Schicht für Schicht

3-D-Druck: Wie additive Verfahren die industrielle Fertigung verändern

Kühne Formen, wenig Gewicht: Dreidimensionaler Druck ergänzt in der Industrie Techniken wie Schmieden, Fräsen oder Gießen. Bauteile entstehen so Schicht für Schicht. Das verschafft Entwicklern Vorsprung im Wettbewerb.

München. Prototypen drucken war gestern. Jetzt nimmt der 3-D-Druck die nächste Hürde: Die additiven Verfahren werden in die Serienfertigung integriert. In vielen bayerischen Betrieben stehen die computergesteuerten Modelliermaschinen schon. Laserlicht, Metallpulver und Kunststoff von der Rolle ergänzen herkömmliche Techniken wie Schmieden, Fräsen oder Gießen.

Knapp 40 Prozent der deutschen Unternehmen nutzen 3-D-Druck bereits, so die Beratungsgesellschaft EY. Vorreiter sind der Auto- und Flugzeugbau, da zählt jedes Gramm. Bis zur Hälfte der Teile soll hier künftig aus dem Drucker kommen.

Ersatzteile entstehen an Ort und Stelle

Das spart Material und ermöglicht mehr Freiheit in der Konstruktion. Hochkomplexe Teile bestehen nur noch aus einem Stück, sind dadurch leichter und doch stabil. Auch kleine Serien und individualisierte Produkte werden rentabel. Ersatzteile werden an Ort und Stelle gedruckt, das spart Platz im Lager.

Der Zukunftsrat der Bayerischen Wirtschaft sieht additive Fertigung als wichtigen Trend der Digitalisierung. Das von der Vereinigung der Bayerischen Wirtschaft gegründete Expertengremium empfiehlt, Anwenderzentren einzurichten, um die Technik in die Breite zu tragen.

Pulver oder Rolle: Viele Verfahren

  • Laserschmelzen: Ein computergesteuerter Laserkopf fährt über ein Pulverbett und schmilzt das dort ausgebreitete Material. Nach jedem Schritt wird die Platte um genau die Höhe der entstandenen Schicht abgesenkt.
  • Laser-Sintern: Spezialpulver mit Bindemittel wird nur teilweise aufgeschmolzen und dabei fest verbacken.
  • Extrusion: Kunststoff von der Rolle schmilzt wie in der Heißklebepistole in einer beheizten Düse und wird strangweise abgelegt. Das nutzen Drucker für den Hausgebrauch.

 

AKTIV stellt Ihnen im Folgenden vier Beispiele aus bayerischen Betrieben vor:


Bernd Biechele sorgt dafür, dass die Geräte von EOS mit nur wenigen Klicks loslegen

Krailling. Tipp, Tipp auf das Touchpad, schon legt er los: So einfach wird ein 3-D-Drucker von EOS bedient. Damit das jeder Nutzer so intuitiv schafft, steckt ganz schön viel Arbeit dahinter. Vor allem die von Bernd Biechele und seinem Team. Der 44-jährige Informatiker ist Leiter der Software-Entwicklung bei EOS, dem weltweit führenden Technologieanbieter für den industriellen 3-D-Druck von Metallen und Kunststoffen aus Krailling bei München (rund 1.100 Mitarbeiter weltweit).

Vor allem in den vergangenen fünf Jahren schnellte die Zahl der verkauften 3-D-Drucksysteme von EOS in die Höhe, etwa 2.500 sind inzwischen installiert. Firmen unterschiedlicher Branchen interessieren sich verstärkt dafür. Denn damit lassen sich unter anderem unkompliziert individuelle, kundenspezifische Produkte aus Kunststoff oder Metall herstellen.

Aber: „Viele Unternehmen stehen derzeit vor der grundsätzlichen Herausforderung, ein entsprechendes Technologie-Know-how aufzubauen“, sagt Biechele. „Und sie müssen darin Erfahrungen sammeln.“ Für Biechele und sein 70-köpfiges Team war dies vor fünf Jahren der Auslöser, die Bedienungssoftware grundlegend zu überarbeiten. „Jeder Anwender, egal wie erfahren, muss die Maschine fehlerfrei bedienen können.“

Bilder zeigen, was der Anwender tun muss

Anders als zu Anfang, als Anwender nur Prototypen fertigen wollten, werden nun hochkomplexe „echte“ Bauteile hergestellt. Etwa für Flugzeugturbinen oder künstliche Hüftgelenke. Da muss die Qualität stimmen. Und die hängt bei hoch automatisierten Verfahren immer stärker auch an der Software.

Biecheles Team hat dafür eng mit Kunden zusammengearbeitet: „Wir fragten Nutzer nach ihren Anforderungen, was sie machen möchten, worauf es ihnen ankommt.“ Langjährige Anwender durften die Software vorab testen. Ihr Feedback half bei weiteren Verbesserungen.

Herausgekommen ist ein geführter Workflow. Wie in einem interaktiven Benutzerhandbuch zeigen Bilder, wo der Anwender eine Klappe öffnen, welchen Knopf er drücken muss und wie der nächste Schritt aussieht. Die Software dient dazu, das additive Fertigungsverfahren zu steuern. Das gewünschte Bauteil entwirft der Konstrukteur in einem Design-Programm am PC und verknüpft die Daten über Schnittstellen mit dem Drucker.

Die Möglichkeiten des von EOS genutzten Laser-Sinter-Verfahrens sind schier grenzenlos. Erstmals lassen sich völlig neue Bauteil-Formen verwirklichen. Sowohl die Losgröße eins kann wirtschaftlich umgesetzt als auch die Bauplattform für die Herstellung mehrerer Bauteile optimal ausgenutzt werden. Auf Wunsch individuell, wie bei Zahnkronen.

