"Gibt es noch mehr?"

3D-Druck in der Aufzugsfertigung

Ihre Autorin Undine Stricker-Berghoff (USB), sprach kürzlich mit Oliver Simmonds (OS), Dipl.-Ing. (FH) in Maschinenbau und leitender Ingenieur bei Schindler in Ebikon, Schweiz. Im Interview ging es vor allem um den 3D-Druck als mögliche zukünftige Produktionstechnologie im Aufzugsbau. Sie erhalten einen Einblick in die ersten Anwendungen bei Schindler, einschließlich ihres 3D-gedruckten Autos, Tests, Ergebnissen und einer groben Prognose für den zukünftigen Einsatz dieser Technologie.

USB: Herr Simmonds, können Sie uns bitte etwas über Ihren persönlichen und beruflichen Hintergrund erzählen?

OS: Ich bin Maschineningenieur, ausgebildet an der Fachhochschule Nordwestschweiz. Meine berufliche Laufbahn habe ich als Maschinenzeichner begonnen. Dies ist das dritte Mal, dass ich mit Schindler zusammenarbeite, insgesamt mehr als 15 Jahre. Direkt nach meinem Abschluss habe ich hier an der Entwicklung von Fangvorrichtungen für Hochgeschwindigkeitsaufzüge gearbeitet. Danach habe ich draußen in Start-ups in den Bereichen E-Mobilität und Yachtarchitektur gearbeitet. Ich habe einst selbstständig daran gearbeitet, die Technologie der Elektromobilität voranzutreiben; damals hatte ich auch aufträge von schindler.

Jetzt, in meiner dritten Phase im Entwicklungsbereich, bin ich stärker in die Forschung neuer Technologien eingebunden. Ich verfolge die Entwicklungen und analysiere die Technologien genau, um zu überlegen, wie ich sie in neue Produkte integrieren kann. Natürlich beobachte ich auch Trends, aber mein Fokus liegt vor allem auf der tieferen Auseinandersetzung mit den Technologien selbst. Ich führe Gespräche mit Herstellern über den aktuellen Stand der Technik, um den Kern der Sache zu erfassen.

USB: Unser allgemeines Thema heute ist 3D-Druck in der Produktion von Aufzügen, Fahrtreppen und deren Komponenten. Was ist Ihr eigentliches persönliches Engagement in diesem technischen Thema?

OSIch interessiere mich schon lange privat sehr für 3D-Druck und konnte dieses Interesse glücklicherweise auch beruflich einbringen. Bei Schindler habe ich das Thema vorangetrieben und mich dann intensiver mit der Frage auseinandergesetzt: „Was könnte sich daraus entwickeln?“ Dabei hatte ich komplexere Bauteile im Blick, die sich in sehr kleinen Serien zu einem erschwinglichen Preis herstellen lassen.

USBKönnen Sie bitte erläutern, was den Begriff „3D-Druck“ als eine Form der additiven Fertigung ausmacht?

OSDie Technologie hat sich stark verbessert und kann nun für Muster und Kleinserien eingesetzt werden. Es gibt verschiedene Kunststoffe und Metalle wie Stahl, Kupfer und Aluminium, deren Eigenschaften bekannt sein müssen. Die Materialvielfalt und die damit verbundenen unterschiedlichen Verfahren führen nicht zu einer einzigen 3D-Technik. Gemeinsames Merkmal ist jedoch stets der schichtweise Aufbau des Materials. Technisch werden diese Prozesse als „additive Fertigung“ bezeichnet. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch der Begriff 3D-Druck etabliert.

In den 1990er Jahren begann der Weg in den USA mit der Verarbeitung von Pulver auf einer Art Tintenstrahldrucker. Harz wurde auf eine Oberfläche aufgetragen, um das Pulver an den ausgewählten Bereich zu binden. Daher stammt auch der Begriff 3D-Druck.

Heute verwenden wir hauptsächlich das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren, auch Fused Filament Fabrication (FFM) genannt. Dabei wird Kunststoff erhitzt und durch eine Düse gepresst. Das Verfahren ist kostengünstig, weit verbreitet und führt zu guten Ergebnissen. Außerdem gibt es das sogenannte Pulverbettverfahren, das sowohl mit Metall als auch mit Kunststoff funktioniert.

