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3D-Revolution in der Nische

| Autor / Redakteur: Victoria Sonnenberg und Stéphane Itasse / Mag. Victoria Sonnenberg

Auch wenn die Fräsmaschinen nicht morgen aus den Fertigungs­hallen auf den Schrottplatz wandern, das Vordringen der additiven Fertigung ist omnipräsent. Dabei zeichnet sich ab, dass der Wandel vor allem durch Design und Funktion der Bauteile ausgelöst wird. Im Fokus der Anwendungen steht dieses Mal jedoch nicht die Automobilindustrie, sondern die Nische.

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Durch maßgeschneiderte Gusskerne, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, reduziert die Bosch-Rexroth-Gießerei Lieferzeiten und Kosten für individuelle Gussteile und Kleinserien.
Durch maßgeschneiderte Gusskerne, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, reduziert die Bosch-Rexroth-Gießerei Lieferzeiten und Kosten für individuelle Gussteile und Kleinserien.
(Bild: Bosch Rexroth)

Die Revolution bleibt vorerst aus“, so lautete das Schlagwort der Studie zur additiven Fertigung, die der Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. (VDW) anlässlich der Metav in Auszügen vorstellte. Demnach werden keine großen Veränderungen in den kommenden fünf bis sieben Jahren erwartet. Die Verschiebung in der Nachfrage aufgrund von additiver Fertigung (AM), bezogen auf die gesamten spanenden Werkzeugmaschinen, soll deutlich weniger als 1 % ausmachen.

Hemmnisse für eine größere Marktdurchdringung seien die Kosten und die Bearbeitungszeit. Vorteile könnten additive Verfahren in der Kleinserienfertigung sowie in der Herstellung von komplexen, individualisierten und kleinen Bauteilen durch die werkzeuglose Fertigung haben. Außerdem könne ein Zusatznutzen durch AM geschaffen werden, beispielsweise Leichtbaustrukturen in der Flugzeugindustrie, interne Kühlkanäle und Hinterschnitte. Damit könnten gegebenenfalls auch in der Mittel- und Großserienfertigung Kostennachteile aufgehoben werden.

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Ohne Werkzeuge schneller und günstiger fertigen

„Die Vorteile des AM kommen im Vergleich zur konventionellen Fertigung, sprich über Werkzeuge oder zerspanende Fertigungsverfahren, genau dann zum Tragen, wenn es sich um komplexe Teile handelt. Denn dann lassen sich die Teile im AM werkzeuglos schneller und kostengünstiger bis zu einer bestimmten Losgröße herstellen. Komplexe Bauteile, wie beispielsweise ein Turbinenrad, können unabhängig von der Geometrie ,am Stück' gefertigt werden“, sagt Tobias King, Director Marketing & Applications bei Voxeljet.

Das Unternehmen ist sowohl Hersteller industrieller 3D-Drucker mit Bauräumen bis zu 8 m³ als auch Dienstleister, der Einzelteile bis hin zu mittleren Serien auf Anfrage druckt. Dabei sind der gestalterischen Unabhängigkeit beinahe keine Grenzen gesetzt. Die neue Designfreiheit ist nur einer von vielen Aspekten, die dem Verfahren Attraktivität verleihen.

„Die additive Fertigung bietet ein hohes Potenzial hinsichtlich Flexibilität und Individualisierung der Fertigungsprozesse. Das Bauteil kann allein auf Grundlage eines CAD-Modells direkt im AM-Verfahren aufgebaut werden. Durch den Verzicht auf spezielle, in der Regel teure Werkzeuge und/oder aufwendige Montagearbeiten können bei kleineren Stückzahlen Fertigungszeiten und -kosten gegenüber konventionellen Verfahren reduziert werden. Dabei hebt AM die Gestaltungslimitierungen klassischer Verfahren auf und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit komplexesten Außen- und Innengeometrien“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Martin Reuber, Direktor des Instituts für Werkzeug- und Fertigungstechnik IWFT der Rheinischen Fachhochschule Köln. Mit Additive Manufacturing lassen sich so neue Potenziale erschließen. Insbesondere nennt Reuber an dieser Stelle:

