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Maßkonfektion aus Plastik

Prototypen waren teuer, und ihre Produktion dauerte lange. Bis ein amerikanisches Unternehmen den Spritzguss revolutionierte.




- "Die Entwicklungszyklen haben sich in nahezu allen Branchen extrem verkürzt", sagt John Tumelty in seinem karg möblierten Büro in Telford, nahe Birmingham. Die erste eiserne Bogenbrücke der Welt, erbaut 1779, spannt sich keine acht Kilometer entfernt über den Fluss Severn. Unweit befindet sich auch ein Industrie-Museum, das an die Zeit erinnert, als England noch das Zentrum des globalen Kapitalismus war. Tumelty, Anfang 40, Maschinenbau-Ingenieur, das Hemd mit Firmenlogo bestickt, rät, Brücke und Museum "auf jeden Fall zu besuchen". Und freut sich darüber, dass Automobilhersteller nicht mehr sieben Jahre Zeit haben, um ein neues Modell zu entwickeln, sondern nur noch drei bis maximal vier Jahre. Bei einem Fernseher sind es noch zwei Jahre. Bei Mobiltelefonen hat der Konkurrenzdruck die Entwicklungszyklen oft unter die Jahresfrist gedrückt.

Verbraucher wollen neue Ware - und das am laufenden Band. Die Entwicklungsingenieure werden hektisch. Nur Tumelty hat die Ruhe weg. Der Zeitdruck der anderen ist sein Geschäft. Der Brite ist Europa-Chef der amerikanischen Firma Proto Labs, die Entwicklern hilft, schneller fertig zu werden.

Er führt durch die Produktionshalle in der Größe von mehreren Fußballfeldern. Ein vollautomatischer Maschinenpark fertigt Kunststoffteile für Geschäftskunden als Unikate und Kleinserien. Bewährte Technik ist da am Werk: Spritzguss und CNC-Fräsen. Auf den ersten Blick sieht alles nach normaler Industrieproduktion aus. Der zweite Blick aber bringt eine kleine Revolution zum Vorschein, die auf dem Wunsch von Konsumenten fußt, immer öfter das Mobiltelefon, den Fernseher und das Auto zu wechseln.

"Echte Teile. Echt schnell", lautet der Werbeslogan von Proto Labs. In einem Webshop laden Kunden 3-D-Datensätze hoch. Ein paar Tage später kommen die Plastikteile mit der Post. Tumelty übersetzt den Proto-Labs-Werbeslogan in eine einfache betriebswirtschaftliche Gleichung: "Wer schneller entwickelt und auf den Markt kommt, macht das Rennen. Deshalb sind wir so gut im Geschäft." Seitdem die amerikanische Mutterfirma im Frühjahr an die Börse ging, ist sie der heimliche Star an der Technologiebörse Nasdaq.

Proto Labs ist entstanden, weil ein Unternehmer selbst etwas brauchte, was er nicht fand. Der Gründer Larry Lukis baute bis 1999 Farbdrucker. Bei jeder Weiterentwicklung ärgerte er sich darüber, wie lange es dauerte und wie viel Geld er investieren musste, um eine neue Gehäuseklappe oder ein neues Walzenteil für die nächste Generation testen zu können: Mit diesem Problem war er nicht allein. Herstellern von Unterhaltungselektronik, Flugzeugsitzen oder Sportgeräten geht es genauso.

Die Lösung führte zu Proto Labs. Das Unternehmen wächst Jahr für Jahr überaus profitabel, und seit dem Börsengang im Februar steigt der Aktienkurs kontinuierlich. Facebook-Investoren wären froh über solche Finanzkennzahlen. Vergangenes Jahr machte die Firma rund 100 Millionen US-Dollar Umsatz und dabei knapp 20 Millionen Dollar Gewinn. Im ersten Halbjahr 2012 waren es bereits 60 Millionen Dollar Umsatz.

