Das Clay-Modell wird mit dem Comet-5-System aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen.

Im Designprozess eines Fahrzeugs werden unterschiedliche Ideen von Formen, Features und Charakterlinien zunächst in Zeichnungen und Renderings und später in einem 3D-Modell verwirklicht. Das Design nimmt als dreidimensionales Clay-Modell Gestalt an. Eine Masse aus Clay (Ton) wird auf einen Grundträger aus Holz aufgebracht und von Hand geformt – ein aufwendiger und zeitintensiver Prozess.

Die Clay-Modelle dienen als Prototyp, um die Form der Außenhaut eines neuen Autos exakt bestimmen zu können, und werden auch für erste aerodynamische Tests verwendet. Da die Entwicklungszeit für neue Fahrzeuge immer kürzer wird, müssen Wege gefunden werden, die Entstehung von Prototypen im Designprozess zu beschleunigen. Computer-aided Styling (CAS), der virtuelle Entwicklungsprozess im Design, ergänzt dabei zunehmend die klassische Formfindung.

Dreidimensionaler Prototyp
In einem Projekt haben Prof. Othmar Wickenheiser vom Studiengang Transportation Design der Hochschule München, die Steinbichler Optotechnik GmbH, die Duwe-3D AG und die Rücker AG auf Grundlage eines Clay-Modells per 3D-Digitalisierung und Aufbereitung der Daten in der Software PolyWorks einen vollständigen dreidimensionalen Prototypen entstehen lassen. So war es nicht notwendig, das gesamte Clay-Modell in Handarbeit fertigzustellen.

Trends µ-genau

Messen mit Streifen
Ein Streifenprojektionssensor besteht aus einem Musterprojektor, der vom Prinzip einem Diaprojektor oder Beamer ähnelt, sowie aus mindestens einer digitalen Kamera. Der Projektor beleuchtet das Messobjekt zeitlich sequentiell mit Mustern von parallelen Streifen unterschiedlicher Breite und Intensität. Die Kamera registriert das projizierte Streifenmuster unter einem bekannten Blickwinkel zur Projektion und kann aus den vielen Einzelbildern für alle aufgenommenen Bildpunkte 3D-Koordinaten berechnen. Dieses Prinzip des 3D-Scannens kann die verschiedensten Einsatzgebiete abdecken, da Messvolumen von mehreren Metern bis zu wenigen Zentimetern abgedeckt werden können. So kann die Auflösung bis in den µm-Bereich verfeinert werden.

In Polyworks werden aus den Punktwolken geschlossene Dreiecksnetze berechnet.

Die 3D-Digitalisierung des Halbmodells und Spiegelung ermöglichte es, ein vollkommen symmetrisches Modell aus dem leichten Blockbaumaterial Ureol zu fräsen. Im Anschluss wurde das gefräste Modell grundiert und lackiert. Der 3D-Datensatz dient nicht nur zur Archivierung und Dokumentation – er ermöglicht auch, den Prototyp zu vervielfältigen und zu skalieren.

Das Clay-Modell wurde mit dem Comet 5 11M digitalisiert, einem Streifenlichtprojektionssystem von Steinbichler Optotechnik. Das System vereint Leistungsfähigkeit mit Bedienkomfort. Die neue Projektionstechnologie in Kombination mit der Ein-Kamera-Technik garantiert eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit sowie eine gute Datenqualität. Dank seiner robusten Konstruktion ist der Comet 5 optimal für den mobilen Einsatz geeignet.

Um das Clay-Modell komplett zu erfassen, wurde aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen. Mittels mathematischer Verfahren wurden die einzelnen Aufnahmen zu einer Punktwolke zusammengefasst. Die ist Ausgangspunkt für die Aufbereitung der Daten in der Software PolyWorks. Die 3D-Daten (Punktwolken) werden eingelesen. Die Software generiert aus der Punktewolke eine geschlossene Oberfläche des aufgenommenen Objekts.

Ein Projektor beleuchtet das Messobjekt mit Mustern paralleler Streifen unterschiedlicher Breite und Intensität.

Kanten lassen sich rekonstruieren
In PolyWorks werden Polygonnetze aus Punktwolken mit Millionen von Punkten einfach und schnell per Knopfdruck generiert, geglättet und gefiltert. Im Anschluss können noch vorhandene Löcher im Polygonnetz geschlossen werden. Bauteilkanten, die bei der Digitaliserung nur ungenau aufgenommen wurden, lassen sich in der Software-Lösung als scharfe Kanten rekonstruieren.

Im vorliegenden Fall wurde das Polygonnetz des halben Fahrzeugs gespiegelt, um aus dem Halbmodell einen symmetrischen Prototypen zu generieren. Das fertig bearbeitete Polygonnetz stellt eine optimale Grundlage für die eigentliche Flächenrückführung dar.

Nach der Aufbereitung des Polygonnetzes beginnt der Reverse-Engineering-Prozess. In einem weiteren Schritt werden fräsfähige NURBS-Flächen aus dem Polygonnetz generiert. Um aus dem virtuellen Designmodell wieder einen realen Prototypen zu machen, wurde der aufbereitete Datensatz von der Rücker AG in Böblingen aus Ureol gefräst. Zur Herstellung des Fahrzeugmodells kam eine 5-Achs-CNC-Fräse zum Einsatz. Das fertige Ureol-Modell wurde anschließend grundiert und lackiert, um es wie ein ‚echtes’ Fahrzeug aussehen zu lassen. In kürzester Zeit entstanden so aus einem Clay-Halbmodell ein digitaler dreidimensionaler Datensatz und ein vollständiger Ureol-Prototyp.

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Die Flanschabsperrventile wurden auf Modellplatten und Kernbüchsen produziert, die mit Blockmaterialien aus PET-Flakes hergestellt wurden.

Für Rampf Tooling und Rampf Ecosystems sind PET-Flaschen wertvolle Rohstoffquellen. Bei Rampf Ecosystem werden PET-Flakes mit einem speziellen chemischen Verfahren zu Polyol aufbereitet. Polyurethan-Produktionsreststoffe und „post-consumer“-PET aus Verpackungen werden etwa per Glykolyse, Acidolyse oder Polyolyse zu (Recycling-)Polyolen aufbereitet. Die sogenannten Recypole und Petole fließen erneut in die Herstellung von Polyurethan ein.

Kreislauf geschlossen
Aus Recypol werden bei Rampf unter anderem hochwertige Materialien für den Werkzeugbau hergestellt. Seit 1998 setzt einer der größten Hersteller von Modellbauplatten Recyclingpolyole zur Herstellung seiner Werkzeug- und Formenbaumaterialien ein. Damit schließt Rampf vor Ort den Kreislauf aus PUR-Verarbeitung, Reststoffverwertung und erneutem Einsatz der Polyole.

Die Substitution eines Polyetherpolyols mit einem aromatischen Polyesterpolyol aus recyceltem PET verspricht beim neu entwickelten WB-1250-Blockmaterial eine verbesserte Abrasionsbeständigkeit sowie einen reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten. Eine überdurchschnittliche Schlag- und Kantenfestigkeit des nachhaltigen hellgrünen Materials ist eine weitere Eigenschaft, die die Werkzeugplatte sehr hochwertig machen soll. Mit diesen Charakteristika eignet sich das Blockmaterial laut Rampf optimal für die Herstellung von Formplatten und Kernbüchsen in der Gießereibranche.

Trends µ-genau

Konturnahe Blöcke
Ein weiterer Schritt zur ressourcenschonenden Produktion sind Close-Contour-Blocks und Close-Contour-Casting-Produkte von Rampf Tooling für die Anfertigung von Modellen und Kernkästen. Damit bleibt dem Anwender der Umgang mit Chemikalien weitestgehend erspart. Der Fräsabfall wird entsprechend reduziert, da die Kontur aller Close-Contour-Produkte bereits nahe an der Endkontur ist. Dieser Weg entspricht der Marktentwicklung im Gießereimodellbau und in vielen anderen Branchen. Mit dem Einsatz von Recypolen und Formulierungen auf Basis nachwachsender Rohstoffe sollen Umwelt und Geldbeutel nachhaltig geschont werden.

Beim dreiteiligen Kernkasten für ein Flanschabsperrventil kam das Blockmaterial Raku-Tool WB-1210 zum Einsatz.

Bei der Anfertigung von Formplatten und Kernbüchsen gibt es je nach betrieblichen Gegebenheiten, Anforderungen und gewünschten Abformzahlen unterschiedlichste Herstellungswege wie Vollguss, Schichtbau, Frontguss und Fräsen. Bei der Herstellung der Modelle kommt der Materialauswahl eine entscheidende Rolle zu, denn das gewählte Material muss den betrieblichen Gegebenheiten und Anforderungen entsprechen und die erforderlichen Abformzahlen erfüllen können.

Vielfältige Vorteile
Für die Herstellung einer Modellplatte zur Produktion eines Flanschabsperrventils entschied sich ein Anwender bei Ober- und Unterteil für das neue Blockmaterial Raku-Tool WB-1250 von Rampf Tooling. Die Vorteile des Werk-zeugblockmaterials WB-1250 sind vielfältig. Dank der sehr guten Bearbeitbarkeit des Polyurethan-Werkstoffes aus recyceltem PET ist ein problemloses CNC-Fräsen von CAD-Daten bei sehr guter Spanbildung in kurzer Zeit möglich. Zur Fertigung des Modells wird der Modellrohling zuerst aus einem 100 mm starken Blockmaterial verklebt. Anschließend erfolgt die Fräsbearbeitung des Plattenrohlings auf einer CNC-Fräsmaschine. Dann wird das fertig gefräste Modell nachbearbeitet und auf die Trägerplatte aufgeschraubt beziehungsweise in die Trägerplatte eingesetzt.

