3D belt printer copared to classic cartesian 3D printer model (ultimaker S3 / S5)

Bachelorarbeit bestätigt Wirtschaftlichkeit und Anwendbarkeit von 3D-Fließbanddruckern

In einer von iFactory3D in Auftrag gegebenen und betreuten Bachelorarbeit sollte unter anderem die Wirtschaftlichkeit von 3D-Fließbanddruckern im Vergleich zu klassischen kartesischen 3D-Druckern für die Herstellung unterschiedlicher Objekte in mehrfacher Ausführung festgestellt werden. Anhand 5 ausgewählter umzusetzender Objekte mit unterschiedlichen Parametern und Geometrien wurde eine Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellt und der Maschinenstundensatz ermittelt.

5 different CAD models compared on belt printer vs cartesian printer: ring, motor angle, shoe insole, dispaly case, cable duct

Es ließ sich durch diese Arbeit feststellen, dass die variablen Kosten beim gewählten 3D-Fließbanddruckermodell (iFactory3D One Pro) immer niedriger als beim Vergleichsdrucker (Ultimaker S3 / S5) waren.

Tabelle Stückpreise von 5 3D-Modellen, umgesetzt auf kartesischem 3D-Drucker vs. 3D-Fließbanddrucker
Auszug aus Bachelor-Abschlussarbeit „Wirtschaftlichkeit und Anwendbarkeit von 3D-Fließbanddrucker in produzierenden Unternehmen“, Issa, 2022

 

Die niedrigeren Stückkosten ergeben sich aus mehreren Punkten, die beim 3D-Fließbanddrucker im Vergleich anders als beim kartesischen 3D-Druck verlaufen. So kann zum einen durch den Druckwinkel von 45° auf Stützstrukturen bei komplexeren Geometrien (Gehäuse) verzichtet werden. Dies wirkt sich sowohl positiv auf den Materialverbrauch pro Druckteil als auch auf die benötigte Druckzeit aus.

Vorteil insbesondere bei langen Drucken

Bei dem langen Druckobjekt (Kabelkanal) geht die hohe Ersparnis pro Stück auf den Verzicht der Stückelung zurück. Im Gegensatz zum S3 oder auch dem größeren S5 von Ultimaker, können bei dem One Pro die benötigten 1,50m am Stück durchgängig gedruckt werden. Durch das Fließband anstelle eines starren und damit begrenzten Druckbetts ist den Dimensionen in z-Richtung keine Grenze auf dem Fließbanddrucker gesetzt. Das Objekt wurde für den Bauraum des S3 in insgesamt 8 Stücke unterteilt, die in zwei Durchgängen gedruckt wurden, da nur 4 gleichzeitig auf die Fläche  passen. Resultat:  der S3 benötigt eine 66% höhere Druckzeit und einen Neustart des Druckvorgangs, der als Arbeitszeit mit entsprechender Entlohnung zu den Prozesskosten addiert werden muss. Insgesamt ist der Stückpreis für das lange Bauteil auf dem S3 das gut 3,5-fache wie für den Druck auf dem One Pro 3D-Fließbanddrucker.

Niedrige Stückkosten führen zu hoher Rentabilität

Die Personalkosten fallen auch bei der Produktion von großen Mengen der kleinen gewählten Druckteile wie Ring (Abstandshalter) oder Motorwinkel in Rechnung. Bei der Maximalauslautung der Bauplatte müssen die Objekte nach gut 50 bzw. 30 Druckvorgängen manuell aus dem Bauraum entfernt werden. Dieser Schritt entfällt beim kontinuierlich durchlaufenden 3D-Drucker mit Fließband und so werden in diesen Intervallen die Personalkosten eingespart.

Durch die Ersparnis bei den variablen Kosten, also beim Stückpreis, erreicht der One Pro immer einen Punkt, an dem die Gesamtkosten der Herstellung mit diesem Gerät günstiger sind. Der One Pro hat im Vergleich zum S3 von Ultimaker rund 9% höhere Gesamtfixkosten, was durch dem UVP-Preisunterschied in der Anschaffung entspricht. Dank geringerer Betriebskosten (sowohl für Personal als auch für vergleichsweise geringfügigen Stromverbrauch) und dem niedrigeren Materialverbrauch, rentiert sich aber der Einsatz des Fließbanddruckers je nach Beispielobjekt immer über kurz oder lang.

Break-Even-Points bei verschiedenen Druckmodellen 3D-Fließbanddruck vs. kartesischer Drucker
Auszug aus Bachelor-Abschlussarbeit „Wirtschaftlichkeit und Anwendbarkeit von 3D-Fließbanddrucker in produzierenden Unternehmen“, Issa, 2022

 

Der Vergleich zwischen dem Ultimaker S5 und One Pro musste bei dem Druck einer Einlegesohle gezogen werden, da die Länge den Bauraum des kleineren S3 überschritt. Der größere Bauraum schlägt sich in einem höheren Anschaffungswert nieder. Der UVP vom Ultimaker S5 liegt ca. 46% höher als der des One Pro Fließbanddruckers. Mit der stärkeren Wattleistung des S5 ergeben sich zudem höhere Betriebskosten. So ergibt sich bei diesem spezifischen Druckobjekt im direkten Vergleich ab dem ersten Stück eine gesteigerte Wirtschaftlichkeit beim One Pro – von den mehr als halb so teuren Produktionspreis pro Sohle ganz zu schweigen.

3D-Fließbanddruck rechnet sich schnell bei höherer Produktionsauflage

Die Ergebnisse der Abschlussarbeit legen also nahe, dass sich im Vergleich der 3D-Fließbanddruck zu gängigen 3D-Druckermodellen im B2B-Bereich je nach 3D-Modell nach ein paar tausend Stück lohnt. Eher noch, dass die Versatilität des 3D-Fließbanddruckers ein echtes Argument für ihn ist. Alle 5 Beispielobjekte ließen sich kostengünstiger pro Stück erzeugen. Bei den komplexeren Geometrien spielt das Ausbleiben der Notwendigkeit von Stützstrukturen eine Rolle in sowohl Zeit- als auch Materialersparnis. Zeit nicht nur im Sinne von Druckzeit, sondern auch nachträgliche manuelle Bearbeitung, also Arbeitszeit entfällt, wenn keine Stützstrukturen entfernt werden müssen.

One Pro zeichnet sich durch flexible Einsatzfähigkeit aus

Als letzten Pluspunkt gilt es die Uneingeschränktheit in der Länge des Bauraums hervorzuheben. Wo für diese Thesis zwei kartesische Modelle für die Umsetzbarkeit der Objekte hinzugezogen werden mussten, konnte der 3D-Fließbanddrucker alle gewählten Bauteildimensionen bewältigen. So lassen sich für die additive Fertigung ungewöhnliche Objekte fertigen, sowie Einzelobjekte am Stück, also am laufenden Band. Dadurch entfallen zusätzliche Personalkosten und Wartezeiten, der Fließbanddrucker kann über Wochen laufen und fortlaufend produzieren.

Für eine Serienproduktion qualifiziert sich ein 3D-Fließbanddrucker also im Vergleich zu klassischen 3D-Druckern bei den Stückkosten auf jeden Fall. Zusätzlich ermöglichen seine beiliegenden Eigenschaften mehr Flexibilität sowie Materialeinsparungen. Die Abschlussarbeit zur Wirtschaftlichkeit von 3D-Fließbanddruckern kam somit zum Schluss, dass für den Kleinserienbereich KMUs und Einzelpersonen die Anschaffung eines 3D-Fließbanddruckers zu empfehlen ist.