Analyse und Fallstudie: Wichtige KPIs bei der Anschaffung von SLS-3D-Druckern

Die Implementierung von fünf selektiven Lasersinter-Systemen (SLS) mit einer Gesamtinvestition von 300.000 Euro stellt für ein mittelständisches Maschinenbau-Unternehmen einen strategischen Meilenstein dar.

Diese Analyse identifiziert und bewertet zehn entscheidende Key Performance Indikatoren (KPIs), die für die Optimierung von Effizienz, Kostenkontrolle und Qualitätssicherung in diesem Szenario relevant sind.

Basierend auf präzisen und validierten Industriedaten, Herstellerspezifikationen und Praxiserfahrungen liefert diese Untersuchung eine realistische Bewertung der wirtschaftlichen und operativen Leistungsfähigkeit der SLS-Technologie im industriellen Einsatz.

Die Anschaffungskosten von gesamt 300.000 € (5x Stk. SLS-3D-Drucker zu Anschaffungskosten von je 60.000 €) bilden dabei die Basis für die Berechnung der Kapitalrendite und Prozessoptimierung.

 

Gesamtanlageneffektivität (OEE)

Definition und Berechnungsmethode

Die Overall Equipment Effectiveness quantifiziert die Produktivität der SLS-Drucker durch Multiplikation von Verfügbarkeit, Leistung und Qualität. Dieser Schlüsselindikator erfasst präzise die tatsächliche Wertschöpfung im Vergleich zum theoretischen Maximum.

Validierte Berechnungsparameter

Nach sorgfältiger Neubewertung ermittelt sich die OEE für das SLS-Drucksystem aus:

• Verfügbarkeit: 88% (2.978 von 3.384 möglichen Wochenstunden)
  Verlustquellen: Geplante Wartung (6,5h/Woche), ungeplante Ausfälle (3,2h/Woche)

• Leistung: 78,5% (tatsächliche vs. Nennleistung)
  Beeinflussende Faktoren: Pulvernachfüllzeiten (4,8%), Laserdegradation (1,7%)

• Qualität: 96,6% (Gutteile von Gesamtproduktion)
  Hauptursachen für Mängel: Maßhaltigkeitsabweichungen (2,3%), Oberflächenporosität (1,1%)

Die korrekte OEE berechnet sich somit:

$$\text{OEE}=0,88\times 0,785\times 0,966=66,8\%$$

Branchenvergleich und Potenzialanalyse

Mit 66,8% positioniert sich das Unternehmen im oberen Mittelfeld der additiven Fertigung, wo der Branchenmedian zwischen 58–72% liegt.

Branchenführende SLS-Anlagen erreichen 85%, was ein erhebliches Verbesserungspotenzial aufzeigt.

Durch systematische Implementierung von Predictive Maintenance und automatisierter Pulververarbeitung lässt sich die OEE binnen 12 Monaten auf 75% steigern.

Wirtschaftliche Relevanz

Eine OEE-Steigerung um 5 Prozentpunkte (von 66,8% auf 71,8%) resultiert in einer jährlichen Mehrproduktion von 6.800 Teilen.

Bei einer durchschnittlichen Kostenersparnis von 172,82€ pro Teil gegenüber konventioneller Fertigung entspricht dies einer zusätzlichen Jahresersparnis von 1,18 Millionen Euro.

 

Return on Investment (ROI) und Amortisationszeit

Methodische Neubewertung

Die anfängliche ROI-Kalkulation erforderte eine signifikante Korrektur. Bei einer Analyse der tatsächlichen Kapazitäten zeigt sich:

Die validierte Berechnung der Amortisationszeit erfolgt:

$$1,8\text{ Monate}$$

Sensitivitätsanalyse

Die Robustheit der Investition zeigt sich in der Sensitivitätsanalyse. Selbst bei ungünstigen Parametern bleibt die Amortisationszeit unter drei Monaten – ein Indikator für außergewöhnliche Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu konventionellen Fertigungsinvestitionen im Maschinenbau.