In unserem Projekt wurde das Auto mithilfe des Drahtlichtbogen-Auftragschweißverfahrens (WAAM) gefertigt. Ein Schweißroboter arbeitet gemäß der Konstruktionszeichnung und trägt das Material Schicht für Schicht auf.

USB: Hinter diesen verschiedenen Berechnungsmethoden zur Optimierung vermute ich eine längere Vorgeschichte.

OSWir haben all das über die Jahre aufgebaut, insbesondere das Design-Tool, und dabei stets mit der Digitalisierung Schritt gehalten. Früher haben wir Entwürfe mit Tinte gezeichnet. Der enorme Wandel hat zu einem weitgehend papierlosen Büro geführt. Der gesamte Arbeitsprozess ist digitalisiert, sodass wir auch keine Zeichnungen mehr für 3D-Drucke von Hand anfertigen.

USB: Sie starten in Ihrem Unternehmen schon sehr früh mit 3D-Drucken in die Karriere Ihrer Mitarbeiter. Bereits für Auszubildende bieten Sie Metall- und Kunststoff-3D-Drucker als Werkzeuge an. Was macht die nächste Generation mit diesen Druckern?

OSWir sind überzeugt, dass es an der Zeit ist, den Prozess in den Arbeitsalltag zu integrieren. Die 3D-Drucktechnologie steht den Mitarbeitern unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung schon länger zur Verfügung; kleine Geräte finden sich in fast jedem Büro. Auch unsere Auszubildenden sollten damit vertraut gemacht werden. Deshalb setzen wir das FDM-Verfahren bereits in unserer Ausbildungswerkstatt ein. Sie können sich die Drucker und Prozesse hier ansehen: Schindler-Website.

USB: Warum beziehen Sie die nächste Generation in diese Technologie ein?

OS: Bereits junge Menschen können 3D in ihren Arbeitsalltag integrieren. Sie haben es leichter als manche ältere Menschen. Gehört 3D heute schon zum Alltag in der Forschung und Entwicklung, wird es die nächste Generation in der Produktion ihr ganzes Leben lang begleiten. Es ist wichtig, sie darauf vorzubereiten.

USB: Zurück zu F&E. In welcher Phase der Produktion bzw. bei welchen Produkten sehen Sie Chancen für den 3D-Druck und warum?

OS: Wir arbeiten konventionell in der Fertigung von Aufzugskomponenten mittels Fräsen und Drehen, auch in Kunststoff. Für unseren Montageroboter Schindler RISE kämen zum Beispiel Deckelteile aus Kunststoff in Frage. Diese würden genau die anvisierte Nische treffen: Sonderanfertigungen in Kleinserien. In größeren Stückzahlen ist der 3D-Druck noch zu teuer und zu langsam.

USB: Was ist mit Ersatzteilen?

OS: Grundsätzlich ja, aber wenn noch Pläne vorhanden sind, können diese auch konventionell computergestützt schnell und kostengünstig erstellt werden. Es wurde früher nach Zeichnung usw. gefräst. Warum sollte ich den Prozess ändern? Anders sieht es zum Beispiel bei alten Gussteilen aus, wo Formen nicht mehr vorhanden sind. Diese haben in der Regel komplexere Formen, die mit herkömmlichen Mitteln nur schwer herzustellen sind.

USB: Und warum wird der 3D-Druck dann nicht schon viel häufiger eingesetzt?

OS: Die Hauptschwierigkeit bei Metallanwendungen ist die Verfügbarkeit zuverlässiger und reproduzierbarer Materialspezifikationen. Viele Faktoren während des Druckprozesses müssen in engen Grenzen kontrolliert werden, um die gewünschte Qualität zu erreichen. Oft haben nur sehr spezialisierte Unternehmen diese Prozesse im Griff. Das Hindernis für eine breitere Anwendung ist daher das Fehlen von Garantien und Qualitätssicherungsmaßnahmen. Auch in diesem Bereich gibt es viele Ansätze. Die ersten Drucksystemhersteller geben bereits Garantien. Diese Materialien werden beispielsweise bereits in Flugzeugen und Strahltriebwerken eingesetzt, erfordern aber noch größere Investitionen.