Ausgehärteter Formstoff
Für den Modellbauer fällt mit WB-1250 die Handhabung von Flüssigchemikalien weitestgehend weg, da er hier bereits einen ausgehärteten, fräsbereiten Formstoff in der gewünschten Dimension erhält. WB-1250 ist dimensionsstabil, hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eine gute Wärmeformbeständigkeit sowie Schlag- und Kantenfestigkeit. Auf einer FDC-Formanlage können mehr als 20 000 Abformungen erfolgen.

Die verschiedenartigen Herstellungswege von Kernen in der Gießerei, ob für Klein- oder Großserien, stellen an Kernbüchsen – speziell Schießkernkästen – besonders hohe Anforderungen. Dazu gehören zum Beispiel die gute Dimensionsstabilität bei Temperaturen bis circa 60 °C, eine hohe Abrasionsbeständigkeit und gute Chemikalienbeständigkeit gegenüber Sandbindemitteln. Zur Herstellung des dreiteiligen Kernkastens zur Produktion des Flanschabsperrventils hat der Anwender das direkte Fräsen über CAD-Daten und das Rampf-Tooling-Blockmaterial Raku-Tool WB-1210 gewählt. Dieses Produkt verspricht eine sehr gute Chemikalienbeständigkeit, hohe Abrasionsbeständigkeit und Beständigkeit bei der Reinigung mit Trockeneis aus.

Der Herstellungsprozess ist ähnlich wie bei der Modellplatte. Alle drei Teile des Kernkastens werden HSC-gefräst und anschließend nachbearbeitet. Das gewählte Material WB-1210 lässt sich sehr gut fräsen und ist einfach und schnell bearbeitbar. Die Oberfläche ist sehr glatt und homogen, so dass der Finish-Aufwand auf ein Minimum reduziert werden kann. Auf einer Laempe L10 im Coldbox-Verfahren können beispielsweise bei diesem Material mehr als 50 000 Abformungen erfolgen.

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Per CNC-Programm kann die vorher digitalisierte Reparaturstelle exakt bearbeitet werden.

Bereits kleine Beschädigungen oder die normale Abnutzung an Turbinenkomponenten, Maschinenteilen, Werkzeugen, Formen und Bauteilen verursachen sehr hohe Kosten. Betroffene Teile müssen oftmals komplett ausgetauscht werden. Deshalb lohnt sich in vielen Fällen ihre Instandsetzung. Aufgrund des geringen Wärmeeintrages und der hohen Prozessgenauigkeit gewinnt das Laserauftragschweißen zunehmend an Bedeutung als Instandsetzungsverfahren.

Die Vorbereitung für das Laserauftragschweißen umfasst auch eine Digitalisierung und Flächenmodellierung des Schweißbereiches und eine anschließende CNC-Programmierung der gewählten Aufbaustrategie und Schweiß-reihenfolge.

Im eingespannten Zustand
Viele Bauteile weisen nach ihrem Einsatz oder aufgrund ihres Herstellungsverfahrens Abweichungen von mehreren Zehntel mm zu ihren CAD-Daten auf. Deswegen – und weil man auch manuell vorbereitete Schweißbereiche einer CNC-Programmierung zugänglich machen möchte – wurden nun am Fraunhofer ILT Aachen Möglichkeiten geschaffen, ein Flächenmodell des Schweißbereiches vom Bauteil im eingespannten Zustand zu erstellen.

Trends µ-genau

Für komplexe Schweißaufgaben
LaCam3D ist als Offline-Programmiersystem von seinen Funktionalitäten so ausgelegt, dass der Prozessentwickler auch für kom-plexe Schweißaufgaben mit Nicht-Standard-Schweißstrategien zeitnah Schweißbahnen erzeugen kann. Darüber hinaus können dank seines modularen Aufbaus auch weitere, neue Schweißstrategien in das System integriert werden. Derzeit existiert ein Prototyp, der am Fraunhofer ILT Aachen bei der CNC-Programmierung für verschiedene Aufgabenstellungen genutzt und kontinuierlich weiterentwickelt wird.

Mit dem in die Laserauftragschweiß-Anlage integrierten Laserlinienscanner wird der Schweißbereich digitalisiert.

Dazu wird mit einem in die Laserauftragschweiß-Anlage integrierten Laserlinienscanner eine Digitalisierung ausgeführt. Die resultierende Punktewolke wird in ein 3D-Polygonnetz (stl) transformiert und als 3D-Modell für das Offline-Programmiersystem LaCam3D zur Verfügung gestellt. Um kurze Rechenzeiten für die verschiedenen CAD-Funktionalitäten auf dem Polygonnetz zu realisieren, wurde eine geeignete Topologie für das Netz abgeleitet. Diese gestattet einen schnellen Zugriff auf die Umgebung eines beliebigen Punktes bei den im allgemeinen nicht strukturierten Netzen. Die Prozessgenauigkeit des Laserauftragschweißens ermöglicht Bearbeitungsaufmaße von nur 0,5 mm und reduziert damit den Nachbearbeitungsaufwand in erheblichem Maße.

Um dies zu erreichen, müssen die Schweißbahnen der verschiedenen Lagen beim Laserauftragschweißen an der Mastergeometrie getrimmt werden. Die Mastergeometrie repräsentiert ein CAD-Flächenmodell des nicht beschädigten Bauteils, das den Schweißbereich einschließt. Diese Mastergeometrie wird per „best fit“ ins Bauteil mit einem Übermaß wegen der abschließenden spanenden Nachbearbeitung eingepflegt. Flächenmodell und Mastergeometrie begrenzen das Defizitvolumen, das auftraggeschweißt werden muss.

Exakte Abgrenzung
Die Bauteil- und Mastergeometrie werden LaCam3D im stl-Format zur Verfügung gestellt. Die Ausgabe der Mastergeometrie und damit der für die Bearbeitung relevanten Flächenbereiche vom CAD-Modell im stl-Format ist standardgemäß in allen gängigen CAD-Programmen implementiert.

Aus der Berandungslinie Schweißbereich (blau) und der Start-linie (rot) wird eine äquidistante Linienschar auf der Freiformfläche abgeleitet.

Zur Erzeugung der Schweißbahnen der ersten Lage auf dem Schweißbereich wird dieser zunächst über eine Berandungslinie abgegrenzt. Die Erzeugung einer Schar von äquidistanten Linien auf dem abgegrenzten Schweißbereich bedarf einer Startlinie. Diese kann beispielsweise über zwei Punkte definiert werden oder interaktiv per Maus eingegeben werden. Nachfolgend wird dieses Liniensegment mit frei wählbarer Richtung auf die Fläche projiziert. Relativ zu dieser Linie werden auf der Freiformfläche Äquidistanten in beiden Richtungen generiert, die an der Berandungslinie getrimmt und in einer vom Bediener zu wählenden Genauigkeit ausgedünnt werden. Dazu wird vom Programm eine Maske zur Verfügung gestellt, mit der die verschiedenen Optionen zur Bahngenerierung ausgewählt werden können. Dabei kann bei der Erzeugung der äquidistanten Schweißbahnen bereits gewählt werden, ob diese in Bezug auf die Schweißreihenfolge uni- oder bidirektional zueinander ausgerichtet sind.

Auf Kollisionen überprüfen
LaCam3D stellt Funktionalitäten zur Verfügung, mit der die Schweißreihenfolge und Schweißrichtung einzelner Bahnen modifiziert und die Laserleistung und Verfahrgeschwindigkeit auf den einzelnen Bahnen festgelegt werden können. Die Erzeugung der Bahnen höherer Lagen basiert auf einer Offsetberechnung. Um ein konturnahes Auffüllen der Mulde zu realisieren, werden die Bahnen der höheren Lage an der Mastergeometrie getrimmt. Zur Überprüfung möglicher Kollisionen des Schweißkopfes ist ein Simulationstool implementiert, mit dem die Bearbeitung vorab auf Kollisionen zwischen Laserbearbeitungskopf und dem Bauteil überprüft werden kann.

Für die CNC-Programmierung beim generativen Aufbau von Turbinenkomponenten ist das Programm mit einem dazu eigens entwickelten Modul ergänzt worden. Mit einem für die verschiedenen Anlagen hinterlegten Postprozessor wird der CNC-Code für die Bearbeitung generiert.

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Schnell und unkompliziert: Diese Sandformen werden direkt vom CAD-File gedruckt.

Der niederländische Pumpenhersteller Nijhuis gießt am Standort Winterswijk sowohl Pumpengehäuse als auch Laufräder mit einem Gewicht von bis zu 800 kg. Die Holländer haben bereits einige Projekte mit voxeljet abgeschlossen. voxeljet betreibt eines der führenden Dienstleistungscenter für die on-demand-Fertigung von Sandformen für den Metallguss und verfügt mit der VX4000 über einen Hochleistungsdrucker, der Sandformen mit einer Größe von bis zu 4 x 2 x 1 m drucken kann.

