Light Engineering für die Praxis

Light Engineering für die Praxis Herausgegeben von Claus Emmelmann, Hamburg, Deutschland Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/13397

Technologie- und Wissenstransfer für die photonische Industrie ist der Inhalt dieser Buchreihe. Der Herausgeber leitet das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg sowie das LZN Laser Zentrum Nord, eine 100%ige Tochter der TU Hamburg-Harburg und der Freien und Hansestadt Hamburg. Die Inhalte eröffnen den Lesern in der Forschung und in Unternehmen die Möglichkeit, innovative Produkte und Prozesse zu erkennen und so ihre Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken. Die Kenntnisse dienen der Weiterbildung von Ingenieuren und Multiplikatoren für die Produktentwicklung sowie die Produktions- und Lasertechnik, sie beinhalten die Entwicklung lasergestützter Produktionstechnologien und der Qualitätssicherung von Laserprozessen und Anlagen sowie Anleitungen für Beratungs- und Ausbildungsdienstleistungen für die Industrie.

Maike Grund Implementierung von schichtadditiven Fertigungsverfahren Mit Fallbeispielen aus der Luftfahrtindustrie und Medizintechnik

Maike Grund Technische Universität Hamburg-Harburg Hamburg-Harburg Deutschland ISBN 978-3-662-44265-4 DOI 10.1007/978-3-662-44266-1 ISBN 978-3-662-44266-1 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media www.springer-vieweg.de

Vorwort Alles, was ein Mensch sich vorzustellen vermag, werden andere Menschen verwirklichen können. Jules Verne Und dennoch haben schichtadditive Fertigungsverfahren, auch das bereits 1984 erstmals patentierte Lasergenerieren, bis heute nicht den von den Experten seit langem vorhergesagten umfassenden industriellen Durchbruch erreicht. Von Vielen werden Begriffe wie 3D-Drucken und Rapid Prototyping bereits im Alltag genutzt. Trotzdem blieb die Nutzung der neuen Technologien für die fertigende Industrie bislang hinter den Erwartungen zurück. Die vorliegende Arbeit ergründet die Ursachen und zeigt Wege auf, Hindernisse aus dem Weg zu räumen. Die Arbeit ist in den Jahren 2009 bis 2013 entstanden obgleich mein Interesse an der Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) schon im Jahr 1999 geweckt wurde. In einem Praktikum bei einem der führenden Laserhersteller in Hamburg und Michigan/USA durfte ich die Markteinführung eines Nd:YAG-Lasers begleiten. Dieser Begeisterung konnte ich während meiner Promotion am Institut für Laser- undanlagensystemtechnik (ilas) der Technischen Universität Hamburg-Harburg wieder systematisch folgen. Daher gilt mein Dank an erster Stelle meinem Doktorvater und Mentor Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, Leiter des ilas, der mich bereits in meinem ersten Praktikum betreute und mir bis zur mündlichen Prüfung in allen Lebenslagen, die eine Promotion mit sich bringen kann, mit Rat und Tat zur Seite stand. Neben seinem Vertrauen und den großen Freiheiten bei der Gestaltung meiner Arbeit, übertrug mir Prof. Emmelmann herausfordernde Projektaufgaben, die nicht nur das ilas und das Laser Zentrum Nord (LZN), sondern auch meine Promotion bereicherten und mich persönlich wachsen ließen. Seine Förderung sowie Unterstützung war mir zu jedem Zeitpunkt gewiss und wird mir fortan in bester Erinnerung bleiben. Weiterhin möchte ich meinem zweiten Gutachter Prof. Dr. Cornelius Herstatt danken, dem Leiter des Instituts für Technologie- und Innovationsmanagements an der TU Hamburg-Harburg, der mich in kritisch-konstruktiven Diskussionen beim betriebswirtschaftlichen Teil meiner Arbeit fachlich unterstützte. V

