3-D-Druckverfahren durchdringen verstärkt die Industrie

Innovationen in der additiven Fertigung

von Dr.-Ing. Erik Marquardt

Die additive Fertigung (Additive Manufacturing – AM) wird erwachsen. Sie hat in den letzten Jahren rasante Fortschritte gemacht und hält immer mehr Einzug in Unternehmen. Die Weiterentwicklungen sorgen dafür, dass mit 3-D-Druck hergestellte Teile bereits von der Forschungs- und Entwicklungsphase in die Produktion überführt werden. Die Industrie hat die riesigen Potenziale der 3-D-Druckverfahren erkannt und nutzt verstärkt die Möglichkeit, AM für Fertigungsmittel, Montagetools, Ersatzteile und Serienprodukte einzusetzen. Vor allem finden im 3-D-Druck hergestellte Teile Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen, im Medizin- sowie im Energiesektor. Unternehmen sind durch additive Fertigung nicht nur flexibler in ihrer Produktion, sie können auch Kosten sparen, den Materialeinsatz reduzieren und Ressourcen schonen.

Regelwerk gibt KMUs Hilfestellungen

Auch wenn der Bedarf nach größeren Bauräumen, höherer Fertigungsgeschwindigkeit, besserem Prozessverständnis und niedrigeren Bauteilkosten nach wie vor hoch ist, hat es in den letzten Jahren enorme Fortschritte in der Anlagentechnik gegeben. Vor allem Start-ups und KMUs bieten mit entsprechenden Dienstleistungen die Möglichkeit, dass nicht nur Großunternehmen und Konzerne mit hohen Investitionsbudgets professionelle AM-Maschinen (wie zum Beispiel für die Metallverarbeitung) nutzen können. Ihnen geht es darum, dass auch kleine und mittelständische Unternehmen Pilotprojekte mit AM realisieren können, ohne dass sofort neues Personal eingestellt oder in Anlagen investiert werden muss.

„Die additive Fertigung bietet für die Produktionstechnik unbestritten
ein enormes Potenzial für die Zukunft.“

Dr.-Ing. Erik Marquardt

Ein umfangreiches technisches Regelwerk zu AM hilft, die bekannten Qualitäts- und Sicherheitsstandards der industriellen Produktion auch mit additiver Fertigung sicherzustellen. Neben Konstruktionsempfehlungen, Materialdaten, Hinweisen zur Materialprüfung und zur Anwendersicherheit behandeln die VDI-Richtlinien mittlerweile sogar rechtliche Aspekte der additiven Prozesskette bei der Zusammenarbeit mit Dienstleistern (www.vdi.de/3405).

Neue Verfahren zur additiven Fertigung

Die additive Fertigung bietet für die Produktionstechnik unbestritten ein enormes Potenzial für die Zukunft. Die Anzahl der installierten additiven Fertigungssysteme ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Dabei wird unterschieden zwischen:

• additiven Fertigungsanlagen, die vorrangig für den privaten Gebrauch oder für die Herstellung von Prototypen oder Montagehilfsmitteln konzipiert wurden (häufig als „Fabber“ oder „3-D-Drucker“ bezeichnet). Die Kosten hierfür liegen meist deutlich unter 10 000 Euro.
• additiven Fertigungsanlagen, die für den Einsatz als Produktionsmittel vorgesehen sind.

Die erreichbaren Qualitätsunterschiede zwischen diesen beiden Gruppen sind erwartungsgemäß erheblich.

Mit neuen Fertigungskonzepten sind beispielsweise Multimateriallösungen (Kunststoff–Kunststoff, Kunststoff–Metall, Metall–Metall, Keramik–Metall) oder eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit möglich.

Neue Materialentwicklung

Die Mehrzahl der heute mit additiven Fertigungsverfahren verarbeiteten Werkstoffe wurde ursprünglich für die Verarbeitung durch konventionelle Fertigungsverfahren entwickelt, z. B. Guss- oder Umformverfahren. Je nach Verfestigungsprinzip des additiven Fertigungsverfahrens erfahren die verarbeiteten Werkstoffe grundverschiedene Temperaturzyklen während des Fertigungsprozesses. Diese Verfahrenscharakteristika führen zu einer signifikanten Beeinflussung der entstehenden Mikrostruktur und somit der resultierenden mechanisch-technologischen Bauteileigenschaften.

Für den Fall des pulverbettbasierten Laser- oder Elektronen-Strahlschmelzens von metallischen Werkstoffen führt das schichtweise zyklische und selektive Aufschmelzen von metallischem Pulvermaterial zu steilen Temperaturgradienten während der Verarbeitung. Diese Prozessrandbedingung führt bei konventionellen Metalllegierungen häufig zu unerwünschten Eigenschaften und Effekten, wie beispielsweise der Ausprägung tendenziell hoher Eigenspannungen und anisotroper Werkstoffeigenschaften.