Der Gründer Larry Lukis hat eine gigantische Marktlücke zwischen zwei Welten entdeckt: Die alte des Kunststoff-Spritzgusses ist zu langsam und zu unflexibel. Die neue der 3-D-Drucker hält nicht, was sie seit Jahren verspricht.

Auf Knopfdruck fräsen

Trendforscher reden seit mindestens zehn Jahren davon, dass wir bald viele Plastikprodukte auf 3-D-Printern selbst herstellen werden. Wenn nicht direkt zu Hause, dann doch wenigstens in 3-D-Copyshops um die Ecke. Designer und Entwickler, so das Versprechen, können dann jeden erdenklichen Kunststoff-Gegenstand im Computer entwerfen, auf Drucken klicken und gleich ausprobieren.

Und in 20 Jahren, so orakeln die größten Optimisten, werden unsere individuell angepassten Laufschuhe direkt aus dem 3-D-Plotter kommen. Science Fiction wird allerdings selten Wirklichkeit. Im konkreten Fall deshalb, weil die Geräte, die aus Datensätzen und Plastikpulver Schicht für Schicht Dinge fertigen, nicht nur lahme Enten blieben. Sie sind auch teuer. Die Auswahl der Materialien, mit denen sie arbeiten, ist begrenzt, der Ausschuss ist hoch. Das Beratungsunternehmen Gartner taxiert 3-D-Druck in seinem "Hype-Cycle" zurzeit auf der "Spitze aufgeblasener Erwartungen".

Edgar Fries vom Berliner Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik gehört zu den Ingenieuren, die mit ein wenig Nostalgie auf die Zeiten zurückblicken, "in denen technische Probleme noch in Ruhe gelöst werden konnten". Der Experte für Fertigungstechnik muss über sich selbst lachen, wenn er von siebenjährigen Modellzyklen bei Autos schwärmt und über Fernseher, die zwei Jahrzehnte lang ihren Dienst taten. Auch er weiß, dass in der Produktentwicklung inzwischen alles immer schneller gehen muss. Und Fries kennt einen zweiten technischen Grund, warum Angebote wie das von Proto Labs in der Industrie so gut ankommen: "Im Rechner lässt sich zwar viel, aber bei Weitem nicht alles simulieren."

Der Forscher ist überzeugt: "Bei den meisten Produkt-Entwicklungen, kommt man an einem Prototyp in realer Größe und realem Material nicht vorbei." So berichtet er von einem Turbinen-Hersteller, der sich auf Strömungs-Simulationen verlassen hatte. Als die neue Turbinen-Generation dann nicht den berechneten Wirkungsgrad erreichte und fast alle Kunden reklamierten, habe das dem Unternehmen "finanziell fast das Genick gebrochen".

Selbst bei einfachen Produkten wie einem neuen Plastikdeckel für einen Wegwerf-Kaffeebecher, einer Brotbüchse oder einem Plastikzahnrad für eine Wasserpumpe sind Hersteller nach wie vor gut beraten, erst einmal Prototypen herstellen zu lassen. Die werden traditionell in Handarbeit gefertigt. In jedem Fall gilt das für Werkzeuge wie Spritzgussformen für Kleinserien. Diesen Prozess kürzt Proto Labs ab. Durch radikale Automatisierung.

"Wenn man es genau nimmt, besteht der Wert unseres Unternehmens in einer Software, die 30 Entwickler in zehn Jahren geschrieben haben", sagt John Tumelty in Telford. Das Neue an der Software ist: Sie überträgt die Form von 3-D-Modellen von Designern und Entwicklern automatisch in Steuerbefehle für die Maschinen, die Einzelteile fräsen. Das bedarf nicht nur komplexer Algorithmen, sondern auch enormer Rechenleistung - in Zahlen ausgedrückt 1,9 Teraflops - die Dutzende hintereinander geschaltete Server leisten müssen.

Die Spritzgussformen sind bei Proto Labs wiederum nicht aus Stahl wie bei Formen für Großserien, sondern aus Aluminium. 50 Millionen Deckel für Einweg-Kaffeebecher kann man mit ihnen zwar nicht produzieren, aber für Serien bis 10000 Teile taugen die Alu-Werkzeuge allemal.