Vom 3D-Druck profitieren
„Gerade ein Unternehmen, in dem wie bei uns viele Prototypen und Kleinserien gefertigt werden, profitiert in punkto Zeit und Qualität enorm von den Möglichkeiten des 3D-Drucks“, erklärt Nijhuis-Entwicklungsingenieur Luke Vrielink. Die konventionelle Herstellung der Prototypen erfordert nämlich drei bis vier Monate von der Zeichnung bis zum bearbeiteten Gussteil. In der Regel gehen schon für die Herstellung des Holzmodells zwei bis drei Monate ins Land und dann noch weitere Tage, um die Sandform zu erstellen.

Ganz anders beim 3D-Druck: Hier ist die Durchlaufzeit signifikant kürzer. Sobald der CAD-Entwurf fertig ist, werden die Daten per Ee-Mail an die Auftragsabwicklung von voxeljet geschickt. Ausgehend von diesen 3D-CAD-Daten generiert einer der Hochleistungsdrucker im voxeljet-Dienstleistungszentrum in Augsburg die Formen werkzeuglos und vollautomatisch im Schichtbauverfahren. Der aufwändige und teure Umweg über die sonst notwendige Formeinrichtung entfällt. Selbst komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen lassen sich detailgetreu und hochpräzise generieren. Je nach Größe des Werkstücks dauert das Drucken ein bis zwei Tage.

Die Voxeljet VX4000 ist ein Hochleistungs­drucker für Sandformen mit einer Größe von bis zu 4 x 2 x 1 m.

Diese kurze Produktionszeit ist vor allem dann wichtig, wenn es sich um den Prototyp einer Pumpe handelt. Da die Pumpenfabrik Nijhuis stets Pumpen nach Maß entwickelt und baut, ist dies häufig der Fall. Dank der Möglichkeiten des 3D-Drucks der Sandgussformen kann der Pumpenhersteller die Anzahl der auf Lager gehaltenen Gussformen reduzieren und trotzdem schneller liefern, wenn zum Beispiel ein Teil einer Pumpe an Bord eines Schiffes ausgetauscht werden muss. Jeder Tag im Dock kostet eine Menge Geld. „Weil wir auch die großen Sandgussformen zu annehmbaren Kosten bei voxeljet drucken lassen können, sind wir in der Lage, schnell zu liefern, auch ohne das Modell vorrätig zu haben“, erläutert Luke Vrielink.

Höhere Qualität
Auch in der höheren Qualität sieht der Entwicklungsingenieur einen signifikanten Vorteil. Der 3D-Druck von Sandformen entspricht 1:1 dem Computermodell, während sich bei der handwerklichen Herstellung stets kleine Abweichungen ergeben. Je komplizierter die Form des Pumpenrads, desto größer sind die Einsparungen aufgrund des 3D-Drucks im Herstellungsprozess.

Nacharbeit vermeiden
Ein Beispiel ist das Schraubenkanalrad. „Die Form dieses Laufrads muss präzise sein, um Unwuchten zu vermeiden“, erklärt Vrielink. „Trotzdem müssen wir die Gussteile anschließend nachschleifen, um eine vorhandene Unwucht zu beseitigen.“ Nicht selten mehr als einen Tag lang. Bei der 3D-Technologie wird in der Entwurfsphase am Computer ausgewuchtet. Das Gussteil ist viel genauer und braucht weniger Nacharbeit.

Ein weiterer Vorteil der Drucktechnik von voxeljet ist die Verwendung von feinem Quarzsand. Im Vergleich zu handgefertigten Sandformen haben die Gussteile eine glattere Oberfläche. „Außerdem wird für jedes Laufrad eine entsprechende Sandform gedruckt, während wir anderenfalls Standardmodelle verwenden und ein größeres Übermaß gießen“, erläutert Luke Vrielink. „Das überschüssige Gussmaterial muss maschinell entfernt werden, und das kostet Zeit, die wir jetzt einsparen können.“

Trends µ-genau

Schneller zur Form
Die Prozesskette wird mit dem 3D-Druck deutlich gestrafft: Sobald der CAD-Entwurf fertig ist, werden die Daten per E-Mail an die Auftragsabwicklung von voxeljet geschickt. Ausgehend von diesen 3D-CAD-Daten generiert einer der Hochleistungsdrucker im voxeljet-Dienstleistungszentrum in Augsburg die Formen werkzeuglos und vollautomatisch im Schichtbauverfahren. Der aufwändige und teure Umweg über die sonst notwendige Formeinrichtung entfällt. Selbst komplexe Geometrien mit Hinterschneidungen lassen sich detailgetreu und hochpräzise generieren. Je nach Größe des Werkstücks dauert das Drucken ein bis zwei Tage. Die Pluspunkte des 3D-Druck-Vefahrens auf einen Blick:

• kurze Durchlaufzeit (wenige Tage)
• weniger Nacharbeit, da die Gussteile genauer sind
• 1:1-Übereinstimmung der Sandform mit dem CAD-Entwurf
• keine Lagerung und Wartung von Modellen

Kosteneinsparung bei Prototypen, Einzelstücken und Kleinserien

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Abtragende Verfahren dominieren nach wie vor die Prozesse in der Produktion. „Aber wer baut schon ein Haus, indem er Zimmer in einen Felsen meißelt?“ – Mit dieser provokanten Frage eröffnete Martin Geiger das 7. Coachulting Forum. Zu Recht, möchte man meinen, denn das Design sollte das Herstellungsverfahren bestimmen und nicht umgekehrt. Die Realität sieht anders aus. Dabei kam bereits 1987 das erste kommerzielle additive Fertigungsverfahren: die Stereolithographie. Heute geht es bei der Qualifizierung der additiven Fertigung in erster Linie darum, ob die Qualität für das gewünschte Ergebnis ausreicht. Denn die hängt häufig stark vom Alter der Anlage, dem verwendeten Material und dem Anlagenbetreiber ab. Der große Vorteil additiver Verfahren ist sicher, dass nahezu jede Form, die in einem 3D-CAD-Programm erzeugt werden kann, produzierbar ist. Das heißt, es sind selbst komplexe Geometrien und Freiformen möglich.

Trends µ-genau

Wirtschaftlich sinnvoll?
Additive Verfahren spielen da ihre Stärken aus, wo konventionelle Technologien an Grenzen stoßen. So lassen sich mit ihnen Geometrien erschaffen, die zerspanend nicht möglich sind. Neben einer neuen Freiheit fürs Produktdesign ermöglichen diese Technologien beispielsweise eine konturnahe Kühlung bei komplexen Konturen. Aber nicht immer ist Additiv der Königsweg: Konventionelle Geometrien werden nach wie vor die Domäne abtragender Verfahren bleiben. Und auch bei der Qualitätssicherung haben die additiven Verfahren noch Nachholbedarf – die Streuung in Sachen Reproduzierbarkeit ist teilweise weit größer als bei konventionell gefertigten Produkten.

Beim 7. Coachulting Forum in Wernau standen Rapid Product Development und Manufacturing im Vordergrund.

So ist etwa derzeit der Trend bei RT-Dienstleistern klar erkennbar: Man bietet – häufig gemeinsam mit Designbüros – Endkunden mit Rapid-B2C (Business-to-Consumer) eigene Produkte an. Unabhängig davon sind additive Verfahren heute in nahezu allen Branchen zu finden. Ob Medizintechnik, Maschinenbau, Werkzeug- und Formenbau, Luft- und Raumfahrt, man unterscheidet nach Anwendung und Wirtschaftlichkeit.

Baugeschwindigkeit erhöhen
Das Beispiel e-Manufacturing-Anwendungen von EOS macht dies deutlich: M270-Systeme sind in der Dentaltechnik bis in die Luft- und Raumfahrt zu finden. Mit dem EOSint M 280 stellte man auf der Tagung allerdings mit verbessertem Gasfluss in der Prozesskammer schon die Weiterentwicklung vor. Der verbesserte Gasfluss (Laminar-Strömung) ist wichtig, weil aufgrund des High-Intensity-Lasers mehr Pulver zu Kondensat verdampft. Vorrangig für den Anwender wird aber sein, dass mit der 400-W-Option eine höhere Produktivität möglich sein soll und die Beschichtungs-Geschwindigkeit um 50 bis 100 Prozent beschleunigt werden konnte. Die Beschichtungszeit macht bislang rund 30 Prozent der kompletten Bauzeit aus. Mit der Laminarströmung ist nun eine Beschichtungsgeschwindigkeit bis zu 150 mm/s möglich, weil weniger Spritzer auf die gesinterte Fläche fallen.

Figuren wie gedruckt: Pulverbasierter 3D-Druck ist inzwischen eine sehr interessante Alternative zu konventionellen Verfahren.

Wirtschaftlich in der Serie
Werkzeugmaschinenhersteller betrachten die Entwicklung additiver Verfahren sicher mit gemischten Gefühlen. Zumal in Wernau mit dem Strahlschmelzen ein Verfahren präsent war, das unter anderem im Aluminiumbereich das Gießen und Fräsen substituieren kann. Speziell im Bereich Prototypenwerkzeuge (Spritzguss, Polyamidguss) und Vorrichtungen hat man damit bei der citim GmbH ausgezeichnete Erfahrungen gemacht. citim-Geschäftsführer Andreas Berkau sieht die Zukunft des Strahlschmelzens zwar überwiegend als Ersatzverfahren im Bereich der Prototypenfertigung. Bei komplexen und kleinen bis mittelgroßen Bauteilen lassen sich damit aber deutliche Einsparungen von Fertigungszeit und Kosten realisieren. Für großvolumige Bauteile dagegen ist nach seiner Meinung das Verfahren noch nicht wirtschaftlich genug.

