Leichtbau per Laser

Der Seminareinladung zum 17. Augsburger Seminar für additive Fertigung der Institutsleiter Gunther Reinhart und Michael Zäh folgten etwa 90 interessierte Zuhörer aus der Industrie nach Augsburg in das MAN-Museum.

Michael Zäh vom iwb, Technische Universität München, beleuchtete in seinem Initialbeitrag den Status Quo der additiven Fertigungsverfahren und dessen Wirtschaftlichkeit durch funktionsintegrierten Leichtbau. „Es ist wichtig, Potenziale der additiven Fertigung zu erkennen und bestmöglich auszunutzen. Notwendig ist auch, in der Konstruktion neu zu lernen und umzudenken“, so seine Überzeugung. Dabei ist die ganzheitliche Bewertung der Wirtschaftlichkeit entlang des Produktlebenszyklus zielführend. Einen Bedarf sieht Zäh an stringenten Softwarelösungen und stärkerer Einbindung von Simulationssystemen zur zufriedenstellenden Prozessauslegung ohne Testfertigungen.

Kosten einsparen
Thomas Uihlein, MTU Aero Engines GmbH, beschrieb die Potenziale additiver Fertigung im Triebwerksbau und die notwendigen Voraussetzungen: „Besonders wichtig ist hier die Frage, was kann additiv gefertigt werden und welche Kosten können eingespart werden?“ Im Vergleich zu heutigen Ur- und Umformverfahren, die zumeist einen hohen Invest und lange Lieferzeiten haben, sind additive Anlagen kostengünstiger, und Bauteillieferzeiten betragen nur Tage bis wenige Monate. Großes Potenzial weist seiner Ansicht nach die Thematik Design auf, da ein belastungsabhängiges Generieren von Gitterstrukturen etwa Festigkeitseigenschaften erhöhen kann. Uihlein: „Voraussetzung für niedrige Herstellungskosten ist ein Minimum an Nachbearbeitung und stabile Fertigungsprozesse, die durch Simulationen abgesichert werden.“ Auch Zulassungsvoraussetzungen spielen eine große Rolle.

Das sagt die Redaktion

Innovationstreiber Lasersintern
Während es bei der konventionellen Fertigung einen Jahrtausende umfassenden Erfahrungsschatz gibt, wirken die knapp 25 Jahre bei additiven Verfahren eher bescheiden. Dennoch sind die Fertigungsmöglichkeiten bei Schichtaufbauverfahren überaus umfangreich und ermöglichen Prozesse, die aus heutiger konventioneller spanabtragender Sicht undenkbar sind. Das Potenzial erschrickt manch langjährigen Konstrukteur, bietet aber als Ergänzung zum Zerspanen einen enormen Mehrwert. Dem iwb Anwenderzentrum Augsburg gelang es erneut, neue und interessante Fertigungsmethoden und Anwendungsmöglichkeiten vorzustellen, die auf berechtigtes Interesse stießen, wie auch die hohe Anzahl der Besucher veranschaulichte. Die Tendenz ist deutlich erkennbar: Unternehmer und Produktionsverantwortliche blicken vermehrt über den Tellerrand der klassischen Konstruktionsmethoden und beschreiten mutig neue und innovative Wege, die Fertigung, wie es sie heute gibt, zu revolutionieren.
Martin Droysen

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Rund 90 Gäste aus der Industrie folgten der Einladung vom Institutsleiter Michael Zäh zum 17. Augsburger Seminar für additive Fertigung.
Bilder: werkzeug&formenbau

 

Anhand einer Leichtbaustudie für die Luftfahrtindustrie beschrieb Claus Emmelmann vom iLAS der Technischen Universität Hamburg-Harburg neue Ansätze in der additiven Fertigung mit metallischem Pulver wie etwa TiAl6V4, die sich Anleihen aus der Bionik nehmen. „Dadurch werden neuartige Produktfunktionalitäten ermöglicht, und die Kombination von additiver Fertigung, Strukturoptimierung und Bionik kann neues Leichtbaupotenzial erschließen helfen“, stellt er fest. Den Konstrukteuren stellen sich zwar vielfältige Herausforderungen, das Potenzial ist aber auf mannigfaltige Branchen übertragbar.