VI Vorwort Hervorheben möchte ich auch meine Kollegen am ilas und am LZN, mit denen ich viel erlebt habe und solche, mit denen ich gerne zusammengearbeitete. Dabei gilt mein besonderer Dank Jannis Kranz für seine Unterstützung beim Design des Benchmarkkörpers, Franz Terborg für die schichtadditive Fertigung desselben und natürlich Eric Wycisk, der mir ein guter Freund geworden ist, zu jeder Zeit für alle kritischen Themen ein offenes Ohr hatte und wertvolle Unterstützung bei der Lösungsfindung geleistet hat. Mein ausgesprochener Dank gilt außerdem den Experten aus der Unternehmenspraxis, die mir Zugang zu Ihren Projekterfahrungen bei der Einführung der schichtadditiven Fertigung ermöglicht haben, sowie Dr. Mareike Heinzen für ihre wertvollen Einschätzungen meines Beitrags zum Innovationsmanagement. Nicht zuletzt möchte ich meiner gesamten Familie danken, die mich all die Jahre meiner Ausbildung unterstützt und an mich geglaubt hat, auch und insbesondere in den anstrengenden Zeiten z. B. durch Abwechslung auf den Philippinen, die Administration eines Web-Blogs, aufmunternde Worte oder schlichtes Verständnis und Zuhören. Hamburg, im Dezember 2013 Maike Grund

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 1 1.1 Problemstellung und Forschungsbedarf... 1 1.2 Forschungsziele und -methodik... 3 1.3 Abgrenzung und Vorgehensweise... 6 Quellen... 9 2 Begriffsbestimmungen und Charakteristika zentraler Begriffe... 13 2.1 Innovationsbegriff und Erfolgsfaktoren... 13 2.1.1 Innovation... 13 2.1.2 Innovationsgrad... 16 2.1.3 Innovationserfolg und Erfolgsfaktoren... 17 2.2 Spannungsdreieck zwischen Qualität, Kosten und Zeit... 18 2.3 Schichtadditive Fertigung und Mass Customization... 20 2.3.1 Marktseitige Kriterien... 24 2.3.2 Technologische Kriterien... 24 Quellen... 25 3 Schichtadditive Fertigung und Rapid Manufacturing... 31 3.1 Prinzip der schichtadditiven Fertigung und allgemeine Eigenschaften... 31 3.2 Additive Fertigung aus flüssigen und gasförmigen Werkstoffen... 35 3.2.1 Stereolithographie (SL) Photopolymerisation... 35 3.2.2 Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) und Aerosol-Drucken. 36 3.3 Additive Fertigung aus festen bzw. pulverförmigen Werkstoffen... 37 3.3.1 Layer Laminated Manufacturing (LLM)... 38 3.3.2 Extrusionsverfahren bzw. Fused Layer Modeling (FLM)... 39 3.3.3 Lasergenerieren bzw. Selektives Lasersintern/-schmelzen (SLS/SLM)... 40 3.3.4 3D-Drucken (3DP)... 44 3.3.5 Laserauftragschweißen bzw. Fused Metal Deposition (FMD)... 44 3.3.6 Elektronenstrahlschmelzen (EBM)... 45 VII

