 500 HL mit Peripherie zur Pulverrückgewinnung
Diese Laserschmelzanlage von SLM Solutions aus Lübeck gehört mit besagter Peripherie zu den teuersten 3D-Druckern weltweit. Dieser kommt mit Doppel-Laser-Technologie und einer Baukammer von 500 x 280 x 325 mm. Verarbeiten lassen sich damit unterschiedliche Materialien wie Edelstahl, Werkzeugstahl, Inconel, Kobalt-Chrom, Aluminium oder Titan.
Stratasys-Palette von FDM- und PolyJet-Druckern
Der US-Hersteller Stratasys hat zwar keine Laserschmelz- oder Lasersinter-Anlagen im Programm, ist aber allein schon mit FDM-Geräten weltmarktführend bei 3D-Druckern. Hier im Bild sind neben den Extrusion- auch sogenannte PolyJet-Modelle zu sehen. Es handelt sich dabei um eine InkJet-ähnliche Technologie, bei der aber keine Tinte aus den Düsen kommt, sondern ein Photopolymer, das bei UV-Licht sofort aushärtet. Durch verschiedene Materialien lassen sich die Objekte auch in Farbe ausdrucken.
GE-Turbinendemo von SLM Solutions
Hier im Bild ist ein von SLM Solutions im selektiven Laserschmelzverfahren gefertigter Prototyp einer Turbine für GE Aviation aus Edelstahl.

Stimmt das mit dem besseren Time-to-market?

Was das von Vielen vorgebrachte schnelleres Time-to-market angeht, ist Trindo-Geschäftsführer Klein im Gegenteil der Meinung, dass man durch Outsourcing weniger Zeit verliere. Außerdem profitiere man von günstigeren Preisen durch Wegfall der hohen Anschaffungs- und Betriebskosten, schließlich könne man auch auf mehrere Maschinen zurückgreifen und sei man nicht auf eine Technologie festgelegt.

Markus Kaltenbrunner, Geschäftsführer beim österreichischen Hersteller Evotech, betont indes, dass die Erstellung von Prototypen über Dienstleister mit vier bis fünf Tagen vielen Unternehmen viel zu lange dauere. Das Argument, dass für teures Geld Personal eingestellt werden müsse, lässt er auch nur bedingt gelten, weil in Industrie- oder Maschinenbauunternehmen das Knowhow vom CNC-Fräsen her meist schon vorhanden sei.

Jährliches Volumen oft entscheidend

"Wenn es hauptsächlich um Anschaffungsmodelle mit immer gleichem Material geht, sollte man das jährliche Volumen plus den Aufwand für Schulungen und Personalkosten gegen den Kaufpreis aufrechnen. Dann empfiehlt sich ein einfach zu bedienender FDM-, Polygrafie- oder SLA-Drucker", meint Rapidobject-Produktionsleiter Oliver Jan Wagner. Die anderen beiden Verfahren seien nicht nur aufwendiger, sondern erforderten auch Personal mit den nötigen Erfahrungen. Bisher würden in erster Linie Unternehmen ab einer Größe von 5.000 Mitarbeitern und einem ständigen Bedarf an Prototypen diesen Schritt gehen, BMW zum Beispiel.

"Wenn es um hohe Qualitätsanforderungen geht, greift man in der Regel zum Outsourcing", sagt indes FIT-Finanzchef Albert Klein. Zur FIT Group gehören neben dem 3D-Softwarehersteller netfabb auch FIT Prototyping, die Nummer eins in Deutschland in dem Bereich, und die FIT Production GmbH, die mit Additive Design und Manufacturing (ADM) den größten Anteil am Umsatzwachstum von 60 Prozent jedes Jahr habe, so Klein.

Concept Laser wird bei der Antwort auf die Frage nach dem Insourcing oder Outsourcing konkreter: "Kann der Anwender eine Anlage aus dem Stand auslasten, dann sollte er gleich investieren. Unter 50 bis 70 Prozent Auslastung sollte er auf einen Dienstleister zurückgreifen." Nach Losgrößen gelte die Faustregel, dass bei Stückzahlen bis 1.000 pro Jahr die additive Fertigung typischerweise am wirtschaftlichsten sei. Bei 1.000 bis 100.000 Stück sollte dem Hersteller aus Lichtenfels zufolge die Herstellung einer Form aus Metall durch additive Verfahren als mögliche Variante in Betracht gezogen werden. Bei mehr als 100.000 Stück sei dagegen eine "besonders langlebige, aus Vollmaterial klassisch gefertigte Geometrie" voraussichtlich am sinnvollsten.

Fazit: Kalkulieren und Entscheiden

Man könnte noch lange über das Für und Wider von Insourcing und Outscourcing schreiben. 3D-Druck ist sicherlich für Branchen wie Maschinenbau, Medizintechnik und Handwerk ein zukunftsweisender Trend. Trotzdem sollten mittelständische Unternehmen genau die Kosten kalkulieren und dann entscheiden, ob es sich überhaupt lohnt, ob sich eine interne Lösung rechnet oder das Thema an Dienstleister abgegeben werden soll.

Mit diesem Artikel haben Firmen, die sich jetzt erst mit dem Thema beschäftigen, zumindest Anhaltspunkte bekommen, auch wenn vielleicht nicht alle Fragen beantwortet wurden. Aber dafür sind ja schließlich auch die Dienstleistungsunternehmen da. Zum Schluss daher hier eine Liste von Outsourcing-Anbietern, die gemäß einer zwei Jahre alten Studie von Roland Berger mit sechs großen AM-Auftragsfertigern für Metallverarbeitung beginnen soll, aber kein Anspruch auf Vollständigkeit hat:

FIT AG

Citim GmbH

bkl lasertechnik

Blue Production

FKM Sintertechnik

PTZ-Prototypenzentrum

Creabis

HIC Innotec

Alphaform (seit Ende Juli 2015 insolvent)

Rapidobject

Trindo 3D Druck

Core Consulting