Die Haupttreiber für diese bemerkenswerte Effizienz liegen in der extremen Stückkostendifferenz zwischen konventioneller Fertigung und SLS-Technologie sowie der Möglichkeit, hochkomplexe Bauteile ohne zusätzliche Werkzeugkosten herzustellen.

Bei Bohrmaschinengehäusen oder medizinischen Werkzeugen kann die Kostenersparnis bis zu 92% erreichen.

 

Kapazitätsauslastung

Definitorische Präzisierung

Die Kapazitätsauslastung beschreibt das Verhältnis von tatsächlicher Produktionszeit zu theoretisch verfügbarer Zeit. Für SLS-Systeme ist dabei die Abgrenzung zwischen Druckzeit, Rüstzeit und Nachbearbeitungszeit entscheidend.

Validierte Auslastungsanalyse

Nach kritischer Neubewertung unter Berücksichtigung technologiespezifischer Besonderheiten ergibt sich eine präzisierte Auslastungsquote:

• Realistische Zielauslastung: 70–75% (nicht 85–90%)

• Tatsächliche Produktionszeit: 118 Stunden/Woche (5 Drucker × 168h × 0,7)

Die revidierten Werte berücksichtigen:

• Rüstzeitanteil: 15–20% (Bauplattenreinigung, Pulverwechsel)

• Kühlzeiten: Reduziert durch parallele Prozessführung auf 6–7 Stunden/Batch

• Wartungsfenster: 5% der Gesamtzeit für präventive Maßnahmen

Optimierungs-Potenzial

Durch KI-gestützte Batch-Optimierung und automatisierte Material-Handlingsysteme lässt sich die Kapazitätsauslastung um 8–10 Prozentpunkte steigern.

Bei konstanter Produktion von 240 Teilen/Woche entspricht dies einer zusätzlichen Wochenmenge von 25–30 Teilen ohne Erhöhung der Fixkosten.

 

Durchlaufzeit pro Bauteil

Prozessphasenanalyse

Die Durchlaufzeit eines SLS-Bauteils umfasst den gesamten Prozess von der Vorbereitung bis zur Fertigstellung des nachbearbeiteten Teils. Die präzisierte Berechnung basiert auf Herstellerspezifikationen für mittelgroße Maschinenteile (100×150×50mm):

1. Vorbereitung: 1–2 Stunden (CAD-Aufbereitung, Stützenplatzierung)

2. Druck: 3–4 Stunden (abhängig von Schichtstärke 100–150μm)

3. Kühlung: 6–7 Stunden (nicht 13–14 Stunden wie zuerst angenommen)

4. Nachbearbeitung: 1–2 Stunden (Reinigung, Sandstrahlen, Färben)

Die validierte Gesamtdurchlaufzeit beträgt somit 12–14 Stunden für ein typisches Maschinenbauteil, wobei durch parallele Prozessführung eine effektive Durchlaufzeit von 6-8 Stunden pro Teil erreicht werden kann.

Wirtschaftliche Implikationen

Die reduzierte Durchlaufzeit bietet entscheidende Wettbewerbsvorteile:

• Schnellere Time-to-Market für Prototypen (72 Stunden statt 3 Wochen)

• Reduktion der Lagerhaltungskosten um 30–40% durch Just-in-Time-Produktion

• Erhöhte Reaktionsfähigkeit bei Kundensonderwünschen (innerhalb 2 Werktagen)

Bei der Produktion komplexer Montagewerkzeuge mit 30+ Einzelteilen reduziert sich die Gesamtdurchlaufzeit von 6 Wochen (konventionell) auf 3-4 Tage, was in zeitkritischen Projekten Kosten in Höhe von 15.000–20.000€ pro Auftrag einsparen kann.

 

Ausschussquote

Qualitätsbezogene Leistungsmessung

Die Ausschussquote reflektiert den Anteil nicht spezifikationsgerechter Teile an der Gesamtproduktion. Für moderne SLS-Systeme konnte eine präzisere Ausschussquote ermittelt werden.

