Schnell zur Herstellung von Produkten aus Serienmaterial: Dank 3D-gedruckter Formeinsätze für Werkzeuge, die sich im Spritzgießverfahren abformen lassen. Foto: Protiq/Matthias Groppe

Letzte Hürden vor der Serie

Additive Fertigung

Kein Zweifel: Additive Fertigungsverfahren stehen auf der Schwelle zur Serienfertigung. Für eine vollständige Integration in industrielle Fertigungsprozesse sind aber noch einige Hausaufgaben zu erledigen.

Turbinen für die zivile und militärische Luftfahrt sind das tägliche Geschäft von MTU Aero Engines. Vor zehn Jahren begann man dort, sich für den Proto­typenbau mit additiven Fertigungsverfahren zu beschäftigen. 2013 konnte das Unternehmen erstmals ein additiv hergestelltes Teil für den Serieneinsatz im A320neo-Triebwerk von Pratt & Whitney zertifizieren – ein „Boroskopauge“ für die optische Inspektion von Hohlräumen.

Qualität nicht homogen genug

„Es ist noch einiges zu tun“, kippt Dr. Jürgen Kraus im Vorfeld der Messe Formnext in Frankfurt Wasser in den Wein. Dem Projektleiter additive Fertigung bei MTU stehen derzeit acht Additive-Manufacturing-(AM-)Maschinen zur Verfügung, eine weitere mit vier Lasern kommt in Kürze hinzu. Haus- und Hoflieferant ist AM-Pionier EOS, zu dem eine strategische Partnerschaft besteht. Von einer typischen industriellen Fertigung könne allerdings noch keine Rede sein, die Maschinen stehen nicht in der für eine industrielle Serienfertigung typischen Linie.

Weiterer Kritikpunkt: „In der Luftfahrt hat Sicherheit die höchste Priorität und deshalb müssen wir genau wissen, wie der Werkstoff, den wir produzieren, aussieht.“ So produzierten heute zum Beispiel nicht alle Maschinen gleiche Ergebnisse. Selbst aus ein und derselben Maschine komme nicht völlig homogenes Material heraus, da offensichtlich die Ströme des Prozessgases Argon nicht homogen genug sind. „Wir müssen die Maschinen erst justieren, um identische Qualität zu bekommen – das erwarten wir zukünftig von den Herstellern.“

MTU hat ein Online-Monitoringsystem entwickelt, mit dem sich Fehler direkt im Prozess bis zu einer Größe von 0,15 mm finden lassen. Kraus: „Dieses System bildet die Grundlage des Prozessverständnisses, um sicherzustellen, dass wir genau wissen, welche Fehler in welchen Größenordnungen in den Teilen drin sind und ob diese auch verträglich sind.“ Aber das reicht noch nicht. Bei MTU will man auch verstehen, wie die Fehlertypen entstehen. Eigentlich eine Selbstverständlichkeit, wie man sie von klassischen Verfahren wie dem Gießen oder Schmieden, „teilweise seit 1.000 Jahren“, kennt.

Formnext
Leitmesse für Additive Fertigung und die nächste Generation intelligenter industrieller Fertigungs- und Herstellungsverfahren – mit diesem Anspruch tritt die Fachmesse Formnext an, die vom 14. bis 17. November 2017 auf zwei Ebenen der Halle 3 der Messe Frankfurt stattfindet. In diesem Jahr belegen etwa 400 Aussteller rund 27.000 m² Ausstellungsfläche.

Verfahren müssen wirtschaftlicher werden

Und es mangelt noch an Wirtschaftlichkeit, was vor allem an zu geringen Aufbauraten von ungefähr 10 cm³/h liegt. Steigern ließen sich die Aufbauraten laut Kraus durch noch mehr parallel eingesetzte Laser als die derzeit verfügbaren vier. Um wirtschaftlicher zu werden, müssten die Maschinen auch weitergehend automatisiert werden. Trotz der noch zu erledigenden Hausaufgaben steht schon heute fest: MTU wird sein AM-Teileportfolio erweitern und eine integrierte Fabrik aufbauen. Bis 2020 will man bereits um die 15.000 Teile pro Jahr produzieren. 2030 sollen es dann schon um die 200.000 Serienteile für fliegendes Gerät sein.

Rainer Lotz ist Vorsitzender des Ausstellerbeirats der Formnext. Er ist aber auch Geschäftsführer von Renishaw und vertritt somit die Herstellerseite. Die Kritik der Anwender scheint bei den Herstellern angekommen zu sein: „Laserschmelzanlagen sind wichtiger Bestandteil des eigentlichen Fertigungsprozesses, eingebettet in den Gesamtprozess aus Materialien, Handhabung, Automatisierung und Software.“

Die Additive Fertigung fit für die industriellen Prozesse zu machen ist ein wesentliches Ziel aktueller Entwicklungsaktivitäten. Die Modernisierung der Produktionsmethoden, beispielsweise durch AM-Technologien, sei neben Industrie 4.0 der zweite wichtige Bereich für die deutsche Industrie, um ihren technischen Vorsprung zu wahren.

Eine besondere Dynamik sieht Lotz im Bereich der Materialien, vor allem solche für die Medizintechnik, aber auch Materialien, die man aus der zerspanenden Bearbeitung. Harte Stähle bildeten bisher ein Problem, zu dem es auf der Frankfurter Messe aber wohl Neues zu sehen geben werde. Für hochinteressant hält Lotz auch Nichteisenmetalle wie Kupfer.