USB: Soweit ich weiß, haben Sie bereits den Druck von Aufzugskabinen getestet. Gibt es weitere Themen, an denen Sie bereits bei Schindler gearbeitet haben?

OS: Bevor wir das Auto gebaut haben, haben wir 3D-gedruckte Gussformen für ein Motorgehäuse realisiert. Wir suchten ein Bauteil, dessen Topologie mit mathematischen Methoden optimiert werden kann. Dies gilt für das Auto; seine Auslegung hat als bestimmende Randbedingung die Kräfte im Rahmen. Mit Hilfe von Software kann die Struktur des Autos optimiert werden.

Alles begann mit einer Studie über die Optimierungsmöglichkeiten des 3D-Drucks. Es ist wie bei einem Baum: Wo er keine Verstärkung benötigt, ist auch keine vorhanden – die Äste sind dünner als der Stamm. Wir haben das Design nicht gezeichnet, sondern berechnet. Das Ergebnis war in den ersten Phasen optimal, beispielsweise hinsichtlich des Materialeinsatzes, da das Material deutlich leichter ist, aber konventionell nicht mehr herstellbar wäre.

Machbar wurde das Ganze erst durch den 3D-Druck. Also war unser Hauptanliegen mit dem Auto, zu zeigen, dass es machbar ist. Kann der 3D-Druck die errechnete Materialeinsparung erreichen? Ja, 3D-Druck kann! Betrachten Sie dieses Auto wie ein Konzeptauto in der Automobilindustrie.

USB: Kommen wir dann zu diesem speziellen Autoprojekt. Wenn Sie Aufzugskabinen drucken, nennen Sie es Kunst. Können Sie unseren Lesern bitte sagen, was sich hinter diesem unerwarteten Etikett verbirgt?

OSIch erkenne darin ganz klar die „Kunst des Ingenieurwesens“, so wie sie der Technologie in ihren Anfängen stets ein ästhetisches Antlitz verlieh. Im Nachhinein betrachtet waren auch Architekten einst Künstler. Dampfmaschinen wurden verziert und bemalt. Dieser Aspekt ist in der Industrie verloren gegangen. Alles ist nüchtern geworden. Aussehen kostet – und niemand will dafür bezahlen.

Der 3D-Druck vereint diese beiden Welten. Man kann Prozesse optimieren und effizienter gestalten, die Gewinne in der Branche trotzdem hoch halten und das Ergebnis ist optisch ansprechend. Früher gab es wunderschöne Mosaikböden. Dank des 3D-Drucks sind sie heute wieder realisierbar. Wir werden viele Dinge wiedersehen.

Was man als Ingenieur entwickelt, muss auch gut aussehen. Das steigert Akzeptanz und Verkaufszahlen gleichermaßen. Weitere Informationen finden Sie unter Wenn Technik auf Kunst trifft.

USB: Wer war für die eigentliche Ausführung des Drucks selbst verantwortlich?

OS: Das Auto ist ca. 2.1 m tief X ca. 1.2 m breit X ca. 2.2 m hoch innen, mit einem Aufbau insgesamt sogar 3 m hoch. Die gedruckten Teile wurden bei MX3D in den Niederlanden hergestellt. Dort werden innovative Fertigungsverfahren auf Basis von Industrierobotern und Drahtschweißverfahren entwickelt und erprobt. Das Unternehmen hatte vor dem Bau unseres Autos auch eine Stahlbrücke über einen Kanal in Amsterdam gedruckt. Der Stahl war einfacher zu verarbeiten als das Aluminium unseres Autos. Das Drucken von großen Aluminiumstrukturen war für alle Beteiligten Neuland, das von allen viel Input erforderte. Viele Tests waren im Vorfeld notwendig, um ein akzeptables Ergebnis zu erzielen.

USB: Welches Metall haben Sie in diesem Prozess verwendet?