VIII Inhaltsverzeichnis 3.4 Eignung schichtadditiver Fertigungsverfahren für Rapid Manufacturing.. 46 Quellen... 49 4 Benchmarkanalyse zum Lasergenerieren... 53 4.1 Analyse- und Bewertungskriterien für schichtadditive Fertigungsverfahren 53 4.1.1 Qualität... 54 4.1.2 Zeit... 61 4.1.3 Kosten... 66 4.2 Durchführung der experimentellen Untersuchung... 75 4.2.1 Geometriemodellbeschreibung... 75 4.2.2 Systembeschreibung der Lasergenerieranlagen... 76 4.2.3 Werkstoffe und Prozessparameter... 77 4.3 Auswertung der experimentellen Untersuchung... 79 4.3.1 Qualität... 80 4.3.2 Zeit... 87 4.3.3 Kosten... 91 4.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse... 94 4.4 Weitere Informationen... 99 Quellen... 106 5 Wirtschaftswissenschaftliche Theorien und Konzepte... 109 5.1 Sustaining vs. disruptive Technologien... 109 5.2 Dimensionen des Innovationsgrads... 113 5.2.1 Ansatz von Green et al.... 114 5.2.2 Ansatz von Schlaak... 115 5.2.3 Ansatz von Salomo... 116 5.2.4 Ansatz von Gemünden und Kock... 118 5.3 Konzepte von Erfolgsfaktoren... 120 5.4 Zusammenhang von Innovationsgrad und -erfolg... 122 Quellen... 125 6 Methodik und Durchführung der Fallstudienanalyse... 129 6.1 Methodische Grundlagen und Forschungsansatz... 129 6.1.1 Pragmatische Variante des Situativen Ansatzes... 130 6.1.2 Vergleichender Fallstudienansatz... 131 6.2 Forschungsdesign und Durchführung der Fallstudien... 132 6.2.1 Forschungsfragen und Bezugsrahmen... 132 6.2.2 Datenerhebung... 134 6.3 Auswertungsdesign und Analyse der Fallstudien... 141 6.3.1 Moderierende Faktoren... 141 6.3.2 Kodierung der Interviews... 142

Inhaltsverzeichnis IX 6.4 Weitere Informationen... 152 6.4.1 Konstruktübersicht der Fallstudienanalyse... 152 6.4.2 Interview-Leitfaden... 153 Quellen... 156 7 Ergebnisse der Fallstudienanalyse... 159 7.1 Einführung in die Fallstudieninhalte... 159 7.1.1 Medizintechnik... 159 7.1.2 Luftfahrt... 161 7.2 Ergebnisse der Einzelfallstudien... 163 7.2.1 Innovationsgrad... 164 7.2.2 Markterfolg... 202 7.3 Paarweiser Vergleich der Fallstudien... 210 7.3.1 Medizintechnik... 210 7.3.2 Luftfahrt... 213 7.3.3 Branchenübergreifend, erfolgreich vs. erfolglos... 215 7.4 Schlussfolgerung und Implikationen für den Markterfolg... 221 7.4.1 Realisierung von Mass Customization... 227 7.4.2 Lasergenerieren als disruptive Technologie... 228 Quellen... 229 8 Schlussbetrachtungen... 233 8.1 Zusammenfassung wesentlicher Ergebnisse... 233 8.1.1 Marktchancen und -risiken... 233 8.1.2 Endogene Einflussfaktoren... 235 8.1.3 Exogene Einflussfaktoren... 235 8.2 Handlungsempfehlungen für die Unternehmenspraxis... 236 8.3 Restriktionen und Ansätze für die weitere Forschung... 237 Quellen... 239 Sachverzeichnis... 241

Abkürzungsverzeichnis 3D dreidimensional 3DP 3D Printing ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol AISI American Iron and Steel Institute B2B Business-to-Business bgzl. bezüglich bspw. beispielsweise bzw. beziehungsweise CAD computer-aided design CNC Computerized Numerical Control (dt.: computerisierte numerische Steuerung) d. h. das heisst DMLS Direct Metal Laser Sintering DVS Deutschen Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. EASA European Aviation Safety Agency EBM Electro Beam Melting engl. englisch EOS Electro Optical Systems GmbH etc. et cetera FAA Federal Aviation Administration FDA Food & Drug Administration des U.S. Department of Health and Human Services FLM Fused Layer Modeling FMD Fused Metal Deposition GARPA Global Alliance of Rapid Prototyping Associations ggf. gegebenenfalls inkl. inklusive iwb Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der Technischen Universität München KMUs Klein- und mittelständische Unternehmen XI