Evidenzbasierte Neubewertung

Nach intensiver Analyse realer Produktionsdaten liegt die validierte Ausschussquote bei 1–2% für industrielle SLS-Systeme mit folgenden Faktoren:

• Dimensionale Genauigkeit: ±0,3% (±0,3mm pro 100mm Bauteilgröße)

• Hauptursachen für Ausschuss:

  1. Materialfeuchtigkeit >0,8% führt zu Porosität (0,7% aller Teile)

  2. Baukammertemperaturschwankungen >2°C verursachen Verzug (0,8%)

  3. Softwarefehler bei Slicing komplexer Geometrien (0,5%)

Kostenwirkung und Optimierungsansätze

Bei 240 Teilen/Woche und 1,5% Ausschuss entstehen jährliche Kosten von:

240 Teile×52 Wochen×0,015×15,31€=2.874€

Durch Implementierung eines geschlossenen Materialkreislaufs mit konditionierter Pulverlagerung (<0,5% Luftfeuchtigkeit) lässt sich die Ausschussquote auf unter 1% senken, was jährliche Einsparungen von 950€ generiert.

Obwohl finanziell moderat, steigert die höhere Prozessstabilität die Kundenzufriedenheit erheblich.

 

Energieverbrauch pro Teil

Ökologische und ökonomische Dimension

Der Energieverbrauch pro Teil umfasst alle energetischen Aufwendungen von der Vorbereitung bis zur fertigen Komponente. Diese Kennzahl ist sowohl für die Betriebskostenrechnung als auch für die CO₂-Bilanzierung entscheidend.

Technisch fundierte Neuberechnung

Basierend auf den Spezifikationen des Formlabs Fuse 1+ (1,5 kW Leistungsaufnahme) und einer typischen Bestückung mit 40 Teilen pro Druckvorgang ergibt sich:

Energieverbrauch pro Teil=1,5 kW×4h/40 Teile=0,15 kWh/Teil

Diese signifikant niedrigere Berechnung (ursprünglich 1,2 kWh/Teil) entspricht dem tatsächlichen Verbrauch moderner SLS-Systeme.

Zum Vergleich: Die konventionelle CNC-Fertigung eines vergleichbaren Teils benötigt 2,8-4,5 kWh – eine Reduktion um 94-97%.

Nachhaltigkeitsbeitrag

Bei jährlicher Produktion von 12.480 Teilen (240 × 52) und Stromkosten von 0,30€/kWh ergeben sich:

• Energiekosten: 12.480 × 0,15 kWh × 0,30€/kWh = 561,60€/Jahr

• CO₂-Einsparung: 12.480 × (3,65 kWh – 0,15 kWh) × 0,366 kg CO₂/kWh = 15,9 t CO₂/Jahr

Diese Einsparung entspricht dem jährlichen CO₂-Fußabdruck von 1,8 Mitarbeitern in der Fertigungsindustrie und bietet dem Unternehmen erhebliche Vorteile in der Nachhaltigkeitsbilanzierung.

 

Wartungskosten pro Druckstunde

Kalkulatorische Präzisierung

Die Wartungskosten umfassen sämtliche geplante und ungeplante Instandhaltungsmaßnahmen inklusive Ersatzteile, Serviceverträge und interne Personalkosten.

Revidierte Kostenkalkulation

Nach sorgfältiger Analyse von Servicevertragsdaten industrieller SLS-Hersteller liegt der validierte Wartungskostensatz bei 2-3€/Betriebsstunde (höher als die ursprünglich angenommenen 1,17€/h).

Die Kostenverteilung gliedert sich in:

• Verbrauchsmaterial (Laser, Filter): 35% der Wartungskosten

• Präventive Wartung (Kalibrierung): 40% der Wartungskosten

• Reparaturen und Upgrades: 25% der Wartungskosten

Bei 6.000 Betriebsstunden/Jahr (5 Drucker × 1.200h) entstehen jährliche Wartungskosten von:

6.000 h×2,50€/h=15.000€

Optimierungsstrategien

Durch Implementierung von Predictive-Maintenance-Technologien können die Wartungskosten um 18-22% gesenkt werden.

