Additive Fertigungsverfahren – 3D-Druck revolutioniert den Maschinenbau

October 2, 2015

 

Ein Blick durch die Fachmessen-Kalender zeigt es sofort: Industrielle 3D-Druck-Anlagen sind ein großes Thema. Ob „Fakuma“, „Formnext“ oder  die „Euromold“, alle Fachmessen widmen sich dieser „Game-Changing“-Technologie, die augenblicklich an der Schwelle zum Standardproduktionsverfahren für komplexe Produktionsaufgaben steht.

 

Aber nationale und internationale Standards und Normen für den 3D-Druck, wie auch einheitliche Maschinen-Richtlinien, müssen noch geschaffen werden, damit die oftmals schwankenden Qualitäten der Vergangenheit angehören. Auch der Produkt- und Kopierschutz wartet noch auf die adäquate Regelung für den Serieneinsatz.

 

Anders als herkömmliche Fertigungsverfahren kommt „Additive Manufacturing“(AM) ohne Werkzeug aus. Während bei 2D Druck Pixel an Pixel aufs Papier gedruckt wird, sind es in den drei Dimensionen Voxel an Voxel. Schicht für Schicht bauen Laseranlagen die Bauteile aus Metallpulver oder aus Kunststoffen auf. Damit können Kanäle oder Hohlräume fast nach Belieben in Werkstücke integriert bzw. unbeabsichtigten Hohlräume wie bei Gußverfahren vermieden werden. Die Zahl der Einzelteile und damit der Montageaufwand können deutlich reduziert werden. Vor allem aber birgt die additive Fertigung neue Potentiale für Leichtbau und Funktionsintegration. Es lassen sich nun Geometrien realisieren, die bisher nicht oder nur mit höchstem Aufwand zu fertigen waren. Weil zudem der Werkzeug- und Formenbau entfällt, ist die Fertigung von Einzelstücken und Kleinstserien bereits wirtschaftlich.

Klar ist inzwischen: Die additive Fertigung wird die industrielle Wertschöpfung insbesondere bei Metall komplett verändern. Es gilt also nicht den Anschluss zu verpassen. Additive Fertigungsverfahren drängen immer stärker in die industrielle Fertigung. Maschinen- und Anlagenbauer, Hersteller von Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik-Unternehmen, Energieanlagenbauer und die Automobilindustrie setzen schon heute auf die junge Technologie, um Bauteile mit vollkommen neuen Gestaltungsfreiräumen direkt aus digitalen Konstruktionsdaten heraus zu fertigen, statt in traditioneller Weise z.B. aus Metallblöcken auszufräsen.

 

"Es ist bereits entschieden, dass Airbus künftig zehn Prozent seiner Bau- und Ersatzteile selbst herstellen will", sagt der frühere Hamburger Leiter der A380-Produktion Peter Sander, laut Pressemeldungen im August. Airbus hat dafür eigene 3D-Drucker gekauft und will weitere erwerben. "2016 beginnen wir damit dann mit der Serienproduktion von Bauteilen aus Titan, Mitte 2016 aus Edelstahl und ab 2017 aus Aluminium." Die Entscheidung kam nach kostspieligen Tests und Zulassungsverfahren, die manch ein Wettbewerber noch scheut.

 

In den USA wurde das innovative Potenzial der 3D-Druck-Verfahren bereits frühzeitig erkannt. Bereits vor 30 Jahren wurde in der Sendung „Good Morning America“ über diese revolutionäre Technik berichtet. Dort etablierten sich Unternehmen, die inzwischen über die meisten Patente zu diesen Verfahren verfügen, und dort sind heute rund 40 % der weltweit installierten 3D-Drucker aufgestellt – in Japan und Deutschland jeweils 10 %. Aber von einer großindustriellen Plug&Play-Lösung ist man hier wie dort noch entfernt.

 

Additive Manufacturing findet sich auf allen gängigen „Hype-Cycle-Kurven“ - und zwar in allen Phasen. Dieser Graph trägt die Erwartungen an die Technik gegen die Zeit auf. Dabei geht es meistens langsam los, dann kommt es oft zu einem heftigen Anstieg mit überzogenen Erwartungen, und darauf folgt üblicherweise eine Zeit der tiefen Enttäuschung, bis die Erwartung schließlich wieder in die Realität angelangt. Letzteres gilt sicherlich für den Kunststoff-3D-Druck für private Konsumenten, während der Einsatz für den Maschinenbau oftmals im Erwartungstop verortet wird.