Auf solch ein Angebot hat Gunnar Anhöck gewartet. Der 30-jährige Medizintechnik-Ingenieur ist bei Ovesco für Entwicklung und Produktion verantwortlich. Die Firma ist eine Ausgründung der Universität Tübingen und spezialisiert auf Geräte für Proktologen. Details über die Anwendungsgebiete der Fistel Pistol erspart Anhöck seinen Zuhörern ohne medizinisches Spezialinteresse. Die technischen Entwicklungsdetails des Geräts teilt er hingegen mit Enthusiasmus.

Anhöck referiert über "Steifigkeiten" und "Sprödigkeiten" und wie wichtig "die Stärke und Struktur der Wandungen bei Halbschalen" sind. Die Fistel Pistol besteht aus sieben Plastikteilen. "Hätten wir die Formen für eine Prototyp-Kleinserie bei einem klassischen Spritzguss-Anbieter herstellen lassen, wären mindestens 100000 Euro Werkzeugkosten angefallen. Bei Proto Labs waren es 25000 Euro", rechnet er vor. Die Teile waren zudem binnen 14 Tagen in Tübingen. "Da müssen wir sonst mit Faktor sechs rechnen. Selbst wenn wir mit einer Prototyp-Serie hinkommen, sparen wir also zwei bis drei Monate Entwicklungszeit."

Die Beschleunigung beginne bereits bei der Bestellung. Die erinnert bei Proto Labs an ein Internetportal für Fotokalender. Kunden laden die Daten der gewünschten Teile auf der Website hoch, wählen aus Hunderten gängiger Materialien aus und geben die gewünschte Stückzahl an. Die Protomold-Software erstellt das Angebot dann weitgehend automatisch. Im Fall der Ovesco-Pistolen landete binnen weniger Stunden in Anhöcks Mailbox eine verbindliche Zahl, bei der die Tübinger nicht lange überlegen mussten - und die sich als gut investiertes Geld herausstellte.

Mit der Gestaltung waren die Entwickler weitgehend zufrieden. Doch beim zentralen Funktionsteil, dem Abzug, hatten sie den falschen Kunststoff gewählt. Nach dem Prototyp-Test war klar: Nutzer, also Ärzte, setzen bei der Bedienung überraschend viel Kraft ein. Der Abzug brach regelmäßig ab, was bei einem minimalchirurgischen Eingriff böse Folgen haben könnte. Nach kleineren Formkorrekturen an einem anderen Bauteil und einigen weiteren Materialtests erhielt das Gerät die Sicherheitszulassung. Seitdem nutzt Ovesco den zweiten großen Vorteil des Proto-Labs-Angebots. Denn mit 500 verkauften Exemplaren in diesem Jahr und geplanten 2000 im nächsten würde es sich nie und nimmer lohnen, die üblichen Stahl-Spritzgussformen für Großserien anfertigen zu lassen. Aluminium reicht vollkommen aus.

Die sieben Bauteile des Marktmodells werden mit den Prototyp-Formen in England gegossen und dann nach Schwaben verschickt. Ein Teil kostet im Schnitt rund zwei Euro. Das hört sich alles nach einem perfekten Angebot an - doch auch Proto Labs hat Schwächen. Noch zumindest.

Grenzen der Automatisierung

Ovesco entwickelt pro Jahr rund 30 medizintechnische Produkte. "Davon können wir bei maximal der Hälfte mit Proto Labs zusammenarbeiten", sagt Anhöck. "Bei den anderen sind die Teile zu komplex und passen nicht in deren Raster." Womit die Grenzen eines Modells beschrieben wären, das bei Anzügen so etwas wie Maßkonfektion wäre. Bei einer Figur nahe an den Standardgrößen, kommt man mit individuell angepasster Konfektionsware gut klar. Für Riesen, Zwerge, Dicke und Dünne funktioniert das nicht. In der Welt der Plastikteile gibt es viele Ausreißer in Form und Größe.