Kontinuierliches Bauen möglich
Dabei hat das Unternehmen Voxeljet gerade diese großvolumigen Bauteile im Fokus, denn ganz neue Dimensionen sind mit dem neuen großformatigen 3D-Drucksystem VX 4000 möglich. Mit einem Bauraum von 4000 x 2000 x 1000 mm wird damit das kontinuierliche Bauen über mehrere Bauplattformen möglich. Die Baufeldnutzung für individuelle Formen ist dabei variabel. Voxeljet verspricht mit der VX4000 einen effektiven Dauereinsatz dank eines robusten Aufbaus sowie einer schnellen und wirtschaftlichen Herstellung von großen Bauteilen und Serien.

Die Cirp GmbH in Heimsheim hat sich im Modell- und Prototypenbau in Automobil, Medizintechnik, Weiße Ware, Designer, Konstruktionsbüros und Spielwaren einen guten Namen gemacht. Speziell bei Design- und Funktionsmodellen sowie Kleinserien setzt man auf PUR-Vakuum- und Nylonguss. Die Vorteile von PUR-Vakuumguss beschreibt Geschäftsführer Ralf-D. Nachreiner mit niedrigen Werkzeugkosten und einer großen Materialvielfalt. Nachteile sieht er in der relativ geringen Ausbringung, dem hohen manuellen Aufwand und den Toleranzen. Die Vor- und Nachteile sind beim Nylonguss ähnlich gelagert: Auch hier sind die Werkzeugkosten niedrig, die Ausbringung begrenzt.

„Die direkte und schnelle Fertigung mittels addi- tiver Verfahren ermöglicht dank der fast grenzenlosen Freiheit in Form und Design die Herstellung individueller und optimaler Produkte.“ Andrzej Grzesiak, Leiter der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung am Fraunhofer IPA, Stuttgart

Um unter anderem eine stetige Verbesserung der eigenen Prozesse zu erreichen, nimmt cirp an internationalen Projekten teil. So auch am EU Projekt „Intelligent and customized tooling – IC2“. Dabei geht es um neue technologische und organisatorische Modelle für die Werkzeugbauindustrie.

Andrzej Grzesiak, Leiter der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung, sieht die Reproduzierbarkeit der Verfahren als ein Hauptthema der aktuellen Entwicklungen. Er stellt klar, dass die additive Fertigung konventionelle Verfahren wie Fräsen, Schleifen oder Erodieren keineswegs gänzlich ersetzen kann. Für additive Fertigung müssen die richtigen Anwendungsgebiete definiert werden. Und nur dort, wo sich handfeste wirtschaftliche und technische Vorteile ergeben, werden additive Verfahren vorhandene konventionelle Technologien ersetzen können.

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3D-Drucken im Motorsport: Aston Martin Racing entwickelte den neuen LMP1-Rennwagen in weniger als sechs Monaten.

Die Prototypen für die Konzept- und Testphase des neuen AMR-One (LMP1-Klasse) von Aston Martin wurden mit dem 3D-Drucker Stratasys Dimension hergestellt. Mit dem in weniger als sechs Monaten entwickelten Wagen treten die Werksfahrer von Aston Martin Racing beim Intercontinental Le Mans Cup 2011 (ILMC) an.

AMR entschied sich für den Dimension-Drucker wegen seiner Möglichkeiten für das Rapid-Prototyping. Die schnelle Fertigungsgeschwindigkeit und Qualität der Teile waren dem Team bereits aus einem früheren Projekt für das Rallye-Team Prodrive bekannt. Das Rennteam setzte den 3D-Drucker vor Ort für das Design, Tests und den Bau eines kompletten Fahrzeugs ein und konnte so den knappen Anmeldungstermin für den diesjährigen ILMC einhalten.

Der von Grund auf neu konstruierte Rennwagen AMR-One verfügt über ein neues, maßgeschneidertes Chassis aus Karbonfaser, ein offenes Cockpit und einen deutlich kleineren Motor. Alle Komponenten mussten während des Bauprozesses eingehend getestet werden. Der Dimension-3D-Drucker wurde in erster Linie für die Gestaltung und Prüfung der Motorteile sowie für die Anfertigung von originalgroßen Modellen von Chassis und Fahrersteuerungen verwendet.

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Fused Deposit Modeling (FDM)
Stratasys entwickelte den Rapid-Prototyping-Prozess, der als fixierte modellierende Absetzung (Fused Deposition Modeling – FDM) bekannt ist. Der Prozess erzeugt direkt aus jedem 3D-CAD-Programm funktionelle Modelle und Fertiggüter unter Verwendung von indus­triellen Hochleistungs-Thermoplasten.

Design und Bau des Rennwagens AMR-One erfolgten mit der FDM-Technologie von Stratasys. Auch Modelle von Motorkomponenten wurden in Originalgröße aufgebaut.

Hohes Maß an Effizienz
Mit dieser Vorgehensweise profitierte das Team nicht nur von einem hohen Maß an Effizienz, sondern konnte auch sicherstellen, dass das Regelwerk für die Fahrzeugkonstruktion des ACO – dem Dachverband für das Rennen von Le Mans – erfüllt wurde. Die gesamte Entwicklung des Fahrzeugs dauerte vom Herbst 2010 bis Ende Februar 2011.

Aston Martin Racing prüft jetzt, ob auch schraubbare Fahrzeugteile für den Rennwagen mit dem 3D-Drucker hergestellt werden können. Unter anderem wird überlegt, damit die aerodynamisch wichtigen Luftsplitter am Frontflügel anzufertigen.

Der AMR-One besticht mit einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Ästhetik und Aerodynamik – und dazu hat die FDM-Technologie entscheidend beigetragen: „Als wir den Auftrag für den Bau des Wagens für das diesjährige Rennen in Le Mans erhielten, stand außer Frage: Den engen Termin können wir nur mit Rapid-Prototyping einhalten“, erklärt George Howard-Chappell, Technischer Direktor von Aston Martin Racing. „Der Großteil des Motor-Prototypen wurde mit dem Dimension 3D-Drucker gefertigt. Das war im frühen Entwicklungsstadium enorm praktisch, weil wir so den Platzbedarf optimal auf den Fahrer abstimmen konnten. Ohne den 3D-Drucker könnten wir den Wagen heute nicht testen. Nach dem Erfolg beim AMR-One erwägen wir jetzt, mit einem anderen System von Stratasys Teile für die Endverwendung in kommenden Fahrzeugen herzustellen.“

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Beim Schritt in die Automatisierung ist es sehr wichtig, dass sich die Mitarbeiter damit identi- fizieren können. Deshalb macht es durchaus Sinn, bei der Automatisierung klein anzufangen.

Das Wachstum der ModellTechnik Rapid Prototyping GmbH stand in den vergangenen Jahren im unmittelbaren Zusammenhang mit der konsequenten Umsetzung der Qualitätsanforderungen der Kunden. Deren Forderungen nach schnellen Vorserien-Werkzeugen konnten mit der Herstellung von Aluminium-Prototypenformen und dem Einsatz von Rapid Tooling für den Kunststoff-Spritzguss realisiert werden.

Kurze Durchlaufzeiten als Grundlage für erfolgreiche Bearbeitung
Die Grundvoraussetzung für Erfolg sind – vor allem in der Automobilindustrie – kurze Durchlaufzeiten und so der mannlose Betrieb modernster CNC-Werkzeugmaschinen. Dabei hat man im thüringischen Waltershausen erst vor zwei Jahren mit der Automatisierung begonnen. Geschäftsführer Klaus Ullrich sieht diesen Schritt heute zwar als spät, aber nicht zu spät: „Sicher hätten wir mit der Automatisierung früher beginnen müssen“, erklärt er. „Aber wir haben vor rund fünf Jahren zunächst sehr stark in die 5-Achs-Frästechnik investiert. Uns war bewusst, dass wir in diesem Bereich unsere mannlosen Maschinenlaufzeiten drastisch erhöhen mussten. Deshalb haben wir bei den Elektroden und Formeinsätzen mit dem Robot Multi von Erowa als kleine Automatisierungslösung begonnen.“

Auch für den neuen Bereich der Mittelkonsolen, also größere Strukturteile, ist eine Automatisierungslösung bereits in der Planung.

Freilich wäre der Einstieg in die Automatisierung auch gleich im großen Stil möglich gewesen. „Uns war aber wichtig, die Bodenhaftung zu wahren“, betont Ullrich. „Wir wollten mit diesem Einstieg erst eigene Erfahrungen sammeln.“ Konkret bestückt der Erowa Robot Multi eine 3- und eine 5-Achs-Fräsmaschine. Auf der 3-Achs-Maschine werden für gewöhnlich Elektroden fertig bearbeitet. Aus Kapazitätsgründen geht man aber immer häufiger dazu über, die Elektroden auf der 3-Achs-Maschine fertig zu fräsen und das fünfachsige Schlichten auf die 5-Achs-Maschine zu verlagern. Das ist möglich, weil der Robot Multi mit dem ITS-Spannsystem die vorgegebene Positioniergenauigkeit innerhalb der 5 µm hält.

