Engineering & Dienstleistung

Alte Bekannte in neuem Licht

22.06.2010

Forschungsseminar: Potenziale und Grenzen generativer Fertigungsverfahren standen im Fokus der Veranstaltung, zu der die Forschungsvereinigung Schweißen im DSV und die VDI-Gesellaschaft Produktion und Logistik eingeladen hatten. Hochkarätige Referenten beleuchteten die Thematik aus unterschiedlichen Perspektiven.

Die generativen Technologien stehen an der Schwelle zur Serienfertigung. Die Forschungsvereinigung SchweiĂźen und verwandte Verfahren im DVS und die VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) hatten zu einem Forschungsseminar in die Handwerkskammer DĂĽsseldorf geladen, in dem der Stand der Technik ebenso beleuchtet wurde wie die neuesten Trends und Entwicklungen.

„Mit generativen Verfahren lassen sich sehr komplexe Geometrien herstellen“, erklärte Professor Andreas Gebhard von der FH Aachen in seinem Überblick über „die unbekannten Verwandten“ gängigerer Bearbeitungstechnologien. „So lassen sich unter anderem innere Hohlräume in Bauteilen herstellen, etwa für konturnahe Kühlungen in Werkzeugen.“ Gebhard stellte die unterschiedlichen Verfahren sowohl im Kunststoff-Bereich als auch für die Verarbeitung von Metallen vor, eine kurze Bewertung der einzelnen Technologien rundete den Überblick ab. Als Haupthindernis für den Einsatz in der Serienfertigung identifizierte Gebhard die Prozessstabilität und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse: „Die am Markt verfügbaren Verfahren eignen sich in der Regel dazu, quasi unter Laborbedingungen einzelne Werkstücke herzustellen“, betont Gebhardt. „Aber in der Serie, wo ein Teil exakt so sein muss wie das andere, gelten deutlich höhere Anforderungen.“

Noch viel Optimierungsbedarf
„Seit Beginn der 1990er Jahre werden bei BMW generative Verfahren eingesetzt, unter anderem bei Prototypen, mit denen sich die geometrische Integration von Komponenten ins Fahrzeug überprüfen lässt. Nicolai Skrynecki von der BMW-Group erörterte den Reifegrad der Prozesse für die Serienfertigung. „Die Robustheit der Prozesse, aber auch die Qualitätssicherung müssen für einen Serien­einsatz deutlich weiterentwickelt werden“, betont er. „In Sachen Wirtschaftlichkeit haben die Verfahren Optimierungsbedarf, die Oberflächen eignen sich aktuell nicht für den Sichtbereich, es wird aber an Lösungen gearbeitet. Auch über die Lebensdauer generativ gefertigter Komponenten ist wenig bekannt.“

Auch bei der Festo AG&Co. KG in Esslingen beschäftigt man sich bereits sehr lang mit generativen Technologien. Festo hat durchaus bereits Kunststoffbauteile in Stückzahlen bis 12 000 gefertigt – binnen nur zwei Wochen und zu einem Drittel preiswerter als ein entsprechendes Spritzgießteil. „Das lässt sich aber nicht verallgemeinern“, erklärt Klaus Müller-Lohmeier von Festo. „Ob generative Fertigung wirtschaftlich ist, hängt immer vom jeweiligen Bauteil ab.“ Und davon, was vom Werkstück erwartet wird. Gesicherte Werte für Festigkeit oder Biegebelastung sind Mangelware, dazu kommen Probleme, wie sich etwa das Restmaterial aus Hohlräumen entfernen lässt oder wie sich die immer wieder gleiche Qualität reproduzierbar erzielen lässt. „Auf den ersten Blick trivial“, räumt Müller-Lohmeier ein. „Aber es gibt noch sehr viele offene Fragen.“ Und noch sehr viel Optimierungspotenzial: „Im Metallbereich sind die Bauzeiten noch sehr lang“ erklärt Müller-Lohmeier. „Deshalb lohnt hier eine generative Fertigung derzeit nur bei sehr geringen Stückzahlen.“

Wilhelm Meiners vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen beleuchtete das Selective Laser Melting in Bezug auf die Tauglichkeit in der Serienproduktion. Das Verfahren findet im Werkzeugbau Anwendung, ebenso für Funktionsprototypen und Individualwerkstücke. „Individuelle Werkstücke in Serienfertigung sind beispielsweise Zahnersatz oder künstliche Hüftpfannen“, erklärt Meiners. „Das Verfahren schmilzt das Material komplett auf, deshalb sind Dichten bis zu 99,9 Prozent erzielbar.“ Allerdings gibt es auch hier Defizite in der Oberflächenqualität, Probleme in Sachen Genauigkeit und Verzug sind noch nicht optimal gelöst, Prozesskontrolle und Reproduzierbarkeit sind weitere Schwachpunkte. „Hier lassen sich beispielsweise mit einer gezielten Temperaturführung im Prozess deutlich bessere Ergebnisse erzielen“, erläutert Meiners. „Aber auch andere Materialien werden sich künftig mit diesem Verfahren bearbeiten lassen.“

