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Schicht für Schicht

Additive Manufacturing – also 3D-Druck – spielt in der industriellen Fertigung eine besondere Rolle.

Bild oben: Audi Werkzeugbau hat mit 3D-Druckern das Modell des Grand-Prix-Sportwagens Auto Union Typ C aus dem Jahr 1936 im Maßstab 1:2 hergestellt (Foto: Audi AG)
Addi­tive Fer­ti­gungsver­fahren drän­gen im­mer stärk­er in die in­dus­trielle Fer­ti­gung. Maschi­nen- und An­la­gen­bauer, Her­steller von Luft- und Raum­fahrt­tech­nik, Mediz­in­tech­nik-Un­terneh­men, En­ergiean­la­gen­bauer und die Au­to­mo­bilin­dus­trie setzen auf die junge Tech­nolo­gie, um Bauteile mit vol­lkom­men neuen Ges­tal­tungs­freiräu­men di­rekt aus dig­i­tal­en Kon­struk­tions­dat­en her­aus zu ferti­gen. Doch was ge­nau sind ad­di­tive Fer­ti­gungsver­fahren und wo wer­den sie heute bere­its bzw. in der Zukunft einge­set­zt?

Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing

Audi Werkzeugbau hat mit 3D-Druckern das Modell des Grand-Prix-Sportwagens Auto Union Typ C aus dem Jahr 1936 im Maßstab 1:2 hergestellt (Foto: Audi AG)
Au­di Werkzeug­bau hat mit 3D-Druck­ern das Mod­ell des Grand-Prix-Sport­wa­gens Au­to Union Typ C aus dem Jahr 1936 im Maßstab 1:2 hergestellt (Fo­to: Au­di AG)

Un­ter dem Be­griff Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing wer­den alle Her­stel­lver­fahren zusam­menge­fasst, bei de­nen der Werk­stoff zur Erzeu­gung eines Bauteils schichtweise aufge­baut wird. Das gilt so­wohl für Kun­st­stoffe als auch für Me­t­alle oder so­gar Keramik. Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing ste­ht damit im Ge­gen­satz zu klas­sischen Fer­ti­gungsver­fahren wie Fräsen, Bohren oder Dre­hen – al­so Ver­fahren, bei de­nen Ma­te­rial abge­tra­gen wird – und kommt zu­dem vol­lkom­men ohne Werkzeug aus. Schicht für Schicht bauen Laser­an­la­gen die Bauteile aus Kun­st­stof­fkom­po­nen­ten oder Me­t­allpul­ver auf. „Mit Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing kön­nen Kanäle oder an­dere Ges­tal­tungs­merk­male fast nach Be­lieben in Werk­stücke in­te­gri­ert wer­den“, erk­lärt Rain­er Geb­hardt, Pro­jektleit­er der Ar­beits­ge­mein­schaft Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing im Ver­band Deutsch­er Maschi­nen- und An­la­gen­bau (VD­MA). Die Zahl der Einzel­teile und damit der Mon­tageaufwand kön­nen deut­lich re­duziert wer­den. „Vor allem aber birgt die ad­di­tive Fer­ti­gung neue Potenziale 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, wird die Fer­ti­gung von Einzel­stück­en und Klein­st­se­rien wirtschaftlich“, so Geb­hardt. Die Ar­beits­ge­mein­schaft Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing hat sich im Mai 2014 als of­fene Platt­form im VD­MA ge­grün­det, um über die junge Tech­nolo­gie aufzuk­lären, ak­tiv an der Weit­er­en­twick­lung der Prozesse mitzuwirken und VD­MA-Mit­glied­ern den Ein­stieg zu er­leichtern. Über 100 Un­terneh­men und Forschungsin­sti­tute haben sich bere­its angeschlossen. Der Ge­samt­markt an An­la­gen, Ma­te­rialien und Ser­vices des Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing be­trug laut VD­MA 2015 weltweit vi­er Mil­liar­den Eu­ro. Die jähr­lichen Wach­s­tum­s­rat­en lie­gen bei 25 Prozent, wobei führende An­la­gen­bauer ihre Um­sätze zulet­zt bin­nen zwölf Mo­nat­en ver­dop­peln kon­n­ten. Das Ange­bot an Ma­te­rialien, die Viel­falt der An­wen­dun­gen und die Bear­bei­tungs­gesch­windigkeit­en stei­gen stetig. Let­zteres auch, weil Mul­ti­las­er-An­la­gen in den Markt drän­gen. Die Sch­welle vom Rapid Pro­to­typ­ing, bei dem Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing zur Un­ter­stützung von Forschung und En­twick­lung einge­set­zt wird, hin zur ad­di­tiv­en Se­rien­fer­ti­gung ist in eini­gen Branchen bere­its er­reicht.

Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing im Flugzeug­bau

Rainer Gebhardt, Projektleiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA
Rain­er Geb­hardt, Pro­jektleit­er der Ar­beits­ge­mein­schaft Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing im VD­MA