Voraussetzung hierfür ist freilich, dass die Werkstücke von Beginn an auf entsprechenden Werkstückaufnahmen positioniert werden. Bei der ModellTechnik sind das UPC-Paletten und MTS-Spannsysteme inklusive der ITS-Spannsysteme von Erowa. Mit diesem stimmigen Konzept ließ sich bei der ModellTechnik die mannlose Maschinenlaufzeit der 3-Achs-Maschinen mittlerweile auf 24 Stunden pro Tag, sieben Tage die Woche steigern. Deshalb sind Klaus Ullrich und der zuständige Meister im Formenbau, Marco Liebetrau, von der Lösung überzeugt. „Das System rechnet sich auf alle Fälle, denn allein für das Ergebnis einer Nacht wurden vorher zwei bis drei Tage benötigt“, erklärt Liebetrau. „Übers Wochenende sind das zwischen 70 bis 80 Elektroden.“

Flexibilität und Qualitätssicherung
Der Einsatz des Bestückungsroboters bringt neben der enormen Erhöhung der Maschinenlaufzeiten auch noch einen Mehrwert hinsichtlich Flexibilität und Qualitätssicherung: So lassen sich Verfahrenstechnologien variabel einsetzen, an die Umsetzung besonderer Konstruktionsmerkmale können die Verantwortlichen nun anders herangehen. Das ist vor allem beim Einsatz der 5-Achs-Bearbeitung von besonderer Bedeutung. Was unterm Strich zählt, sind sicher immer die Kosten. Das ist in Waltershausen nicht anders. Vom klassischen Aluminium-Prototypenwerkzeug bis zur Kombination mit gehärteten Formstahleinsätzen, der Auftrag Kunststoffteile so schnell, so qualitativ hochwertig und so preisgünstig wie möglich im Originalwerkstoff herzustellen, ist ständig präsent.

Die Positioniergenauigkeit des Robot Multi mit ITS-Spannsystem ermöglicht die Übergabe der Elektroden zum 5-Achs-Schlichten innerhalb von 5 µm.

Genauigkeit reduziert Fehlerquote
Mit nur acht bis zwölf Wochen vom Dateneingang bis hin zum kompletten Bauteil spielt man in Waltershausen sicher ganz vorn mit. Wesentlichen Anteil daran hat sicher die hohe Präzision, die mittlerweile mit der 5-Achs-Bearbeitung möglich ist. Der Robot Multi mit dem ITS-Spannsystem sichert diese Genauigkeit selbst bei der Übergabe in eine andere Maschine und reduziert damit auch die Fehlerquote. So passt bei der Endmontage eins zum anderen, die zeit- und kostenintensive Nacharbeit, wie beispielsweise das Tuschieren gehört deshalb in Waltershausen der Vergangenheit an.

Mitarbeiter müssen sich einbringen
Marco Liebetrau fokussiert diese Ergebnisse allerdings nicht allein auf die Maschinen und die Automatisierung: „Fakt ist sicher, dass zunächst das entsprechende technische Equipment geschaffen werden muss“, erklärt er. „Bei dem Schritt in die Automatisierung ist es aber auch von besonderer Bedeutung, dass sich die Mitarbeiter damit identifizieren können. Deshalb, aber auch, um das System auf die jeweiligen Bedürfnisse auf Maß zu schneidern, macht es durchaus Sinn, bei der Automatisierung klein anzufangen.“

Apropos klein: Waren bislang bei der ModellTechnik noch kleine und mittlere Werkstückgrößen dominierend, steigt man derzeit in die Kategorie Türen, Türträger und Mittelkonsolen ein. Aber selbst hier rechnet sich der Invest in eine Automatisierungslösung: „Es geht doch um das Erreichen maximaler mannloser Maschinenlaufzeiten“, erklärt Klaus Ullrich. „Nur so kann man bei den derzeit desolaten Preisen am Markt und dem weiter zunehmend asiatischen Wettbewerb bestehen. Unser Ziel war deshalb, wenn wir diese kleine Lösung beherrschen, einen Schritt weiter zu gehen. Mit unserem Einstieg in größere Werkstückstrukturen ist das deshalb für uns derzeit auch ein Thema.“

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Für innovative Spitzenleistungen der Knierim Werft sorgen Bootsbaumeister Gunnar Knierim und Steffen Müller. Die Unternehmenslenker sind überzeugt, dass in ihrer Branche Erfolg unmittelbar mit einem erfahrenen Team sowie Hightechwerkstoffen und modernsten Maschinen verbunden ist.

Um dem immer größer werdenden Anspruch an Genauigkeit und Qualität gerecht zu werden sowie die Produktionszeit zu verkürzen, entschloss sich Knierim 2004, eine große CNC-Portalfräsmaschine anzuschaffen.

„Unsere Idee, die Erfahrungen im Formen- und Modellbau sowie mit CFK- und GFK-Materialien für andere Industriezweige anzubieten, trug bereits erste Früchte“, erläutert Steffen Müller. „Es gingen Aufträge für Deckmöbel und Radarmasten für Luxusjachten ein. Auch erste Urmodelle für bis zu 70 m lange Rotorblätter von Windkraftanlagen wurden geordert. So war die Auslastung einer großen Fräsmaschine realistisch.“

Programmierung im eigenen Haus
Indes: Weder Steffen Müller, Gunnar Knierim noch einer ihrer Mitarbeiter hatte Erfahrung in der Fräsbearbeitung, deshalb sollte das Programmieren und die Bearbeitung im Haus von einem externen Partner übernommen werden. Die Geschäftsführer entschieden sich für ein fünfachsiges Bearbeitungszentrum „Poseidon“ des italienischen Herstellers CMS, das einen Arbeitsraum von 32,5 x 8,5 x 4 m bietet. Für Fräskapazität war gesorgt, doch der Plan mit dem externen Betreiber schlug fehl.

Also beschlossen Knierim und Müller, die Fräsbearbeitung selbst in die Hand zu nehmen. Sie gründeten 2005 die Knierim Tooling GmbH, die sich aufs Fräsen und den Formenbau konzentriert und der Muttergesellschaft sowie anderen Kunden zuarbeitet. Für die Unterbaukonstruktion und Maschinenprogrammierung engagierten sie externe Ingenieurbüros. Das Bedienen der Maschine übernahmen eigene Mitarbeiter.

Bald war klar, dass die Prozesse noch immer nicht optimal liefen. „Über kurz oder lang mussten wir mit eigenen Mitarbeitern das komplette Procedere übernehmen. Die wichtigste Investition war dafür ein geeignetes CAD/CAM-Programm“, erklärt Steffen Müller. „In der Regel erhalten wir CAD-Daten des gewünschten Endprodukts, aus denen wir einen geeigneten Unterbau konstruieren und die Formen ableiten. Die Fräsprogramme sollten in der gleichen Software generiert werden können.“ Sescoi konnte an einem praktischen Beispiel, einem Schiffsdeck, zeigen, wie intuitiv und schnell man mit WorkNC zum gewünschten Ergebnis kommen kann. „Das schien uns für unsere Aufgaben ideal“, erklärt Müller. „Da wir fast ausschließlich Einzelteile produzieren, haben wir uns ganz darauf konzentriert, dass sich Programme einfach erstellen lassen und zuverlässig laufen.“

Außerdem mussten Simulation und Kollisionskontrolle funktionieren sowie CAD und CAM mit großen Datenmengen zurechtkommen. „Obwohl weder Gunnar Knierim noch ich Erfahrung mit dem Programmieren hatten, konnten wir nach wenigen Stunden Schulung mit WorkNC funktionierende, sichere Ergebnisse erreichen“, erklärt Müller. „Sogar für freigeformte Teile konnten wir fünfachsige Programme erstellen.“

Weitere Fräsmaschinen installiert
Inzwischen hat die erste Poseidon Unterstützung von einer zweiten bekommen, die sogar noch 2,5 m länger ist. Eine dritte CMS-Portalfräsmaschine mit einem Arbeitsraum von 6 x 5 x 2 m übernimmt die „Kleinarbeit“. Auch in eine weitere WorkNC-Lizenz wurde investiert.

In die meisten Projekte ist WorkNC vom CAD bis zum Fräsen und Bepasten voll eingebunden. Etwa beim Erstellen von Formen für Rotorblätter für Windkraftanlagen, die zwischen 24 und 70 m lang sein können: Der Kunde liefert die CAD-Daten der Oberfläche. Über die entsprechende Schnittstelle werden die Daten ins WorkNC-CAD importiert.

Im CAD werden dann die Kurven für den Unterbau abgeleitet und die Formränder bearbeitet. Ein Stahlgestell wird konstruiert sowie Spanten, die aus Holz gefräst werden. Diese Spanten – eine Technik aus dem Bootsbau – werden auf das Stahlgestell in einem bestimmten Abstand aufgebracht. Darauf kommt eine Sperrholzschicht als Träger fürs vakuumdichte Laminat.

Als nächste Schicht folgt Balsaholz. Dieser Balsa-Kern wird gefräst, um das Modell zu kalibrieren. Dazu werden die Daten aus dem CAD- in den CAM-Teil übernommen, das NC-Programm wird von WorkNC praktisch auf Knopfdruck generiert.