 

Tatsächlich ist der 3D-Druck in vieler Hinsicht anders als alles, was man bisher kannte. Die Erwartungen sind entsprechend! Sinkt bei klassischen Verfahren mit den Stückzahlen der Preis pro Stück, ist dies bei additiven Verfahren nicht so. Dies eröffnet Potenziale in der Fertigung von (anspruchsvollen) Kleinserien oder individuellen Produkten etwa in der Medizintechnik (z.B. Prothetik). Auch der Gesichtspunkt der Komplexität stellt sich anders als bisher dar. Durch die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien werden Formen zugänglich, die bisher nicht hergestellt werden konnten. Die Kombination von Laserleistung und Pulver/Granulat erzeugt neue Materialeigenschaften. Bisher galt Leichtbau als teuer, weil er komplizierter und aufwendiger ist; in der additiven Fertigung durch 3D-Druck ist der Leichtbau systembedingt günstiger. Auch die Elektrotechnik hat Erwartungen an das dreidimensionale Druckverfahren. Bei elektronischen Komponenten ist mit weiterer Miniaturisierung zu rechnen. Voxel für Voxel könnten künftig dreidimensionale Strukturen „gedruckt“ werden, die leitende Elemente zum Design von Schaltkreisen enthalten.

 

Nach einer Übersicht des US-Experten Terry Wohlers hatte der 3D-Druck in den vergangenen drei Jahren einen Marktzuwachs von weltweit über 30 %. Vor allem China und die USA geben bei der Entwicklung Vollgas, hört man. Deutschland hält zumindest mit.

 

Mit Hochdruck werden neue Anlagenkonzepte für das Selective Laser Melting (SLM) entwickelt. Sie sollen den 3D-Druck beschleunigen und kostengünstiger als bisherige Anlagen Serienbauteile additiv fertigen. Anwender fordern eine höhere Produktivität durch höhere Aufbauraten sowie gesteigerte Flexibilität hinsichtlich der verfügbaren Bauräume. Weiterhin sind eine robuste Prozessführung mit reproduzierbarer Bauteilqualität sowie Möglichkeiten zur Prozessüberwachung von essenzieller Bedeutung für die industrielle Serienfertigung.

 

Zur Steigerung von Produktivität und Bauraumgröße werden derzeit mehrere Ansätze verfolgt. Der aktuelle Weg vieler Unternehmen führt über höherer Laserleistung und Verwendung mehrerer parallel arbeitender Strahlquellen und Scannersysteme. Alternativ wird an „Multispot-Bearbeitungs-Konzepten“ gearbeitet, die systembedingt deutlich höhere Freiheiten der Skalierung  und Prozessüberwachung bieten. Beides Kernbedingungen für die angestrebte Industrietauglichkeit und Voraussetzung, damit nicht tiefe Enttäuschung die aktuellen Euphorie ablöst, bevor die weiter Entwicklung dann die Performance der Systeme weiter verbessert bzw. die Investitionskosten für die Anlagen soweit gesenkt werden, dass der Masseneinsatz in der „Digital Factory“ der Zukunft Sinn macht.

 

Gelegenheiten für neue Einblicke in die 3D Welt geben die „Euromold“ (22. bis 25.09.15) in Düsseldorf und die neue Fachmesse „Formnext“ (17. bis 20.11.15) in Frankfurt. Am Rhein wird insbesondere das Zusammenspiel zwischen Software und 3D-Druckern thematisieren werden. Am Main wird die Messe-Premiere, die alle bedeutenden Branchenteilnehmer (z.B. ARCAM, Concept Laser, EOS, 3D Laser, FIT, Materialize, Realizer, SISMA, Stratasys, SLM Solutions, Sandvik, Voxeljet etc.) zusammenführt und mit einer großen Sonderschau von Audi Werkzeugbau einen Ausblick in die Zukunft der Automobilproduktion gewähren.

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