  • den Leichtbau: Innenstrukturen erlauben Gewichtseinsparungen bei gleichbleibenden oder sogar verbesserten mechanischen Bauteileigenschaften;
  • die Funktionalität: Durch die gestalterische und konstruktive Freiheit des AM lassen sich Bauteile mit verbesserter Funktionalität herstellen. Neuartige Funktionen, zum Beispiel Kühlkanäle, können direkt ins Bauteil integriert werden (beispielsweise im Werkzeugbau);
  • die Produktion: Die hohe Flexibilität und Individualität prädestiniert das Verfahren für den Einsatz in der wirtschaftlichen Fertigung von Prototypen und Kleinserien beziehungsweise in der individualisierten Massenfertigung (Mass Customization).

Kosten reduzieren mittels AM konnte auch bereits die Bosch-Rexroth-Gießerei, die beispielsweise durch maßgeschneiderte Gusskerne, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, die Lieferzeiten für individuelle Gussteile und Kleinserien deutlich reduzieren konnte. „Kunden senden lediglich die CAD-Daten des gewünschten Bauteils. Die 3-Drucker fertigen daraus nach dem additiven Prinzip den entsprechenden Sandkern oder die Form auch in komplexen Geometrien. Wenn keine Daten vorliegen, können diese auch durch optische Messsysteme generiert werden. Es entfällt die Entwicklung und Fertigung von individuellen Werkzeugen für die Formenherstellung. Das senkt die Stückkosten für Prototypen und Kleinserien erheblich und verkürzt die Durchlaufzeiten vom Eintreffen des CAD-Datensatzes bis zum fertig gegossenen Produkt“, sagt Thomas Kuhn, Technischer Werkleiter der Bosch-Rexroth-Gießerei.

„Generell gehen wir davon aus, dass sich die Kostensituation für die additive Fertigung in den kommenden Jahren erheblich verbessern wird – bis zu einem Punkt, an dem etwa Kleinserienproduktionen effizient werden. Bis dahin müssen Entwicklungs- und Fertigungsprozesse aber erst noch über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg auf die neuen Techniken abgestimmt werden“, ergänzt Stefan Hövel, Abteilungsleiter Manufacturing Technologies and Process Development Industrial Applications, Bosch Rexroth AG.

Doch trotz eindeutiger Vorteile ist der Vergleich des Klassikers mit der Moderne nicht einfach: In der klassischen Fertigung sinken die Stückkosten mit der Stückzahl und steigen mit der Komplexität der Bauteile, während die entsprechenden Kurven für die additive Fertigung flach verlaufen, wie Christian Hinke, Oberingenieur am Fraunhofer-ILT in Aachen und Leiter des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“, auf dem Aachener Stahlkolloquium 2016 sagte. Derzeit liegen die Kosten für die additive Fertigung circa bei 3 Euro pro Kubikzentimeter hergestelltes Material. „Das Verfahren ist relativ teuer“, räumte Hinke ein.

Die Wirtschaftlichkeit muss verbessert werden

Deshalb wird daran gearbeitet, die additive Fertigung kostengünstiger zu machen. Dafür gibt es nach den Ausführungen von Hinke derzeit zwei Ansätze: Zum einen kann man die Laserleistung erhöhen, zum anderen mehrere Laser parallel arbeiten lassen. Anlagenkonzepte mit zahlreichen, parallel angeordneten Diodenlasern könnten nach seinen Worten „extreme Skalierungseffekte verursachen“.

Doch nicht nur in Forschungsinstituten, auch in Unternehmen arbeiten die Ingenieure fleißig an Verbesserungen. So hat die Concept Laser GmbH, Lichtenfels, ein neues System zur Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile vorgestellt. Das als QM-Modul Meltpool 3D bezeichnete System überwacht während des Prozesses das Schmelzbad. Schmelzbademissionen, die während des Aufschmelzens im infraroten Bereich entstehen, werden koaxial mittels Sensoren detektiert. Auf diese Weise können Größe und Intensität des Schmelzbades dreidimensional visualisiert werden. Das System besitzt bei einer Abtastrate über 10 kHz eine Auflösung von 35 µm in der 3D-Darstellung und erlaubt die Zuordnung möglicher Prozessfehlstellen.

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