Langlebige Form zur Produktion von Rotorblättern für Windkraftwerke
Es folgt eine weitere Laminatschicht, die mit der ersten verbunden wird, um eine vakuumdichte Struktur zu erreichen, sowie das Bepasten des Formkerns mit faserverstärktem Epoxydharz. Diesen Vorgang übernehmen in den meisten Fällen wiederum die Bearbeitungszentren. Um einen gleichmäßigen Abstand zur Oberfläche zu erhalten, werden hierfür fünfachsige Bahnen generiert, was mit WorkNC ebenso einfach ist wie dreiachsiges Fräsen. Nach dem Härten wird die Form erst geschruppt, dann auf etwa ein Zehntel genau geschlichtet und schließlich von Hand noch aufbereitet. So entsteht eine langlebige, vakuumdichte Form, mit der zahlreiche Rotorblätter produziert werden können.

„Bei unseren Formen, seien sie für Windkraftanlagen oder Bootsrümpfe, nutzen wir eine Vielzahl an Funktionen – sowohl im CAD- als auch im CAM-Teil“, erläutert Müller. „Bisher habe ich noch kein anderes Programm kennengelernt, das so einfach zu bedienen ist und so schnell zu einem sicheren Ergebnis führt. Ein Programm zum Schruppfräsen eines Rotorblattes ist in wenigen Stunden fertig.“

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Fast schon überfüllt war der nicht gerade kleine Vortragsraum im Institutszentrum der Fraunhofer-Gesellschaft in Stuttgart Vaihingen. Es war zu spüren, dass das Thema der generativen Technologien an Fahrt aufnimmt – längst nicht mehr nur im Prototyping-Bereich, sondern inzwischen auch als ernstzunehmende Alternative im Bereich der Serienfertigung.

Sehr gezielt nutzt beispielsweise die Festo AG die generativen Technologien – unter anderem für Sonderlösungen, auch in Kombination mit Katalogprodukten. „Hier ist die Geschwindigkeit oft ein wesentlicher Faktor“, betonte Stefan Schwerdtle, Leiter Supply Management im Solution Engineering Center Europe bei Festo. „Das schnelle Erstellen von Mustern führt nach unserer Erfahrung zu einer deutlich besseren Kundenbindung. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, einen Auftrag zu bekommen.“ Zudem können Geometrie-Prototypen die Lösungsfindung effizient unterstützen. Festo wird sich in der „Festo Fast Factory (FFF)“ auch in Zukunft mit den generativen Technologien befassen – automatisierte Programmierung und das Evaluieren und Umsetzen weiterer generativer Technologien stehen hier im Fokus.

Konstante Qualität ist der Schlüssel für den Einsatz generativer Technologien in der Serienfertigung. Manfred Schmid, Leiter F+S SLS bei der Inspire AG, zeigte die relevanten Parameter anhand des Selektiven Lasersinterns (SLS): „Qualitätsbestimmende Faktoren sind das Equipment, das Material, die Produktions- und Batchparameter sowie das Bauteil selbst“, erläuterte er. „Qualität steht zudem immer im Spannungsfeld zu Kosten und Zeit – sprich: Qualität kostet Zeit und Geld.

Qualität ist auch eine Kostenfrage
Hier stellt sich die Frage, welche Qualität sich jeweils mit akzeptablen Kosten erreichen lässt.“ Geeignete Basisnormen für generative Verfahren stehen derzeit nur teilweise zur Verfügung. „Mit der Erarbeitung solcher Normen bietet sich ein wichtiger Ansatz, die Qualitätskosten im Einsatz generativer Verfahren zu senken.“

In der gesteuerten Automatisierung vor- und nachgelagerter Prozesse sieht Andreas Fischer, Wissenschaftlicher beim Fraunhofer IPA, einen der Schlüssel, den Polyamid-Lasersinter-Prozess zu einem praxis­tauglichen Fertigungsverfahren mit hoher Prozesssicherheit weiterzuentwickeln. „Das Mischen der Pulver und das Befüllen der Anlagen erfolgt bislang meist manuell“, erklärte er. „Da Homogenität und Mischverhältnis wichtige Faktoren für die spätere Bauteilqualität sind, ist der manuelle Eingriff stets eine potenzielle Fehlerquelle.“ Mit der automatischen Misch- und Befüllanlage „puryfill“ wird diese Fehlerquelle vermieden, zudem lassen sich so effizient Personalkosten einsparen. „Mittels Dichtstromtechnik – hier wird viel Pulver und wenig Luft gefördert – kann das Pulver ohne großen Aufwand über bis zu 20 m transportiert werden“, erläuterte Fischer. „Der Kontakt zwischen Pulver und Mitarbeiter kann mit der „puryfill“ minimiert werden, das führt letztendlich zu einem sauberen Prozess.“

Das sagt die Redaktion

Generative Technologien sind inzwischen etabliert
Gerade der Werkzeug- und Formenbau hat bei diesen „form-losen“ Verfahren keine Berührungsängste, ist vielmehr einer der Schrittmacher: Hier werden beispielsweise für konturnahe Kühlungen längst konventionelle und generative Verfahren geschickt kombiniert. Und im Prototyping sind die additiven Fertigungsverfahren sowieso längst etabliert. Die meisten Kinderkrankheiten, so scheint es, sind inzwischen überstanden, viele der Technologien sind reif für die Anwendung. Trotzdem: Es steckt noch sehr viel Potenzial in diesem Bereich. Wer sich in diesem Feld engagiert, hat nach wie vor die Chance, sich vom Wettbewerb abzuheben und mit Know-how und Fertigungsmöglichkeiten zu punkten, die ein potenzieller Kunde sonst vergeblich sucht.
Richard Pergler

Möglichkeiten bislang eingeschränkt
Mit Kunststoffen für die direkte Bauteilfertigung beschäftigen sich Professor Dietmar Drummer, Dominik Rietzel und Florian Kühnlein am Lehrstuhl für Kunststofftechnik an der Universität Erlangen-Nürnberg. „Verglichen mit der Vielzahl der wirtschaftlich genutzten Thermoplaste in anderen Kunststoffverarbeitungsverfahren sind aufgrund der beschränkten Materialauswahl die Möglichkeiten der generativen Verfahren bislang deutlich eingeschränkt“, erklärte Dominik Rietzel. „Seit einigen Jahren werden vermehrt neue Werkstoffsysteme für die generative Fertigung erforscht. Darunter fallen sowohl Modifikationen der Matrixwerkstoffe als auch mit Additiven und Füllstoffen versehene Systeme.“ Ein Abriss der wesentlichen Kriterien und des Potenzials beim Einsatz neuer Thermoplastpulver sowie aktueller Entwicklungen in diesem Bereich rundeten seinen Beitrag ab.

Robuste Kunststoffmodelle aus 3D-Datensätzen fertigen
Dass generative Technologien auf dem Vormarsch sind, zeigt der Einstieg von Hewlett Packard (HP) in den Druckermarkt: „Unsere neuen Geräte wurden speziell für den MCAD-Sektor sowie für den Bereich der technischen Ausbildung entwickelt“, erklärte Michael Hölz, Business Development Manager 3D Printing Germany/UK bei HP in Bad Homburg. „Mit den HP-Designjet-3D-Printern lassen sich robuste Kunststoffmodelle aus den von den 3D-Konstruktionsprogrammen gelieferten Datensätzen erzeugen.“ Für die beiden Modelle – zusätzlich zum Standardmodell gibt es auch den HP Designjet Color 3D – versprechen hohe Zuverlässigkeit und niedrige Gesamtkosten bei einfacher Handhabung: „So lassen sich auf einfache Weise Entwicklungskosten senken“, erläuterte Hölz. „Beide Drucker sind sehr zuverlässig und versprechen einen niedrigen Wert bei der Total Cost of Ownership (TCO).“

Teile für den Renneinsatz
Die Brammo, Inc. ist eines der führenden Unternehmen für elektrische Fahrzeuge in Nordamerika, mit dem Empulse-RR-E-Bike nimmt der Hersteller auch an der neuen FIM-e-Power-Serie teil. „Auf der Grundlage eines Serienmotorrads wurde für das Empulse RR vor allem an der Aerodynamik und Beschleunigung gearbeitet“, berichtete Frank Cremer, Regional Sales Director bei 3D-Systems in Darmstadt. „Die Seitenabdeckungen wurden dabei auf einem iPro-SLA-Center von 3D-Systems gefertigt.“ Zum Einsatz kam der neue Accura-Xtreme-Kunststoff mit den Materialeigenschaften von spritzgegossenem ABS. „Das erhöhte e-Modul und die hohe Kerbschlagzähigkeit des Werkstoffs“, so Cremer, „ermöglichen erstmals den direkten Renneinsatz der im Windkanal ermittelten optimalen Geometrien der Abdeckungen.“

Die Entwicklung und Fertigung keramischer Bauteile als Funktionsmuster und Prototypen ist einer der Schwerpunkte der Arbeit von Reinhard Lenk, Hans-Jürgen Richter und Jens Stockmann am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS). „Technische keramische Bauteile haben ihre bevorzugten Einsatzfelder dort, wo die generellen Werkstoffe des Werkstoffs Keramik im Vergleich zu anderen Materialien wie Metallen oder Kunststoff zum Tragen kommen“, erklärte Hans-Jürgen Richter. „Als formgebende Verfahren stehen sowohl konventionelle als auch generative Verfahren zur Verfügung.“ In seinem Vortrag zeigte Richter unterschiedliche Beispiele sowohl konventionell mittels Grünbearbeitung hergestellter Produkte als auch mittels formgebender Verfahren unter Nutzung indirekter Prozessketten und mittels der generativen Verfahren Lasersintern und 3D-Drucken hergestellter Produkte.