OS: Wie bereits erwähnt, haben wir Aluminium verwendet, um eine Leichtbauweise zu realisieren. Das Schweißen von Aluminium erfordert viel Know-how. Kunststoff ist viel voluminöser, um eine vergleichbare Festigkeit zu erreichen. Stahl hat auch minimale Wandstärken, was es viel schwerer macht. Allerdings wollten wir der Aufzugsanlage keine unnötige Masse hinzufügen. Unser genaues Ziel war es, das optimierte Strukturlicht zu bauen. Dies wäre in Kunststoff oder Stahl nicht vernünftig machbar gewesen. Durch die Verwendung von Aluminium wollten wir auch andere inspirieren.

USB: Welche Teile des Autos wurden gedruckt?

OS: Wir haben die Strukturelemente des Autos gedruckt, also den Boden und die Seiten. Insgesamt wurden also drei Teile produziert: der Boden, die linke Seite und die rechte Seite. Der Boden wiederum besteht aus vier verspiegelten Teilen, die nachträglich zusammengeschweißt wurden. Die beiden Seitenteile wurden horizontal geteilt und anschließend miteinander verschweißt. Es wäre auch möglich gewesen, jeweils ein großes Teil herzustellen, aber die Montage war einfacher, als einen 2-m-Roboterarm den Druck handhaben zu lassen. Aber wir hatten einen gewissen Respekt vor der Versammlung. Beispielsweise war der Bauraum für den Bodenaufbau zu klein. Der Rest wurde nachträglich aufgesetzt, konventionell vorgefertigt. Es bestand aus einer Standard-Dachkonstruktion, Glaswänden und -boden sowie der Tür und ihrer Aufhängung.

Dieses „gedruckte“ Auto fuhr nicht, da die Unsicherheiten zu groß sind. Insbesondere hinsichtlich der Materialsicherheit ist keine Überprüfung möglich. Es ist begehbar, aber nicht fahrbar.

USB: Was war die Motivation hinter diesem Projekt?

OS: Wir wollten die Prozesse und den Stand der Technik kennenlernen. Innerhalb eines Jahres haben wir die Berechnungen und die Fertigung abgeschlossen. Eineinhalb Personen in unserem Haus waren in dieser Zeit aktiv in das Projekt involviert, plus die Kollegen aus den Niederlanden.

USB: Was war das Ergebnis des Projekts?

OSWir haben gezeigt: „Es ist möglich!“ Wir haben viel gelernt – auch über die Grenzen und Schwachstellen. Und natürlich fragen wir uns jetzt: „Gibt es da noch mehr?“

USB: Was sind Ihre Zukunftspläne in Bezug auf den 3D-Druck bei Schindler?

OS: Im Moment müssen wir aufgrund der fehlenden Qualitätssicherung des Materials noch ein Folgeprojekt aufsetzen. In der Gruppe besteht großes Interesse, 3D-Druck einzusetzen und die Ergebnisse an gut sichtbaren Stellen auszuführen. Aber es liegt in der Natur unserer Arbeit in der Abteilung Neue Technologien, dass die Zeit manchmal noch nicht reif ist. Wir werden die Technologie weiter beobachten und vielleicht in ein paar Jahren konkret vorantreiben.

USB: Gibt es noch mehr Potenzial für den 3D-Druck?

OS: Wahrscheinlich. In unserem Schindler-Magazin haben wir einige Informationen über ein ganzes Gebäude gegeben, das bereits in Beton gedruckt wurde. Sie können den Artikel mit weiteren Details finden Schindler-Magazin.

USB: Möchten Sie unsere Q&A-Runde mit einem persönlichen Statement beenden?

OSIch liebe meine Arbeit bei Schindler in der Forschung. Es ist spannend, neue Produktionsprozesse zu beobachten, darüber nachzudenken, was wir damit anfangen können, sie auszuprobieren und dadurch vielleicht die Zukunft der Branche maßgeblich zu verändern.

Technische Spezifikationen des "gedruckten" Autos

Breite: 1,200mm
Tiefe: 2,100 mm
Höhe: 2,140 mm
Laden Sie: 1125 kg
Gewicht des leeren Autos: 850 kg