Engineering & Dienstleistung

Strukturen entscheiden

22.06.2010

Rapid Manufacturing: Wer innovative neue Wege in der generativen Fertigung sucht, ist bei Carl Fruth in Parsberg an der richtigen Adresse. Der Praktiker hat nicht nur zahlreiche generative Technologien im Einsatz, er entwickelt auch selbst. Einer der Vordenker der Branche – mit provozierenden Ansichten und Einsichten.

Auf so manche Prototypenbauer kommen schwere Zeiten zu. Davon ist Carl Fruth, Inhaber und Kopf der FIT GmbH in Parsberg, überzeugt: „In Zukunft wird es für versierte Hobbyisten kein Problem mehr sein, beispielsweise kleinere Anschauungsmuster in Kunststoff, aber auch in Metall zu fertigen“, ist er überzeugt. „Im Internet lassen sich heute schon für ein paar hundert Euro Bausätze für 3D-Drucker ordern – damit und mit der richtigen Software lassen sich schon ganz ordentliche Ergebnisse erzielen, die denen professioneller Systeme kaum nachstehen.“

Bei FIT haben die Verantwortlichen nicht zuletzt deshalb bereits sehr früh die Weichen auch in Richtung Fertigung größerer Stückzahlen gestellt. „Hier gelten deutlich andere Gesetze als im Prototypenbau“, betont er. „In der Serienfertigung muss eine stets gleichbleibend hohe Qualität über die gesamte Charge garantiert werden. Und das ist gerade bei generativen Technologien alles andere als trivial.“ Werkstücke aus Kunststoff, die als technische Bauteile Verwendung finden sollen, werden in der generativen Fertigung in erster Linie aus Thermoplasten erzeugt – die organischen Werkstoffe verhalten sich jedoch in der Verarbeitung sehr komplex. „Beim Spritzgießen ist in der Regel ein Zyklus wie der andere – und trotzdem ist der Prozess alles andere als trivial“, erklärt Fruth. „In der generativen Fertigung per Laser jedoch gibt es keine konstanten Prozessbedingungen: Jede Schicht dauert unterschiedlich lang, die Temperatur und Konsistenz der Schichten variiert sehr stark. Beim Auftrag einer neuen Schicht werden die Materialien großen und kaum kalkulierbaren Belastungen ausgesetzt. Diese Verarbeitung ist alles andere als optimal, eine Qualitätssicherung unter diesen Bedingungen eine gewaltige Herausforderung.“

Konstante Ergebnisse
Genau das ist indes die Krux: „Für den Serienfertiger sind exakt beherrschbare Materialeigenschaften, eine konstante Prozessführung über die gesamte Serie und die immer wieder gleichen nachprüfbaren Ergebnisse die Basis, auf der alles andere aufbaut. Das spielt im Prototypenbau indes nur eine untergeordnete Rolle“, betont Fruth. „Damit sind die heutigen Anlagen im Kunststoffbereich, die allesamt auf den Prototypenbau ausgerichtet sind, für eine Serienfertigung kaum geeignet.“

Deshalb entwickelt Fruth in seinem Tochter-Unternehmen Sintermask für die Serienfertigung in Kunststoff eine eigene Technologie – das Selective Mask Sintering (SMS). Dabei wird das Kunststoffpulver von einem „Powdershuttle“ kontrolliert aufgebracht und zusätzlich verdichtet. Um stets konstante Ausgangsbedingungen zu schaffen, bringt das Shuttle die Oberfläche zudem bei jedem Beschichtungsvorgang auf eine exakt definierte Temperatur. Das Aufschmelzen des Werkstoffs erfolgt dann nicht per Laser, sondern via Infrarotstrahler. Eine Maske, die für jede Schicht neu erstellt wird, bestimmt darüber, welche Partien belichtet werden und welche nicht.

Das sagt die Redaktion


Bald reif fĂĽr die Serie?
„Rapid“ – das klingt ein bisschen nach „quick and dirty“. Nach empfindlichen Prototypen, nach stufigen Musterteilen, die nicht für Endkunden gedacht sind. Inzwischen bieten die Technolo­gien, speziell im Metall-Bereich, indes deutlich mehr. So werden generativ gefertigte Implantate längst in menschlichen Patienten „verbaut“ – oft auch auf Lebenszeit. Wenn es um kleine Serien geht, können Lasersintern und EBM klassische Verfahren wie beispielsweise Feinguss um Längen schlagen. Und so manches Teil lässt sich überhaupt nur generativ fertigen. Im Kunststoffbereich ist der Weg zur Großserienfertigung noch deutlich länger – Kunststoffe reagieren deutlich sensibler als Metalle, ihr Prozessfenster ist deutlich kleiner. Deshalb hat die SMS-Technologie durchaus Charme – man darf auf die ersten Maschinen gespannt sein.
Richard Pergler

Während der Werkstoff bei lasergestützten Technologien punktweise in Sekundenbruchteilen aufgeschmolzen wird und wieder erstarrt, lässt sich beim SMS die komplette Baufläche auf einmal aufschmelzen: „Statt Zeiten im Mikrosekundenbereich haben wir bis zu einer Sekunde zum langsamen Aufschmelzen – so lässt sich weit materialschonender arbeiten“, erklärt Fruth. „Und vor allem mit reproduzierbarer Qualität.“

Die ersten SMS-Vorserienmaschinen erwartet Fruth bereits gegen Ende dieses Jahres. „Per SMS lassen sich schnell, prozesssicher und präzise auch größere Stückzahlen an Kunststoffteilen herstellen“, erklärt Fruth. „Das Verfahren hat das Zeug dazu, ein ernsthafter Wettbewerber zum klassischen Spritzgießen zu werden.“ Und mehr: „Wir können auch problemlos mit Kunststoffbinder ummanteltes Metall- und Keramikpulver verarbeiten“, ergänzt Fruth. „So lassen sich über Entbindern und Sintern auch Metall- und Keramikwerkstücke mit diesem Verfahren herstellen.“ Deutlich näher an der Serienfertigung sind generative Technologien im Metallbereich: „Hier sind die Verfahren inzwischen weit prozesssicherer und damit auch für Serienwerkstücke besser geeignet“, erklärt Fruth. „Das Metallgefüge steht dem bei Guss oder auch Schmiedematerial nicht nach. Eine Herausforderung ist indes, die Prozesse so auszulegen, dass in den Werkstücken keine Spannungen auftreten.“ Konventionelle Laser-Maschinen kranken an ihrem relativ kalten Bauraum: Der Laser erhitzt das Material nur punktuell, so können unkontrolliert Spannungen entstehen. „Nicht zuletzt deshalb ist für uns das Elektronenstrahl-Verfahren (EBM) vielversprechender – da ist der gesamte Bauraum aufgeheizt.“

Zudem werden EBM-Anlagen immer präziser, die schlechte Oberflächenqualität ist inzwischen Vergangenheit. Und dank aufgeteilter Elektronenstrahlen lassen sich sehr viele Punkte gleichzeitig bearbeiten, was die Baugeschwindigkeit drastisch erhöht. „Wir bauen auf unseren EBM-Anlagen unter anderem auch Implantate für die Wirbelsäule in Serien bis zu 200 Teile pro Jahr“, erklärt Fruth. „Gerade in kleineren Stückzahlen ist hier inzwischen die generative Fertigung auch in der Serie wettbewerbsfähig und kann dem Feinguss durchaus Paroli bieten. Ich erwarte mir insbesondere aus dem EBM-Bereich in den kommenden Jahren noch einen deutlichen Entwicklungsschub. Das Verfahren hat jedenfalls enormes Potenzial.“


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