Verschiedene Werkstoffe in Kombination, von gummielastisch bis hart: Auch das ist mit generativen Fertigungsverfahren möglich. Foto: Protiq/Matthias Groppe
Verschiedene Werkstoffe in Kombination, von gummielastisch bis hart: Auch das ist mit generativen Fertigungsverfahren möglich. Foto: Protiq/Matthias Groppe
Dienstleister helfen beim Einstieg

Ein weiterer wichtiger Industriezweig sind Lotz zufolge die immer zahlreicheren Dienstleister, die Additive Fertigung in Lohnfertigung anbieten. Gerade für kleine und mittelständische Unternehmen seien sie „wichtige Vorreiter, um sich relativ risikoarm der neuen Technologie anzunehmen“, urteilt Lotz.

Einer von ihnen ist Dr. Ralf Gärtner, Geschäftsführer des Dienstleisters Protiq, einer vor etwa einem Jahr gegründeten Tochter von Phoenix-Contact. Als zunächst interner Dienstleister eines global agierenden Unternehmens kennt er die Spielregeln industrieller Prozesse aus dem Effeff. Sein Credo: „Ziel ist nicht der Stahlblock, den man fertigstellt, sondern lauffähige Prozesse, zu denen auch ein Spritzgießwerkzeug gehört.“ Für Gärtner müssen der Werkzeugbau und die Additive Fertigung integraler Bestandteil der Produktentstehung sein, „dann spielen sie die volle Power dieser neuen Techniken aus“.

So hätte früher die Herstellung von Prototypen­werkzeugen Wochen gedauert. „Mit Additiver Fertigung sind wir heute in der Lage, über Nacht in die Laboruntersuchungen zu gehen.“ Nicht zu unterschätzen sei auch die Marketingfunktion solcher schnell hergestellten Prototypen. Bei manchen Kunden führt das allerdings zur Annahme, sie könnten sofort in Serie gehen. So einfach ist das nicht, aber die Dinge entwickeln sich in diese Richtung – Stichwort Direct Manufacturing.

Bei Protiq seien solche Dinge durchaus bereits im Einsatz: Ein gutes Beispiel dafür sind die 3D-gedruckten Spritzgießwerkzeuge in Leichtbauweise des Unternehmens.

Protiq betreibt ein Geschäftsmodell mit Clou: Der Kunde lädt seine Produktdaten einfach über ein Internetportal direkt auf die Server von Protiq. Er wählt Optionen wie Material, Farbe und Nachverarbeitungsschritte. Die Daten werden analysiert und automatisch online bepreist. Bezahlt wird unter anderem mit Paypal.

„Mit den Daten gehen wir in die Maschinen rein und produzieren das Teil, direkt, ohne Interfaces oder manuelles Verarbeiten.“ Manuell wird es erst nach der Maschine, wenn beispielsweise die Teile auf der Bandsäge von der Grundplatte getrennt werden müssen. Aber auch das soll in Zukunft automatisiert werden. In den nächsten drei bis fünf Jahren will Protiq verfahrensgemischte, automatisierte Systeme der Additiven Fertigung unter Einbindung konventioneller Systeme aufbauen.

Die Industrialisierung additiver Verfahren

In der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing (AM) arbeiten mehr als 120 Unternehmen und Forschungsinstitute unter dem Dach des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) zusammen. Anlagenbauer, Zulieferer von Komponenten und Materialien, industrielle Anwender, Dienstleister für Software, Fertigung und Veredelung sowie Forscher wollen gemeinsam die Industrialisierung additiver Fertigungsverfahren vorantreiben.

Dabei machen sie gute Fortschritte. „Als wir Mitte 2014 die Arbeitsgemeinschaft starteten, war additive Serienfertigung noch eine Vision. Heute berichten Fertigungsdienstleister aus unseren Reihen, dass die Stückzahlen bei ihnen in den fünfstelligen Bereich vorstoßen“, sagt Dr. Markus Heering, Chef der Arbeitsgemeinschaft.

„Wir müssen die Maschinen erst justieren, um identische Qualität zu bekommen – das erwarten wir zukünftig von den Herstellern“, Dr Jürgen Kraus,Projektleiter additve Fertigung bei MTU

Er sieht additive Verfahren als „enorme Bereicherung für den Maschinen- und Anlagenbau“ – und nennt einige Anwendungsbeispiele. Gedruckte Leichtbaulösungen als Hebel für schnellere, präzisere und energieeffizientere Prozesse. Konturnahes Kühlen von additiv gefertigten Gussformen, um über definierten Abkühlphasen die Bauteileigenschaften der gegossenen Bauteile zu optimieren.

Maschinen- und Anlagenbauer brauchen jedoch Rechtssicherheit und Normen, damit sie sich die Vorteile des Additive Manufacturing ohne Bedenken zunutze machen können. Deshalb bildet die Standardisierung einen Arbeitsschwerpunkt. In einigen Bereichen, etwa bei Druckgeräten für chemische Anlagen und Apparate, seien die Arbeiten an verbindlichen Normen in vollem Gange.

„Wir brauchen aber auch auf anderen Gebieten – etwa in Aus- und Weiterbildung und im Hochschulbereich – einheitliche Standards.“ Additive Manufacturing sei nicht nur ein neues Fertigungsverfahren, sondern setze ein völliges Umdenken bei Konstrukteuren voraus. Heerings Fazit: „Vor uns liegt noch jede Menge Arbeit. Aber wir sind entschlossen, Additive Manufacturing zur industriellen Reife zu bringen.“

Michael Pyper, freier Journalist

Aufmacherbild: Protiq/Matthias Groppe