Marktanforderungen wachsen
Die „Baustelle SLM“ schilderte Dieter Schwarze aus der Perspektive des Anlagenherstellers MTT Technologies in Lübeck: „Die Marktanforderungen an Bauteile und Anlagen wachsen stetig“, erklärte er. „Und die Grenzen verschwimmen – ist eine Anwendung noch Rapid Prototyping oder doch schon Rapid Manufacturing?“ Neben Anforderungen an Prozesskontrolle und Präzision steht bei Serienfertigung insbesondere die Möglichkeit zur Automatisierung im Vordergrund. Bei den Anlagen sieht Schwarze zwei Trends: Einerseits zu sehr spezialisierten Systemen etwa zur Fertigung von Zahnimplantaten, andererseits zu sehr universell einsetzbaren Anlagen mit hoher Leistungsfähigkeit.

Das sagt die Redaktion

Noch viele Hausaufgaben
Die generativen Fertigungsverfahren stehen an der Schwelle zur Serienfertigung – einzelne Anwender wie Festo beweisen bereits, dass sich für bestimmte Werkstücke auch Serien im fünfstelligen Bereich lohnen. Zumindest im Kunststoffbereich. Im Metallbereich beschränkt die noch sehr niedrige Baugeschwindigkeit die wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten auf sehr geringe Losgrößen. Ein Haupthindernis für den Einsatz in der Serienfertigung ist derzeit noch die Prozessstabilität. Hier ist von Anlagenbauern wie Anwendern derzeit noch sehr viel Pionierarbeit zu leisten. Ein sinnvoller Weg, um breite Forschungsansätze zu ermöglichen, wären offene Systeme. Leider scheint der Trend bei den Anlagenherstellern zur Zeit nicht in diese Richtung zu führen – hier wird viel Potenzial verschenkt.
Richard Pergler

Korngrößen im µ-Bereich
Generative Fertigung in kleinsten Dimensionen präsentierte Horst Exner vom Laserinstitut Mittelsachsen in Mittweida: „Beim Laserstrahl-Mikrosintern ist Ziel, mit Korngrößen im Sub-µ-Bereich Schichten zu erstellen, deren Stärke im einstelligen µm-Bereich liegt“, erklärt er. „So wird Stufenbildung wirksam verhindert.“ Die Arbeit in diesem Größenbereich erfordert freilich eine ganz eigene Anlagentechnik: „Wir arbeiten mit sehr kurzen, intensiven Laserpulsen und müssen extrem dünne Schichten gleichmäßig auftragen“, erläutert er. „Das erfordert eine vergleichsweise lange Bauzeit.“ Es lassen sich nahezu alle gängigen Metalle verwenden, auch in Kombination – so lassen sich dünnste Schichten in Werkstücken realisieren.

Die Festigkeitsmöglichkeiten Metallischer Werkstoffe in der generativen Fertigung beleuchtete Frank Palm von EADS Deutschland Bereich Forschung (Innovation Works) in München. „Wie schon beim Aufkommen der Pulvermetallurgie bei der Herstellung von Werkzeugstählen lassen sich auch hier im Pulverbett-basierten Werkstoffaufbau noch enorme Potenziale erschließen“, erklärte Palm. „Allerdings ist es noch sinnvoller, Werkstoffe gezielt für die direkte Fertigungskette neu zu entwickeln.“ Sich allein auf vorhandene Serienwerkstoffe und deren Chemie zu beschränken, ist seiner Meinung nach nicht ausreichend. „Für die zerspanende Werkzeugfertigung sind die Werkstoffe exakt definiert – bis hin zur Festlegung, wie das Material erschmolzen werden muss“, erläuterte Palm. „Ein per generativer Fertigung zu einem Bauteil verschmolzener, schichtweise aufgebauter Werkzeugstahl aber hat ein ganz anderes Gefüge als der gleiche Werkstoff als Schmiedematerial.“

Auch Jan T. Sehrt von der Universität Duisburg-Essen bestätigte, dass beim Thema Werkstoffe noch deutlicher Nachholbedarf herrscht. „Im Vergleich zur konventionellen urformenden oder spangebenden Fertigung sind für generative Fertigungsverfahren nur wenige qualifizierte Werkstoffe verfügbar“, erklärte er. „Hier muss jeder Werkstoff zunächst in die gewünschte Pulverform gebracht und anschließend das optimale Prozessfenster für seine Verarbeitung bestimmt werden.“ In langen Versuchsreihen wurden im RTC der Universität Duisburg-Essen Parameter wie Scangeschwindigkeit, Spurabstand oder Fokuslage beim Strahlschmelzen variiert, um für einzelne Materialien wie Hastelloy X die optimalen Werte zu ermitteln. Selbst der Wechsel von einer Anlage auf die eines anderen Herstellers bei sonst gleichbleibenden Parametern kann völlig unterschiedliche Ergebnisse erzielen.