XII Abkürzungsverzeichnis LAM Layer Additive Manufacturing; auch Additive Layer Manufacturing (ALM) (dt.: schichtadditive Fertigung) LCVD Laser Chemical Vapor Deposition LG Lasergenerieren LLM Layer Laminated Manufacturing max. maximal MIL-STD Military Standard MPG Medizinproduktegesetz NEM Nicht-Edelmetall NPD New Product Development (dt.: Produktentwicklung) o. ä. oder ähnliche p. a. per annum PA Polyamid PC Polycarbonat QPP Qualification Program Plan QTP Qualification Test Program QTR Qualification Test Report RM Rapid Manufacturing RP Rapid Prototyping RTCA Radio Technical Commission for Aeronautics SL Stereolithographie (engl.: stereolithographie) SLM selektives Laserschmelzen (engl.: Selective Laser Melting) SLS selektives Lasersintern (engl.: Selective Laser Sintering) STL Surface Tesselation Language, auch Surface Triangulation Language TRL Technologie-Reife-Level (engl. Technology Readiness Level) u. a. und andere u. ä. und ähnliche u. s. w. und so weiter u. v. m. und vieles mehr VDI Verein deutscher Ingenieure vgl. vergleiche zzgl. zuzüglich

Abbildungsverzeichnis Abb. 1.1 Aufbau des Buchs... 8 Abb. 2.1 Bedeutung von Innovationen... 14 Abb. 2.2 Wechselwirkungen im Spannungsdreieck von Qualität, Kosten und Zeit... 19 Abb. 2.3 Umsatzwachstum von RP-/RM-Anlagen und -Dienstleistungen 1998 2011... 21 Abb. 2.4 Referenzablauf Mass Customization in Anlehnung an Dietrich... 23 Abb. 3.1 Grundprinzip der additiven Fertigung in Anlehnung an Meiners... 32 Abb. 3.2 Chronologische Entwicklung von schichtadditiver Fertigungsverfahren. 37 Abb. 3.3 Prozessdarstellung Layer Laminated Manufacturing... 39 Abb. 3.4 Prinzip des Lasergenerierens... 41 Abb. 4.1 Einflussparameter des Lasergenerierens... 55 Abb. 4.2 Physikalische Zusammenänge beim Lasergenerieren... 56 Abb. 4.3 Datenvorbereitung für schichtadditiven Fertigungsverfahren... 62 Abb. 4.4 Kostenmodell für lasergenerierte Bauteile... 67 Abb. 4.5 Herstellkostenkurve für lasergenerierte Kunststoffteile... 74 Abb. 4.6 Design des Benchmarkkörpers... 76 Abb. 4.7 Körnung des Titanpulvers (TiAl6V4)... 78 Abb. 4.8 Porosität der Benchmarkkörper von System A, B und C im Vergleich... 81 Abb. 4.9 Maßabweichungen der Benchmarkkörper aus Werkzeugstahl 1.2709... 82 Abb. 4.10 Maßabweichungen Benchmarkkörper von System A... 83 Abb. 4.11 Maßabweichungen Benchmarkkörper von System B... 83 Abb. 4.12 Oberflächenrauheit R a und R z der vertikalen Seitenfläche... 86 Abb. 4.13 Oberflächenrauheit R a und R z der horizontalen Deckfläche... 86 Abb. 4.14 Anteilige Prozessdauer je Bauteil für TiAl6V4 und Werkzeugstahl 1.2709... 88 Abb. 4.15 Durchschnittliche effektive Aufbauraten... 89 Abb. 4.16 Systemvergleich der Maschinenvor- und -nachbereitung... 90 Abb. 4.17 Stückkostenvergleich in Abhängigkeit der Bauraumauslastung... 92 Abb. 4.18 Kostensplits in Abhängigkeit von Material und Bauraumauslastung... 93 XIII