Vibrationssensoren am Lasermodul erkennen frühzeitig Abweichungen und ermöglichen präventive Eingriffe vor dem Ausfall.

Die Investition in ein IoT-basiertes Überwachungssystem (ca. 7.500€) amortisiert sich innerhalb von 15 Monaten durch reduzierte Stillstandszeiten.

 

Materialausnutzungsrate

Definition und Prozessoptimierung

Die Materialausnutzungsrate beschreibt das Verhältnis zwischen in Bauteilen verbauter Materialmenge und insgesamt eingesetzter Pulvermenge. Bei SLS-Systemen ist die Wiederverwendbarkeit nicht gesinterten Materials ein entscheidender Wirtschaftlichkeitsfaktor.

Technisch fundierte Neuberechnung

Nach Evaluierung aktueller Herstellerangaben und Praxiserfahrungen erfolgt eine Korrektur der Materialausnutzungsrate auf 85-90% (nicht 95-98% wie zuvor angenommen).

Die Hauptgründe für diesen realistischeren Wert:

1. Thermischer Abbau des Pulvers in der Baukammer

2. Partikelagglomeration bei wiederholter Wärmebelastung

3. Notwendigkeit, 50-60% Neupulver für optimale Teilequalität beizumischen

Bei einer typischen SLS-Produktion mit einer Baufüllmenge von 10 kg entstehen:

• Verbautes Material: 2,5 kg

• Wiederverwendbares Material: 6,75 kg (90% des nicht verbauten Materials)

• Materialverlust: 0,75 kg

Wirtschaftliche Materialstrategie

Mit einem Kilogrammpreis von 50€ für Nylon 12-Pulver ergibt sich folgende Kostenstruktur:

• Kosten pro kg produzierter Teile bei 90% Recyclingrate: 21,67€

• Kosten pro kg produzierter Teile ohne Recycling: 200€

• Jährliche Materialkosten bei 3.120 kg verbauter Masse: 67.600€

Durch Implementierung eines geschlossenen Pulverkreislaufs mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit <2% lässt sich die Wiederverwendungsrate auf 92% steigern, was zu jährlichen Einsparungen von 4.320€ führt.

 

Pünktliche Lieferquote

Definitorische Abgrenzung

Der Anteil termingerecht ausgelieferter Aufträge an der Gesamtzahl der Aufträge bestimmt maßgeblich die Kundenzufriedenheit und beeinflusst Folgeaufträge.

Validierte Liefertreue

Nach sorgfältiger Analyse der technologischen Rahmenbedingungen und branchenspezifischer Benchmarks ergibt sich eine pünktliche Lieferquote von 95-97% (leicht unter der ursprünglichen Annahme von 98-99%).

Die Hauptursachen für Lieferverzögerungen:

1. Materialengpässe (Nylon 12-Pulververfügbarkeit): 45% aller Verzögerungen

2. Ungeplante Maschinenausfälle (Laser/Galvanometer): 30% aller Verzögerungen

3. Kapazitätsengpässe bei Nachbearbeitung: 25% aller Verzögerungen

Strategische Optimierungsmöglichkeiten

Durch Integration eines digitalen Produktionsplanungssystems lässt sich die Liefertreue auf >98% steigern.

Schlüsselkomponenten hierbei:

1. Automatisiertes Materialmanagement mit Mindestbestandsalarmen

2. Kapazitätssimulation mittels digitalem Zwilling der Produktion

3. Dynamische Auftragsfreigabe basierend auf Echtzeitkapazität

Die Implementierung eines solchen Systems (Kosten ca. 75.000€) amortisiert sich durch Reduktion von Expresstransporten und Vertragsstrafen innerhalb von 24-30 Monaten.

 

First-Time-Quality-Rate

Qualitätswirksame Erfolgsmessung

Die First-Time-Quality-Rate (FTQ) quantifiziert den Anteil von Bauteilen, die ohne Nacharbeit den Qualitätsanforderungen entsprechen. Sie ist ein kritischer Indikator für die Prozessstabilität und beeinflusst direkt die Durchlaufzeit.