Alternative für kleine Losgrößen
Für Losgrößen vom Einzelstück bis zu mehreren tausend Stück kann Selective Laser Melting (SLM) eine wirtschaftliche Alternative sein: „Um im Wettbewerb bestehen zu können, setzen inzwischen immer mehr Unternehmen auf individualisierte und gleichzeitig sehr hochwertige Produkte“, erläuterte Heinrich Schleifenbaum, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen. „SLM kann hier als generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung metallischer Bauteile einen wesentlichen Beitrag leisten.“ Dass das Verfahren bislang kaum über den Status der Prototypenfertigung hinaus als serientaugliches Verfahren genutzt wird, ist auf die Limitierungen der bestehenden Anlagentechnik zurückzuführen. „Am ILT wurde daher ein Anlagenkonzept entwickelt, das die Verarbeitung metallischer Werkstoffe mit bis zu 1 kW Laserleistung und variabel einstellbarem Strahldurchmesser ermöglicht“, erläutert Schleifenbaum. „So kann die Aufbaurate und somit die gesamte Prozesseffizienz bei gleichzeitiger Beibehaltung der bisher erzielbaren Genauigkeit deutlich erhöht werden.“

Die Entwicklung des Laserschmelzverfahrens hat den Werkzeugbauanwendungen generativer Verfahren neuen Schub verliehen. „Im Gegensatz zu früheren Rapid-Tooling-Verfahren zur schnellen Fertigung von Vorserien und Prototypenwerkzeugen steht indes heute die Integration neuer Funktionen und Mehrwerte in Serienwerkzeugen im Vordergrund“, betonte Bernhard Müller, Gruppenleiter Generative Fertigungsverfahren am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU). Neben Anwendungen zur konturbezogenen Kühlung im Kunststoff-Spritzguss und Leichtmetall-Druckguss werden weitere Werkzeugbauanwendungen erschlossen: „Dabei stehen Umformverfahren im Mittelpunkt“, erläuterte Müller. „Das gilt sowohl in der Blech- als auch in der Massivumformung.“

Prädestiniert für Leichtbau
Bedingt von steigenden Rohstoffpreisen und einen starken Konkurrenzkampf stehen gerade Unternehmen der Luftfahrtindustrie unter hohem Druck bei der Entwicklung rohstoff- und energieeffizienter Produkte. An der technischen Universität Hamburg-Harburg beschäftigen sich Professor Claus Emmelmann, Eric Wycisk und Jannis Kranz mit generativen Technologien wie dem Laserstrahlgenerieren: „Besonders im Leichtbau können solche Verfahren neue Lösungen eröffnen“, erklärte Jannis Kranz. „Sie werden zunehmend in Konkurrenz zu etablierten Verfahren wie der spanenden Bearbeitung oder dem Feingießen treten.“ Die Verwendung von Finite-Elemente-basierter Optimierungssoftware und neuer Konstruktionsansätze wie bionischer Suchfeldanalysen im Entwicklungsprozess erzeugt Strukturen, die sich konventionell nicht mehr fertigen lassen. „Hier ermöglicht das Laserstrahlgenerieren eine genaue Umsetzung solcher innovativer Leichtbaukonstruktionen“, betonte Kranz. „Damit wird der Leichtbautechnologie neues Potenzial erschlossen.

Ausstellung war sehr gut besucht
Neue Standards in der Kunststoffentwicklung und Beispiele für die generative Herstellung von Bauteilen und Werkzeugeinsätzen im Spritzgießen präsentierten Wolfram C. Völker von EOS und Ralph Mayer vom LBC Laserbearbeitungszentrum in Kornwestheim. Dieter Schwarze von MTT Technologies zeigte, wie insbesondere in der Luftfahrtindustrie mittels SLM trotz des Wechsels zu TI-Legierungen weiters Gewicht unter Beibehaltung der geforderten Stabilität eingespart werden kann.

Eine interessante Ausstellung, die von den interessierten Teilnehmern insbesondere während der Pausen gut besucht wurde, sowie eine RPD-Session und eine Führung durchs Institut rundeten die gelungene Tagung ab.

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Die generativen oder additiven Fertigungsverfahren werden erwachsen – das war auf der Tagung zum Thema „Rapid Manufacturing“, die das IWB der TU München in Augsburg veranstaltete, deutlich zu spüren. Längst werden generativ gefertigte Werkstücke nicht mehr nur für Prototypen und zur Produktentwicklung verwendet, zunehmend kommen sie auch in Endprodukten zum Einsatz. Immer mehr Anwender auch aus dem Werkzeug- und Formenbau steigen in diese Technologien ein, neue Verfahren werfen ihre Schatten voraus. Vor diesem Hintergrund bat die Redaktion werkzeug&formenbau am Rand der Tagung zum Expertengespräch.

„Generative Verfahren ermöglichen den Aufbau von Bauteilen aus unterschiedlichsten Materialien und in hoher Komplexität“, betont Michael F. Zäh, Professor des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik am iwb der TU München. „Das ermöglicht, individualisierte Produkte wirtschaftlich umzusetzen.“ Generative Verfahren bauen die Werkstücke schichtweise auf: Die Werkstückgeometrien werden per „Slicing“ aus dem 2D-Volumenmodell gewonnen. Im Bauprozess wird das Bauteil dann schichtweise verfestigt.

„Die generativen Verfahren sind, verglichen etwa mit denen der zerspanenden Fertigung, noch jung“, erklärt Zäh. „Deshalb bestehen hier noch enorme Entwicklungspotenziale bei Prozessqualifizierung und -kontrolle, dem Design der Produktgeometrien, aber auch der Qualifizierung und Weiterentwicklung geeigneter Materialien.“

Verlässliche Eigenschaften
Für die Serienfertigung müssen generative Verfahren verlässliche, reproduzierbare und nachverfolgbare Prozesse und Materialeigenschaften bieten können. „Eines der Hindernisse ist das Fehlen von Normen“, erläutert Sylvia Monsheimer, Expertin für Materialentwicklung bei Evonik. So lassen sich etwa die Ergebnisse von Versuchen nur sehr schlecht miteinander vergleichen, wenn die Prüfkörper mit unterschiedlichen Bauparametern erstellt wurden.

„In additiven Verfahren lassen sich sehr gute mechanische Eigenschaften erreichen, die sich durchaus mit denen vergleichen lassen, die ein per Spritzgießen aus dem gleichen Basiswerkstoff hergestellter Probekörper hat“, erklärt sie. „Die pulverbasierten generativen Verfahren haben gerade für die Serienfertigung große Vorteile, da sie etwa für den Aufbau der Werkstücke keine Stützkonstruktionen benötigen: das umliegende Pulver stützt die Bauteile.“

„Die generativen Technologien bewegen sich inzwischen deutlich aus der Nische des Prototypenbaus heraus“, erklärt Monsheimer. „Ein Indiz dafür ist der steigende Bedarf an Hochtemperaturwerkstoffen, die in generativen Verfahren verarbeitet werden können. So eröffnet lasergesintertes PEEK neue Einsatzmöglichkeiten, insbesondere im Flugzeugbau oder im Bereich Medical.“

Neue Werkstoffe gefordert
Trotzdem ist die Auswahl an Werkstoffen für generative Verfahren noch stark eingeschränkt: „Während Produktentwickler beim Spritzgießen aus rund 40 000 unterschiedlichen Kunststoffen wählen können, stehen für generative Verfahren gerade einmal 35 Formulierungen zur Verfügung. Diese lassen sich auf sechs Grundkunststoffe zurückführen, die meisten auf die Polyamiden PA12 und PA11“, erklärt Peter Mischke vom Modellbau Robert Hofmann in Lichtenfels. „Hier sind Anlagenbauer, Materialhersteller und Anwender gleichermaßen gefordert, die Entwicklung neuer Materialien voranzutreiben.“

Vergleichbare Materialien
Beim Spritzgießen ist beispielsweise PP-TV20 ein weit verbreitetes Material. „Für Prototypen, aber durchaus auch für Serienbauteile wollten wir ein Material zur Verfügung stellen, das sich ähnlich verhält wie dieser Werkstoff“, erläutert Mischke. „Hofmann hat deshalb ein Polypropylen für die Verarbeitung im SLS-Verfahren entwickelt.“

Das neue PP-GB20 ist mit 20 Prozent Glaskugeln verstärkt, die mechanischen Kennwerte liegen im Bereich des PP-TV20. „Lediglich bei den Festigkeitswerten – Bruchdehnung und Kerbschlagzähigkeit – muss man bei generativ eingesetzten Materialien Abstriche machen“, erklärt Mischke. „Andererseits erschließt das neue Material mit seinen Eigenschaften Gebiete, in denen bislang Kompromisse gemacht werden mussten.“