XIV Abbildungsverzeichnis Abb. 4.19 Prüfkörper nach VDI-Richtlinie 3404... 97 Abb. 4.20 Maßhaltigkeits-Benchmark für TiAl6V4 von System A... 100 Abb. 4.21 Maßhaltigkeits-Benchmark für TiAl6V4 von System B... 100 Abb. 4.22 Maßhaltigkeits-Benchmark für 1.2709 von System B... 101 Abb. 4.23 Maßhaltigkeits-Benchmark für 1.2709 von System C... 101 Abb. 5.1 Möglichkeiten der Kompetenzorientierung bei der Innovationsplanung... 111 Abb. 5.2 Mehrstufige Struktur des Innovationsgrads... 116 Abb. 5.3 Messstruktur des Innovationsgrads mit Mikro- und Makro-Perspektive... 117 Abb. 5.4 Vier Dimensionen des Innovationsgrads... 119 Abb. 5.5 Erfolgsfaktoren aus 44 empirischen Studien... 121 Abb. 5.6 Dimensionen von Innovationsgrad und Innovationserfolg... 123 Abb. 5.7 Abhängigkeiten zwischen Innovationsgrad und Markterfolg... 125 Abb. 6.1 Verknüpfung von Forschungsfragen und Bezugsmodell der Fallstudienanalyse... 133 Abb. 6.2 Geeignete Branchen für den Einsatz von additiver Fertigung... 135 Abb. 6.3 Eingrenzung und Messbereich der Fallstudienuntersuchung... 136 Abb. 7.1 3D-dentale Bildgebungsverfahren... 165 Abb. 7.2 Allgemeine Übersicht des Technologie-Reife-Level-Prozess... 169 Abb. 7.3 Altes Design des Füllanschlusses mit zwei Schweißnähten... 176 Abb. 7.4 Neues, integriertes Design des Füllanschlusses mit zusätzlichem Flansch... 177 Abb. 7.5 Designevolution des topologieoptimierten und funktionsintegrierten Brackets... 179 Abb. 7.6 Lastoptimiertes und bionisches Design eines Flugzeugbrackets... 179 Abb. 7.7 Detailübersicht des Technologie-Reife-Level-Prozess... 189 Abb. 7.8 Illustrative Übersicht zu Innovationsaktivitäten zum Lasergenerieren... 190 Abb. 7.9 Design- und Entwicklungsplan zur Validierung der Luftfahrttauglichkeit... 197 Abb. 7.10 Marktdurchdringung von Dentalimplantaten... 203 Abb. 7.11 Vergleich Innovationsgrad und Markterfolg der Medizintechnik-Fallstudien... 211 Abb. 7.12 Vergleich Innovationsgrad und Markterfolg der Luftfahrt-Fallstudien... 213

Tabellenverzeichnis Tab. 3.1 Eignung additiver Fertigungsverfahren für RM... 47 Tab. 4.1 Dichte der Benchmarkkörper im Vergleich... 80 Tab. 4.2 Messbedingungen für Rauheitsmessungen... 85 Tab. 4.3 Kennwerte lasergenerierter Bauteile aus 1.2709 und TiAl6V4... 98 Tab. 4.4 Dichte der Benchmarkkörper im Vergleich... 99 Tab. 4.5 Absolute und relative Maßhaltigkeit für TiAl6V4 von System A... 102 Tab. 4.6 Absolute und relative Maßhaltigkeit für TiAl6V4 von System B... 103 Tab. 4.7 Absolute und relative Maßhaltigkeit für 1.2709 von System B... 104 Tab. 4.8 Absolute und relative Maßhaltigkeit für 1.2709 von System C... 105 Tab. 4.9 Variablenparameter der Kostenanalyse... 106 Tab. 4.10 Maschinenkostensatzvariation... 106 Tab. 6.1 Fallstudienübersicht... 137 Tab. 6.2 Übersicht der Interviewpartner... 140 Tab. 6.3 Kodierung der Technologiedimension... 144 Tab. 6.4 Kodierung der Marktdimension... 145 Tab. 6.5 Kodierung der Organisationsdimension... 147 Tab. 6.6 Kodierung der Umfelddimension... 150 Tab. 7.1 Technologiedimension des Innovationsgrads... 171 Tab. 7.2 Marktdimension des Innovationsgrads... 182 Tab. 7.3 Organisationsdimension des Innovationsgrads... 192 Tab. 7.4 Umfelddimension des Innovationsgrads... 201 XV