„Lasersintern ist zwar eine junge Technologie, aber mit großen Innova­tionsschritten“, skizzierte Thorsten Herbert von Concept Laser und stellte eine Reihe von leistungsfähigen additiven Anlagen vor, die bereits Aluminiumbauteile wirtschaftlich herstellen. Neue Hochleistungslaser sollen die Produktivität weiter steigern.

Dass Zerspanen und Lasersintern zusammengehören, verdeutlichte Matthias Schneider von Mapal: „Per additivem Verfahren reduzierten wir das Gewicht eines Werkzeuges zum Außenreiben und erzielten so bessere Reibergebnisse. Die Problematik war, dass mit Standardwerkzeugen aus Stahl oder Titan die Bauteile bis zu 6 μm konisch wurden.“ Nach einer Belastungsanalyse entstand eine optimierte Geometrie, die 54 Prozent an Gewicht einspart und neue Wege der Werkzeugkonstruktion aufzeigt. „Obschon vorerst nicht von einer Kostenersparnis ausgegangen werden darf“, ist sich Schneider sicher, dass „additives Fertigen großes Potenzial bei der Gewichtsoptimierung von Werkzeuggrundkörpern hat.“

Maximilian Meixlsperger von der BMW Group beschrieb den aktuellen Stand der Technologie im Automobilbau und welche Leichtbaupotenziale dort in der Serienfertigung noch erschlossen werden können. „Kostendeckend bei Serienteilen ist SLM derzeit noch nicht. Doch die Maßhaltigkeit ist besser als mit ersten Gußteilen“, erläuterte er die kurzfristigen Ziele. Alexander Oster von netfabb dozierte über die Form und Funktion selektiver Raumstrukturen: „Mittels digitaler Materia­lien lassen sich in der Makrostruktur verschiedene Eigenschaften erzeugen. Geometrie ersetzt so Materialvielfalt.“

Trends µ-genau

Fokus Fertigungstechnik beim iwb
Die Forschungsarbeiten im Bereich der Fertigungstechnik konzentrieren sich sowohl auf die Entwicklung neuer Technologien wie beispielsweise die generative Fertigung mittels Elektronen- und Laserstrahls oder die aktivierte Polymerisation im 3D-Kunststoffdruckprozess als auch auf die Optimierung bestehender Fertigungsverfahren etwa durch Simulationsansätze. Ein weiterer Fokus liegt auf der Verarbeitung von Multimaterialien bei der generativen Fertigung, wodurch in einem hybriden Bauprozess sowohl das Bauteil als auch eine Bauteilbeschichtung parallel hergestellt werden können. Durch die gesamte Analyse von Prozessketten wird weitergehend an simulativen Ansätzen gearbeitet, um entlang der Produktentstehung sowohl Qualität als auch Kosten zu optimieren. Aber auch unkonventionelle Ansätze wie ein wiederverwendbares, formflexibles Werkzeug für das Spritzgießen zeigen den Innovations-Charakter des Geschäftsfelds und die Bereitschaft, neue vielversprechende Wege in der Fertigungstechnik zu gehen.

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Johannes Schilp, Geschäftsführer iwb Augsburg, begrüßte die Teilnehmer zum Seminar, das unter dem Thema Funktionsintegration und Leichtbau stand.

Standards bei additiver Fertigung
Steffen Beyer, EADS Astrium GmbH, beleuchtete additive Verfahren bei Raketentriebwerkskomponenten unter wirtschaftlichen Aspekten, und Olaf Rehme, Siemens, spezifizierte zur Standardisierungen der additiven Fertigung: „Neben den hohen Anforderungen aus der Raumfahrt spielen auch Werkstoffe sowie Konstruktionsrichtlinien und Zulassungsbestimmungen eine Rolle.