Konkurrenz fürs Spritzgießen
Dass generative Technologien konventionellen Verfahren wie dem Spritzgießen Paroli bieten können, das ist die feste Überzeugung von David Schäfer von Sintermask, einem Unternehmen der FIT-Gruppe: „Spritzgießen ist aufgrund der hohen Werkzeugkosten erst bei hohen Stückzahlen effizient, darüber hinaus ist man bei der Gestaltung der Werkstücke stark eingeschränkt“, erklärt der Entwicklungsingenieur. „Wir wollen mit einer neuen Technologie die Vorteile der generativen Fertigung auch in den Bereich größerer Bauteile und höherer Stückzahlen transportieren.“

Möglich machen soll dies das Selective Mask Sintering (SMS): „Hierbei wird im Unterschied zu gängigen Anlagen das Pulver nicht per Rakel aufgetragen“, erklärt er. „Mit einem ,Powder Shuttle‘ können wir sehr schnell und definiert eine sehr homogene Pulverschicht auftragen und zudem auch noch verdichten. Mit diesem geschlossenen System lässt sich eine sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit erreichen.“

Ganze Arbeitsfläche belichten
Der Clou des Verfahrens steckt in der Belichtung: „Während bisher der Werkstoff Punkt für Punkt aufgeschmolzen wird, wollen wir per Licht- oder Energieblitz die gesamte Arbeitsfläche auf einmal belichten“, erklärt Schäfer. „Die Bauteilstruktur wird über eine Maske aus Keramikpulver aufs Material projiziert – die Maske wird für jede Schicht neu generiert, und das Keramikpulver wird wiederverwertet.“ Die Belichtung via Maske ermöglicht eine hohe Energieübertragung in sehr großer Geschwindigkeit. „Zudem wird die Energie homogen in den Werkstoff eingebracht, was ein gleichmäßiges und schonendes Aufschmelzen ermöglicht“, erklärt Schäfer. „Das Material kann so deutlich schonender behandelt werden als bei strahlgebundenen Verfahren – es entstehen weniger Spannungen im Bauteil.“ Die ersten einsatzfähigen Anlagen erwartet Schäfer im kommenden Jahr.

Dass die Prozesse generativer Verfahren durchaus Optimierungspotenzial haben, zeigen die Forscher am iwb Anwenderzentrum Augsburg: „Wir haben den 3D-Kunststoff-Druckprozess unter die Lupe genommen“, erläutert Imke Nora Kellner. „Da hierbei im Gegensatz zum Strahlschmelzen keine Wärme ins Bauteil eingebracht wird, sondern sich das Kunststoffpulver mit einem Binder in einer chemischen Reaktion verfestigt, sind keine Stützkonstruktionen notwendig. Das 3D-Drucken hat hohes Potenzial zur Herstellung komplexer kundenindividueller Produkte.“

Mehrstufiges Simulationsmodell
Die Bauteile sind aktuell wegen ihrer geringen Dichte bestens für den Feinguss geeignet. Die Herausforderung liegt jedoch in der Überführung ins Rapid Manufacturing: „Hier müssen wir ansetzen, um die Akzeptanz des Verfahrens weiter zu erhöhen und neue Märkte zu erschließen“, ist Kellner überzeugt. „Zur besseren Qualifizierung und Auswahl der Materialien haben wir ein mehrstufiges Simulationsmodell entwickelt: Zuerst wird eine Multiskalensimulation zur Ermittlung der Kennwerte des Binders aufgebaut. Anschließend wird die Mikrostruktur des Materials modelliert. Mit diesen Modellen und den bekannten Werkstoffkennwerten lassen sich etwa die Spannungen in der Materialstruktur simulieren. Eine parallel entwickelte Schwundsimulation kann unser Prozessverständnis weiter verbessern.“

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt im Einbringen eines zweiten, beliebigen Materials in den Prozess: „Der Fokus liegt in der Erstellung mechatronischer Produkte mittels Integration von Leiterbahnen“, erläutert Kellner. Mit einem neu entwickelten Auftragsmodul, das sich an den Techniken der Klebstoffdosierung orientiert, kann das Material voxelweise eingebracht werden.

„Eine zukünftige Forschungsaufgabe wird sein, die Präzision des Multimaterialauftrags nochmals zu erhöhen“, erklärt Kellner. „Darüber hinaus wollen wir auch unsere Simulationsmethoden weiter verbessern. Insbesondere bei der Schwundsimulation gibt es aus unserer Sicht noch Optimierungspotenzial.“

Bauparameter sind entscheidend
Nicht nur bei Kunststoff, auch in der generativen Metallverarbeitung, etwa beim Strahlschmelzen, haben die Bauparameter einen entscheidenden Einfluss: „Wir haben am Beispiel der Nickelbasis-Legierung Hastelloy-X eine Verfahrenssystematik zur Qualifizierung neuer Werkstoffe erarbeitet“, erklärt Jan T. Sehrt vom Institut für Produkt Engineering an der Universität Duisburg-Essen. „Im Vordergrund stand die Ermittlung der jeweils optimalen Belichtungsparameter wie Fokuslage des Lasers, Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Spurabstand, Streifenüberlappung sowie die Materialskalierung für die Herstellung maßhaltiger Bauteile.“

In aufwändigen Versuchsreihen wurden die Parameter variiert und die Ergebnisse überprüft. „So bilden sich etwa für unterschiedliche Fokuslagen sehr charakteristische Schweißbilder aus – per Lichtmikroskop lassen sich Fehlstellen, aber auch die Gleichmäßigkeit der einzelnen Schweißraupen detailliert untersuchen und Rückschlüsse auf Zusammensetzung und Eigenschaften des Versuchsbauteils gewinnen.“

Im Blickpunkt der Forscher steht dabei auch die Dichte der Bauteile: „Hier spielen die Belichtungsparameter eine große Rolle“, betont Sehrt. „Wird etwa die Scangeschwindigkeit zu groß gewählt, können sich die einzelnen Schweißraupen nicht mehr vollständig überlappen, es entstehen unerwünschte Hohlräume und Poren.“

Neben den relevanten Belichtungsparametern ermittelten die Forscher auch materialabhängige Skalierungs- und Strahlverschiebungswerte: „Das ist notwendig, weil es während des Aufschmelzens und Erstarrens zu Abweichungen aufgrund von Schwund kommen kann“, berichtet Sehrt. „Mit materialabhängigen Korrekturwerten kann dieser Schwund weitestgehend ausgeglichen werden – die Bauteilgeometrien lassen sich so exakt aufbauen.“

Werkstücke mit Tücken
In der industriellen Praxis generativ zu fertigender Bauteile spielen indes weit mehr Parameter eine Rolle: „Wir wollen generativ gefertigte Bauteile auch in sicherheitsrelevanten Bereichen verwenden“, erklärt Frank Palm von EADS Deutschland. „Reale Bauteile sind dreidimensionale Gebilde mit Ecken, Kanten, Durchbrüchen, Bohrungen und Querschnittsänderungen und -sprüngen. Hier ist es etwa wichtig, zusätzlich zu weiteren funktional geprägten Eigenschaften neben der statischen Festigkeit und Dehnung auch die Kerbzähigkeit mit zu betrachten.“ In Versuchen wurde festgestellt, dass mittels generativer Verfahren hergestellte Werkstücke dabei durchaus mit konventionell gefertigten Teilen mithalten können.

Mehr noch, mit geeigneter Prozessführung können bei der generativen Werkstofftransformation sogar gezielt positive Materialeigenschaften generiert werden: „Das Umschmelzen von Pulver in einen neuen Feinguss-Werkstoff basiert auf sehr kleinen Schmelzebädern, die aufgrund der hohen Geschwindigkeit von Laser- oder Elektronenstrahl sehr schnell erstarren“, erläutert Palm. „Mit den sehr schnellen Erstarrungsgeschwindigkeiten lassen sich gezielt sehr feine dendritische und globulitische Strukturen schaffen, es kommt also zu einer Feinkornhärtung.“ Weitere Effekte der Schnellerstarrung können unter anderem eine hohe Mischkristallverfestigung, seine hohe mittels Wärmenachbehandlung stimulierte Ausscheidungshärtung (Teilchenhärtung) und die deutliche Reduktion von Seigerungen im Vergleich zu konventionell erstellten Bauteilen sein.

„Die neuen Schichtbauverfahren für Metalle können bei passender Auslegung der Prozesse den Spielraum der Metallurgie deutlich erweitern“, betont Palm. „Sie verhelfen der guten alten Pulvermetallurgie mit ihren Schnellerstarrungs-Eigenschaften zum Durchbruch, da sich so sehr gezielt ganz erstaunliche Festigkeitspotenziale erschließen lassen.“

Noch großer Handlungsbedarf
Die Qualifizierung von neuen und die Weiterentwicklung bestehender Materialien und Werkstoffsysteme sind die Basis für einen zukünftigen Einsatz generativer Verfahren in bislang noch unerschlossenen Bereichen. „Es gibt noch sehr viel Handlungsbedarf bei der Weiterentwicklung der Technologien“, betont Zäh. „Das betrifft sowohl die Qualifizierung von Werkstoffen und Technologien als auch eine tiefgreifende Weiterentwicklung unseres Material- und Prozessverständnisses. In jedem Fall wird auch zukünftig eine intensive Vernetzung von Wissenschaft und Industrie notwendig sein, um auf die vielen neuen Anforderungen und Rahmenbedingungen reagieren zu können.“

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