Mehrere Laser könnten gleichzeitig arbeiten

Auch Serienfertigung wird interessant. „Das geht schon, aber es gibt noch Verbesserungspotenzial.“ Zum Beispiel beim Tempo, etwa, indem mehrere Laser gleichzeitig ein Bauteil fertigen. Zudem will EOS die Drucker enger in die automatisierte Fertigung einbetten. „Im Moment muss man händisch das Teil zum nächsten Arbeitsschritt bringen. Das muss automatisch gehen.“ Die Qualitätskontrolle ist ebenfalls ein wichtiges Thema. „Bald wird die Software mögliche Fehler vorab sichtbar machen“, sagt Biechele. „Das bringt die Produktion richtig voran.“

Liebherr Aerospace und Premium Aerotec setzen auf Druck mit Titan

Lindenberg/Augsburg. Bis ein komplettes Flugzeug aus dem Drucker kommt, wird es noch eine Weile dauern. Doch viele Teile des Fahrwerks sowie der Flugsteuerung lassen sich bereits heute additiv fertigen. Das zeigt der Zulieferer Liebherr Aerospace in Lindenberg im Allgäu.

Beispiel Flugzeuglandeklappe: Der dort eingebaute Ventilblock wird nicht mehr geschmiedet, sondern gedruckt und spart dadurch ein Drittel Gewicht. In rund 20 Stunden wird das Bauteil aus Titanpulver aufgebaut – mit vielen verwinkelten Leitungen und Röhren im Innern. Es wird zum Manövrieren und Abbremsen gebraucht und hob – Weltpremiere – im Airbus 380 in diesem Frühjahr erstmals ab. Nun arbeitet das Unternehmen bereits an der nächsten Generation gedruckter hydraulischer und elektromechanischer Komponenten, etwa Antriebe für Seitenruder.

Auch der Zulieferer Premium Aerotec in Augsburg setzt die neuen Verfahren in der Entwicklung, im Design und der Produktion von Flugzeugstrukturen ein. Seine 3-D-gedruckten Bauteile für das Langstrecken-Großraumflugzeug A 350 von Airbus gewannen jüngst den Innovationspreis der Deutschen Luftfahrt. Die gedruckten Halter aus Titan sind 64 Prozent leichter als das bisherige, konventionell gefertigte Modell.

Nur noch ein Stück statt verschweißte Einzelteile

Das additive Verfahren ging in Augsburg in Serie. Damit werden doppelwandige Rohrkrümmer für das Luftbetankungssystem des Militärtransporters A400M hergestellt. Statt sie aus vielen Einzelteilen zusammenzuschweißen, spuckt sie der Drucker aus – in einem Stück.

Siemens forscht am 3-D-Druck auf acht Beinen

München/Erlangen. Armlehnen für die Tram, Klemmkästen für ICEs der Deutschen Bahn oder Bauteile für Gasturbinen – der Münchner Technologie-Konzern Siemens wendet additive Fertigung auf vielen Gebieten an. Die Bahn-Industrie etwa kann im Zentrum für additive Fertigung am Siemens-Standort Erlangen Ersatzteile ordern. 450 digitale Modelle sind dort gespeichert, bereit zum Ausdrucken, sobald Bedarf besteht.

Auch in der Stromerzeugung gelang dem Konzern ein Druchbruch: Gasturbinenschaufeln aus dem Drucker bestanden ihren ersten Einsatz unter voller Leistung. Ihre Spitzen bewegen sich schneller, als Pistolenkugeln fliegen, um sie strömt 1.250 Grad heißes Gas. Der Test hat gezeigt: Selbst solchen Extrembelastungen halten die gedruckten Komponenten stand. Und vom Entwurf bis zum fertigen Produkt vergingen zudem nur zwei Monate – statt wie früher zwei Jahre.

Flugs entsteht der Rumpf eines Schiffs

Der nächste Schritt sind Spinnenroboter der Siemens-Forscher aus Princeton, New Jersey. Die Krabbeltiere haben Druckerdüsen im Leib und kooperieren. Im Team sollen sie zum Beispiel ganze Schiffe fertigen.

BMW erprobt neue Verfahren mit Infrarotlicht

Dingolfing. Fast 25.000 Aufträge bearbeitet das Additive Manufacturing Center im Forschungs- und Innovationszentrum von BMW im Jahr und liefert die unterschiedlichsten Teile an interne Kunden: vom kleinen Kunststoffhalter über Designmuster bis zu Fahrwerkskomponenten für die Erprobung.

Der Autobauer forscht seit 25 Jahren am 3-D-Druck und entwickelt die Verfahren beständig weiter. Vorteile sieht er vor allem bei Bauteilen mit komplexem Design. Nicht nur im Werkzeug- und Prototypenbau sparen die Verfahren Zeit und Kosten. Auch in der Entwicklung von Neufahrzeugen, etwa den elektrogetriebenen i-Modellen, für die es keine Vorgänger gab. Selbst für Sammlerfahrzeuge lassen sich Ersatzteile nachdrucken, die es eigentlich gar nicht mehr gibt.

Zudem testet man flächige Verfahren mit Infrarot- statt Laserlicht. Sie arbeiten mit Druckköpfen und Flüssigkeit, wie ein Tintenstrahldrucker. So entstanden etwa Blinker mit Namenszug für die Carsharing-Flotte „Drive Now“.

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Längst spielt sich der 3-D-Druck nicht nur im Prototypenbau ab. Mittlerweile entstehen so auch Brillen, Schuhe oder Hüftgelenke. Experten sind sicher: In Zukunft werden wir zu Hause selbst Gegenstände ausdrucken.

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