Andreas Wegner und Gerd Witt der Universität Duisburg-Essen beschrieben die Prozessbeherrschung als Grundlage für eine Funktionsintegration in additiv gefertigten Kunststoffbauteilen. „Die Bruchdehnung ist dabei die sensibelste Prozessgröße, wenn Teile per Lasersintern hergestellt werden“, erläuterte Wegner und Witt ergänzte: „Die Prozessführung und Anlagentechnik muss weiter optimiert werden, für reproduzierbare Bauteileigenschaften.“

„Der Fokus beim Lasersintern von Kunststoff liegt auf der Datenaufbereitung, der Fehlerdetektion und der Qualitätssicherung“, referierte Florian Pfefferkorn von EOS über aktuelle Möglichkeiten und zukünftige Erwartungen an Lasersinter-Anlagen zu funktionsintegrierten Kunststoffbauteilen. Parametersätze für die EOS-Maschinen sollen eine standardisierte Produktion in verschiedenen Qualitäten ermöglichen.

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Das MAN-Museum in Augsburg bot die passende Kulisse für das Seminar mit Sessions für metallische und nichtmetallische Werkstoffe.

Wirtschaftlich bei kleinen Losen
Kritisch beschrieb Klaus Müller-Lohmeier, Leiter Advanced Prototyping Technology bei Festo, Vor- und Nachteile beim industriellen Einsatz des Kunststoff-Lasersinterns: „Der Weg vom Rapid Prototyping hin zum adaptiven Direct Manufactoring eröffnet neuen Konzepten die wirtschaftliche, rasche Herstellung in kleineren Losgrößen.“ In mehreren Anwendungen mit Losgrößen um 500 Stück funktioniert das bereits, wie bei den adaptiven Greiferlösungen von Festo. „Diese eröffnen zwar eine Vielfalt an Möglichkeiten, es gibt aber auch Stolpersteine und offene Fragen beim Lasersintern“, so Müller-Lohmeier. Dazu zählen die Reproduzierbarkeit hochbeanspruchter SLS-Funktionsteilen in gleicher Qualität auch auf verschiedenen Maschinen, die Kontrolle des Kunststoffpulvers und der Aufbereitung und dem Recycling desselben.

Über das Potenzial der Funktionsintegration mittels additiver Fertigung für den Sondermaschinenbau aus der Sicht eines Dienstleisters berichtete Hannes Kuhn der Kuhn-Stoff Schichtbautechnologie: „Es gilt, Teile aus dem Pool herauszufiltern, die heute optimal per Lasersintern gefertigt werden können.“ Schichtbautechnologie sieht er als ergänzendes Fertigungsverfahren, und nur durch den Einsatz aller möglichen Verfahren ergibt das einen Know-how-Vorsprung für den Anwender.

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Das Seminar zur additiven Fertigung findet jährlich statt und bietet den Wissenstransfer zwischen
Forschung und Industrie.

Hochpräzise und reproduzierbar
„Kosten und Gewicht können auch beim pulverbasierten 3D-Drucken mit Objektintegration eingespart werden“, erläutert Johannes Glasschröder vom ivw und zeigte, wie sich elektrische Schaltungen in Kunststoffbauteilen während des Fertigungsprozesses einfügen lassen. Johannes Patzer von Lithoz beschrieb neue Möglichkeiten für additiv gefertigte Hochleistungskeramiken: „Per LCM-Technologie können hochpräzise, reproduzierbare Teile mit denselben Materialeigenschaften wie bei herkömmlicher Fertigung gebaut werden. Allerdings mit vielfältigen Möglichkeiten in Design und Funktionalität.“

Den Abschluss bildeten die innovativen bionischen Fingergreifer von Röhm. „Unsere Kunststoffgreifer RRMP werden bereits eingesetzt und zeigen die Vorteile additiver Fertigung durch Gewichtsreduzierung, wenigen Einzelteilen und minimalem Wartungsaufwand.“ Es gibt aber auch Vorbehalte gegenüber der neuen Technologie, die es gilt abzubauen, wie er betont.