"Ein ganzes Armaturenbrett eines Pkw könnten wir zurzeit wegen seiner Länge nicht gießen", räumt John Tumelty ein. Ein einfaches, gebogenes Plastikrohr schaffen die Maschinen ebenfalls nicht. Die Roboterfräsen können von jeder Seite eines Quaders zugreifen. Aber eine geometrische Figur mit Schrägen im Innenraum ist nicht machbar. Der Teufel steckt im Plastikteil, und deshalb funktioniert die Vollautomatisierung vom Hochladen der 3-D-Datei bis zur Lieferung in gewünschter Stückzahl bislang nur bei einfachen Formen. In der Regel bedarf es noch einer Abstimmungsschleife zwischen Menschen - den Vertriebsmitarbeitern in diversen Niederlassungen und den Entwicklern -, bevor die Maschinen loslegen können.

Damit potenzielle Kunden besser mit den Design-Einschränkungen bei Spritzguss-Techniken zurechtkommen, hat die Firma ein kleines schwarz-gelbes Büchlein herausgegeben: Spritzguss-Teile für Dummies. Die Broschüre wurde in den USA geschrieben und aus Kostengründen in China gedruckt. Die Lieferung nach England dauerte dann "aus welchen Gründen auch immer", mehrere Monate. "Genau so etwas darf bei uns nicht passieren", sagt Tumelty. Deshalb habe das Unternehmen die Mutterfabrik in den USA eins zu eins in England und Japan nachgebaut.

Die "Nähe zum Kunden" ist eine Versicherung gegen die Billigkonkurrenz aus Schwellenländern. Die könnte unter Umständen beim Preis noch mithalten, aber eben nicht bei den Lieferzeiten. Zudem hat Proto Labs bei der Wahl der Produktionsstandorte USA, Japan und England sehr bewusst auf Länder gesetzt, "in denen ein hohes Maß an Rechtssicherheit für geistiges Eigentum herrscht". Ein chinesischer Anbieter mit gleichem Geschäftsmodell hingegen hätte vermutlich mit erheblichen Bedenken zu kämpfen, wenn seine Kunden ihm die Datensätze innovativer Produkte preisgeben müssten.

Konkurrenten, die er fürchten müsste, sieht Tumelty gegenwärtig nicht. Selbst wenn es jemandem gelingen sollte, die Automatisierungs-Software für die Maschinen schneller zu programmieren, was mit heutigen Methoden sicher möglich wäre, blieben immer noch sehr hohe Investitionen in den Maschinenpark. Eine Kartei mit Zehntausenden Kunden lässt sich auch nicht von heute auf morgen aufbauen, womit gleich ein weiterer Erfolgsfaktor des Unternehmens beschrieben wäre: Kein Kunde trägt zu mehr als einem Prozent des Gesamtumsatzes bei, was Tumelty besonders zu schätzen weiß.

In seinem vorherigen Job als Geschäftsführer eines Automobilzulieferers, der 75 Prozent seines Umsatzes mit Ford machte, war er von den Einkäufern des Unternehmens "permanent erpressbar", wie er sagt. Auch die wachsende Komplexität von Plastikteilen scheint Tumelty wenig Sorgen zu bereiten.

Die heutigen Einschränkungen bei den Formen und Größen seien keine Frage der technischen Machbarkeit, sondern der Wirtschaftlichkeit: "Wenn der Bedarf wächst, schaffen wir Maschinen an, die auch Schrägen in Innenräumen können. Oder Figuren wie diese." Wir sind zurück in Tumeltys Büro. Auf dem Schreibtisch steht der indische Gott Ganesha, ein Mischwesen aus Mensch und Elefant mit zwei Beinen und vier Armen. Tumelty wiegt das Mitbringsel von einer Geschäftsreise in der Hand. Er stockt kurz und gibt zu: "Bei so etwas müssten wir uns in der Tat sehr anstrengen. Hier scheint mir Schnitzen der schnellere Weg zu sein." -