Durch Materialkonzepte, die an die Prozessrandbedingungen der additiven Fertigungsverfahren angepasst sind, lassen sich diese unerwünschten Effekte nicht nur reduzieren. Es ist auch möglich, durch den Prozess gezielt bestimmte, gewünschte Werkstoffeigenschaften zu entfalten sowie neuartige Werkstoffe herzustellen oder zu verarbeiten. So ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung und Verarbeitung von Metalllegierungen, deren Verwendung bisher nicht praktikabel war.

Durch das schnelle Aufheizen und Abkühlen beim pulverbettbasierten Laser-Strahlschmelzen entstehen völlig neue Gefügestrukturen. Im Bereich der Hartmetalllegierungen wurden bereits eindrucksvolle Erfolge erzielt. Dabei stehen die Entwicklung neuer Legierungen und die gezielte Nutzung der kurzen Aufschmelz- und Abkühlphasen zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften erst am Anfang.

„Wenn Bauteile so konstruiert werden, dass sie die Potenziale der additiven Fertigung voll ausschöpfen, dann ist die Fertigung mit anderen Verfahren nicht mehr möglich. Daher braucht es eine Automatisierung der Prozesskette.“

Softwaretools als Innovationstreiber

Neben den Materialentwicklungen zählen auch neue Softwaretools zu den Innovationstreibern von additiver Fertigung: Den Gestaltungsmöglichkeiten additiv hergestellter Bauteile sind bezüglich Fertigbarkeit und Komplexität wenig Grenzen gesetzt. Durch die mögliche Anzahl an Variationen entsteht jedoch eine Herausforderung für Konstrukteure und Entwickler, denn herkömmliche 3-D-CAD-Systeme bieten hier kaum Hilfestellungen. Der zeitliche Aufwand für die Realisierung der einzelnen Konstruktionen ist hierbei ein kritischer Faktor.

Herkömmliche Entwicklungsprozesse sind bisweilen sehr kosten- und zeitintensiv. Gewöhnlich benötigen sie mehrere Schleifen vom Konstruieren über die digitale Validierung bis hin zum realen Test, mit dessen Ergebnissen die Konstruktion anschließend überarbeitet wird. Neue Software-Tools unterstützen AM-gerechtes Design von Bauteilen und minimieren die Anzahl der Iterationsschleifen. Im Idealfall kommt direkt das optimale Bauteil aus der AM-Maschine. Mit Blick auf die Produktion von „Stückzahl 1“ ist das ein besonders wichtiges Ziel. Denn wenn es von einem Einzelstück nicht brauchbare Vorgänger gibt, ist das weder kosten- noch ressourceneffizient.

Neue Software- und Simulationstools unterstützen die Entwickler an vielen Stellen der digitalen Prozesskette. Dazu zählen:

• Lösungen für die Aufbereitung von 3-D-Scans für die additive Fertigung
• Simulationssoftware für die additive Fertigung (Verzugskompensation, Eigenspannungsanalyse etc.)
• Identifikation von Bauteilen mit AM-Potenzial
• Design-Tools für AM-Bauteile
• Software zur Prozess- und Qualitätsoptimierung in der AM-Maschine
• Tools zur Vorbereitung des eigentlichen Fertigungsprozesses (Slicing, Erzeugung der Stützkonstruktionen, 2-D-/3-D-Nesting)
• Simulationstools für Prozessschritte nach der eigentlichen additiven Fertigung
• Berechnung der Schwingfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit

Automatisierung der Prozesskette

Damit die Industrie additive Fertigungsverfahren stärker nutzen kann, gibt es einen weiteren wichtigen Schritt: Die AM-Maschinen stehen nicht mehr nur in den Entwicklungsabteilungen, sondern vermehrt auch in den Fertigungshallen. Wenn Bauteile so konstruiert werden, dass sie die Potenziale der additiven Fertigung voll ausschöpfen, dann ist die Fertigung mit anderen Verfahren nicht mehr möglich. Daher braucht es eine Automatisierung der Prozesskette. Beispielsweise können AM-Maschinen über eine Schnittstelle an ein „Manufacturing Execution System“ (MES) oder Scada-System angebunden und in IT-vernetzten Fertigungslinien eingesetzt werden. So können nicht nur Fertigungs- und Qualitätsdaten erfasst und ausgewertet werden. Die AM-Maschine kann so beispielsweise auch mit einem Roboter zur Bauteilentnahme kooperieren. //

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