Her­steller von Pas­sagier­flugzeu­gen setzen bere­its Dutzende ad­di­tiv ge­fertigte Se­rien­bauteile ein. Beispiel Bauteilre­duk­tion: Laut Jörg San­der, Ex­perte für Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing bei Air­bus De­fence and Space in Ulm, gibt es in der Luft- und Raum­fahrt mittler­weile di­verse Beispiele, bei de­nen es die ad­di­tive Fer­ti­gung er­möglicht, bish­er aus mehr als 100 Einzel­teilen mon­tierte Kom­po­nen­ten in einem Stück zu ferti­gen. Set­zt sich dies­er Trend fort, dann ent­fall­en Kon­struk­tion, Ausschrei­bung und Auf­tragsver­gabe, Fer­ti­gung in­k­lu­sive Werkzeug­bau, Qual­itäts­sicherung, Ab­nahme und Zer­ti­fizierung, Mon­tage sowie die Notwendigkeit, die Einzelkom­po­nen­ten als Er­satzteile vorzuhal­ten. Gleichzeitig führt die Bauteilre­duk­tion meist zu besseren Pro­duk­ten. Denn wo Ver­schraubun­gen und an­dere Verbin­dun­gen weg­fall­en, kön­nen Bau­raum und Gewicht op­ti­miert wer­den. Mit dem schichtweisen Auf­bau der Bauteile aus Me­t­all-, Kun­st­stoff- oder Keramikpul­vern wer­den bish­er nicht re­al­isier­bare Ge­ome­trien mach­bar, in die sich kon­tur­na­he Küh­lkanäle, gewicht­sre­duzierende Hohl­räume, sta­bil­isierende Waben­struk­turen und vie­les mehr in­te­gri­eren lassen. San­der fasst die Vorteile wie fol­gt zusam­men: Gewicht­sre­duk­tion um 50 Prozent und mehr, Verkürzung der Lie­ferzeit­en um bis zu 75 Prozent, enorme Re­duk­tion der Tran­s­portwege und Bauteilkosten sowie der Weg­fall fast der Hälfte der Prozessschritte von der Idee bis zum Se­rien­pro­dukt. „Wer jet­zt nicht mit­macht, ist in ein paar Jahren raus“, resümiert er.

Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing und Smart Fac­to­ry

Noch ist der Druckraum beim Additive Manufacturing begrenzt – aber die Möglichkeiten sind grenzenlos
Noch ist der Druck­raum beim Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing be­gren­zt – aber die Möglichkeit­en sind grenzen­los

Das sie­ht man beim Au­di-Werkzeug­bau ganz ähn­lich und testet derzeit auf dem Weg zur Smart Fac­to­ry neben in­tel­li­gen­ten Werkzeu­gen auch ei­nen neuarti­gen 3D-Me­t­all­druck­er. Der 3D-Druck­er fertigt im Laser­sch­melz-Ver­fahren Bauteile aus Me­t­all, die auf­grund kom­plex­er Ge­ome­trien, wie z.B. bei Küh­lkanälen, mit kon­ven­tionellen Ver­fahren kaum oder nicht her­stell­bar wären. Als Aus­gangs­ba­sis di­ent Me­t­allpul­ver mit ein­er Ko­rn­größe von 15 bis 40 Tausend­stelmil­lime­tern; dies ent­spricht der hal­ben Dicke eines men­sch­lichen Haars. Geeignet sind alle Ma­te­rialien, die sich sch­weißen lassen – Werkzeugs­tahl eben­so wie Alu­mini­um oder Ti­tan. Der Druck­er trägt das Pul­ver schichtweise auf, ehe ein CAD-ges­teuert­er Las­er es auf­sch­milzt und dabei die Kon­tur des gewün­scht­en Bauteils erzeugt. Ob Stutzen, Scharni­er oder Blechteil – bis zu ein­er Kan­ten­länge von 240 Mil­lime­tern und ein­er Höhe von 200 Mil­lime­tern sind prak­tisch alle For­men und Ob­jekte um­setzbar. Die ge­druck­ten Kom­po­nen­ten erzielen dabei die gleiche Festigkeit wie herkömm­lich hergestellte Bauteile. Bei den im Werkzeug­bau des In­gol­städter Au­di-Werks ver­wen­de­ten 3D-Me­t­all­druck­ern han­delt es sich um eine Pi­lo­tan­lage. Der Prozess ist in­k­lu­sive Pro­gram­mierung, Um­rüs­tung und Vor­bere­i­tung des Druck­ers noch sehr zeit­in­ten­siv. Mit­tel­fristig will Au­di ihn so verkürzen, dass er für die Her­stel­lung von Kleinse­rien-Bauteilen in­frage kommt.

3D-Druck rev­o­lu­tioniert Wertschöp­fungs­kette


Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing ist ein wichtiger Baustein der In­dus­trie 4.0. 3D-Druck­er er­möglichen mehr Spiel­raum bei der Kon­struk­tion. Sie machen bionische Struk­turen re­al­isier­bar, z.B. in Form von Bi­e­nen­waben. Dabei wer­den Bauteile sta­bil­er und leichter. Zu­dem spart Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing Ma­te­rial, da das über­schüs­sige Pul­ver wied­erver­wen­det wer­den kann. Be­son­ders der Me­t­all­druck ver­spricht für die Zukunft noch viel Potenzial. Gün­stige Pro­to­type­n­w­erkzeuge wären eben­so denk­bar wie in­di­vi­du­elle Kun­den­wün­sche in der Kleinserie, die vielleicht schon bald umzusetzen sind. So hat der Au­to­bauer Au­di bere­its in einem Ver­such ein Er­satzteil für den Au­di 80 Coupé ge­druckt und er­fol­greich einge­baut. Das neue Fer­ti­gungsver­fahren kön­nte auch den Leicht­bau weit­er vo­ran­brin­gen und let­ztlich die ge­samte Pro­duk­tions- bzw. Wertschöp­fungs­kette rev­o­lu­tionieren. Bis je­doch ganze Karosseri­eteile oder Großteile für In­dus­triean­la­gen mit bionischen Struk­turen im 3D-Druck­er ent­ste­hen, müssen diese Druck­er erst noch an Größe gewin­nen. Denn aktuell ist der Druck­raum beim Ad­di­tive Man­u­fac­tur­ing noch be­gren­zt – aber die Möglichkeit­en sind grenzen­los.
An­dré Sarin | re­dak­tion@­sued­west­falen-ma­n­ag­er.de

Ausgabe 04/2016