In langen Versuchsreihen werden an der Universität Duisburg-Essen die optimalen Parameter ermittelt. Während das Gefüge oben links nicht optimal ist, zeigt der Versuch unten deutlich verbesserte Strukturen. Auch verschiedene Materialien lassen sich beim Laserstrahl-Mikrosintern problemlos miteinander verbinden.

Generative Technologien sind in Bezug auf Verformungen und Eigenspannungen eine Herausforderung: „Im Prinzip gibt es in jedem Werkstück eine Vielzahl von kleinen Schweißnähten, die sich gegenseitig beeinflussen“, erklärt Gregor Branner vom iwb der TU München. „Wegen der hohen Abkühlraten entsteht ein überwiegend martensitisches Gefüge.“ Erkenntnisse zum Prozess werden bislang überwiegend in Versuchen gewonnen. „Für eine hinreichend genaue Simulation zur Prozessauslegung müssen sehr viele Faktoren untersucht werden“, erläutert Branner. „Im Verbundprojekt SimuSint werden Vorhersagen über die erreichbare Prozesssicherheit und die Bauteilqualität getroffen.“ So wurden beispielsweise unterschiedliche Scanstrategien untersucht – regelmäßig versus stochastisch verteilt: „Hier ergibt die Simulation für die stochastische Strategie deutlich geringere Spannungen“, erklärte Branner. „Die Validierung der Simulationsergebnisse mit Versuchen zeigte eine hohe Übereinstimmung.“

Zahlreiche Faktoren sind zu beachten
Professor Peter Köhler von der Universität Duisburg-Essen untersuchte Anforderungen an funktions- und fertigungsgerechte Produktionsmodelle für generative Herstellungsverfahren. „Zahlreiche Faktoren und Randbedingungen sind zu beachten –  so werden Form- und Lagetoleranzen, Oberflächeneigenschaften, Maßhaltigkeit von unterschiedlichsten Parametern beeinflusst“, erklärt er. „Die Fertigungsplanung erledigt bisher oft der Maschinenbediener nebenher – und dabei wird viel Poten­zial verschenkt.“ Denn Veränderungen bei der Lage oder der Orientierung im Bauraum können ebenso nachhaltige Folgen haben wie Veränderungen in der Supportstruktur. „Deshalb“, so Köhler, „ist eine weitere Qualifizierung der Fertigungsplanung und der Aufbau durchgängiger Prozessketten unerlässlich.“

Mit dem oft als „schwierig“ empfundenen Feld der Normung befasste sich Sabine Sändig, Geschäftsführerin des Günther-Köhler-Institutes für Fügetechnik und Werkstoffprüfung in Jena. „Derzeit existiert eine große Vielzahl an unterschiedlichen Verfahren, Prozessen und Prozessketten nebeneinander, es gibt zahlreiche einsetzbare Fertigungsverfahren und Materialien, die kaum eine Vergleichbarkeit zulassen“, erklärte sie. „Der Übergang von der Prototypen- zur Serienfertigung stellt ganz neue Anforderungen. In der Serienfertigung sind Normen unerlässlich.“

Nachdem im Dezember 2009 die VDI-Richtlinie 3404 zu generativen Fertigungsverfahren vorgelegt werden konnte, wird derzeit an den EntwĂĽrfen zweier neuer Richtlinien zum Lasersintern von Kunststoffen und Strahlschmelzen von Metallen gearbeitet. Ziel ist auĂźerdem, die VDI 3404 in eine DIN EN ISO Norm zu ĂĽberfĂĽhren und so den Internationalen Normungsprozess aktiv zu gestalten.

In der Ausbildung nur Insellösungen

Was aber nutzen all die schönen neuen Technologien, wenn niemand sie optimal nutzen kann? Professor Claus Emmelmann von der TU Hamburg-Harburg verweist darauf, dass es in Deutschland bislang an keiner Hochschule einen Schwerpunkt-Studiengang zum Thema gibt. „Bislang existieren nur Insellösungen in diversen Bachelor- und Masterstudiengängen“, betont er. „Die Umsetzung der neuen Fertigungsketten in der Industrie basiert derzeit meist auf der Weiterbildung von Mitarbeitern, beispielsweise bei den Schulungen der Hersteller.“ Hier gilt es, entsprechende Schulungs- und Ausbildungskonzepte zu entwickeln und dem Einsatz generativer Verfahren so den Weg zu ebnen. Eine lebhafte Diskussion zu Impulsen für die Weiterentwicklung des Technologiefeldes rundete die gelungene Veranstaltung ab.


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