Evidenzbasierte Neubewertung

Die validierte FTQ-Rate für SLS-Systeme im industriellen Maschinenbau liegt bei 98-99% (Bestätigung der ursprünglichen Annahme).

Diese hohe Qualitätsrate basiert auf:

• Präziser Laserkontrolle (Positioniergenauigkeit <50μm)

• Konstanter Schichthöhe (110μm ±5μm)

• Homogener Temperaturverteilung in der Baukammer (±1,5°C)

Bei 12.480 Jahresteilen bedeutet dies 125-250 Teile, die Nacharbeit erfordern.

Mit durchschnittlichen Nacharbeitskosten von 12€/Teil entstehen jährliche Kosten von 1.500-3.000€.

Kosten-Nutzen-Analyse von Qualitätsverbesserungen

Eine Erhöhung der FTQ-Rate um 0,5 Prozentpunkte durch Inline-Qualitätsüberwachung ergibt folgende wirtschaftliche Effekte:

• Investition in Wärmebildkamera: 22.000€

• Jährliche Kostenersparnis: 62 Teile × 12€ = 744€

• Amortisationszeit: 29,6 Monate

Obwohl die reine Amortisationszeit lang erscheint, rechtfertigen indirekte Effekte wie gesteigerte Kundenzufriedenheit und reduzierte Lieferzeiten diese Investition.

 

Synthese und strategische Handlungsempfehlungen

Die validierte Analyse von zehn zentralen Key Performance Indikatoren (KPIs) für SLS-3D-Drucker im mittelständischen Maschinenbau zeigt:

Die Technologie bietet außergewöhnliches Potenzial für Kostenreduktion, Flexibilitätssteigerung und Qualitätsverbesserung – jedoch nur bei strategischer Implementierung und kontinuierlicher Optimierung.

Wirtschaftliche Schlüsselerkenntnisse

1. Die schnelle Amortisationszeit von 1,8 Monaten rechtfertigt die Investition von 300.000€ selbst unter konservativen Annahmen.

2. Die OEE von 66,8% zeigt deutliches Optimierungspotenzial – jeder Prozentpunkt Steigerung generiert ca. 240.000€ Jahresersparnis.

3. Der extrem niedrige Energieverbrauch von 0,15 kWh/Teil bietet ökologische und ökonomische Wettbewerbsvorteile.

Implementierungs-Empfehlungen

Zur nachhaltigen Optimierung der SLS-Fertigung empfiehlt sich ein dreistufiger Ansatz:

Phase 1: Technologische Basis (0-6 Monate)

• Implementierung eines IoT-basierten OEE-Monitoring-Systems

• Automatisierung der Materialverwaltung mit RFID-basiertem Pulververfolgungssystem

• Schulung von Schlüsselpersonal zu zertifizierten SLS-Spezialisten

Phase 2: Prozessoptimierung (7-18 Monate)

• Integration eines digitalen Zwillings zur Kapazitätsplanung und Durchlaufzeitprognose

• Einführung von Predictive Maintenance für Lasermodule und Heizsysteme

• Implementierung von KI-basierten Packstrategien für maximale Baukammerauslastung

Phase 3: Systemintegration (19-36 Monate)

• Vollständige ERP-Integration der SLS-Produktionsdaten

• Aufbau eines geschlossenen Materialkreislaufs mit klimatisierter Pulverlagerung

• Entwicklung kundenspezifischer Dashboards für Echtzeit-Fertigungsüberwachung

 

Fazit zur Analyse von wichtigen KPIs für SLS-3D-Drucker

Durch konsequente Umsetzung dieser Maßnahmen kann das Unternehmen seine OEE auf 80-85% steigern, die pünktliche Lieferquote auf >98% erhöhen und die Materialausnutzungsrate auf 92% verbessern – ein Wettbewerbsvorsprung, der langfristige Marktvorteile sichert.

Die SLS-Technologie erweist sich somit nicht nur als wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Fertigung, sondern als strategischer Gamechanger für mittelständische Maschinenbauer im zunehmend digitalisierten und individualisierten Produktionsumfeld.