Concept Laser-vernetzt klassische mit additiven Fertigungsmethoden

Daniel Hund, Leiter Marketing & Kommunikation, Concept Laser GmbH in Lichtenfels

Die industrielle Serienfertigung hat das Additive Manufacturing erreicht. Angesichts der heute schon möglichen Aufbaugeschwindigkeiten und Bauraumgrößen hat die generative Fertigung längst das Stadium des Prototyping überwunden. Nun wartet der Megatrend „Industrie 4.0“ oder die vierte industrielle Revolution als große Herausforderung auf alle Marktteilnehmer. Laut Peter Sander, Leiter Emerging Technologies & Concepts bei Airbus, plant der Flugzeugbauer im Jahr 2018 Titan, Edelstahl und Aluminium im AM-Serieneinsatz zu haben. Anwender aus der US-Luft- und Raumfahrtbranche haben AM zur Standardstrategie erklärt. Die Herausforderungen für eine wirtschaftliche Serienproduktion spielen sich auf drei Ebenen ab: Digitalisierung, Automatisierung und eine Vernetzung der Maschinen bis hin zur Schaffung einer Smart Factory. Dazu müssen aber die bisherigen Maschinenlösungen einerseits noch besser, effizienter und wirtschaftlicher werden und andererseits dem Leitgedanken der Industrie 4.0 entsprechen. Einige Branchen haben inzwischen das Laserschmelzen von Metallen zur strategischen Richtung definiert; so die Luft- und Raumfahrt oder Teile der Dental- und Medizintechnik. Andere wichtige Branchen wie Automotive befinden sich in einer Orientierungsphase. Auch hier scheint der 3D-Druck ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Lösungen zu sein.

Die Luftfahrt setzt auf die AM-Serienfertigung. Als Beispiel dient ein Kabinenhalter, ein sogenanntes Bracket, welches ein Kabinenelement mit der Struktur eines Flugzeugs verbindet. Das konventionell gefertigte Bauteil wurde mittels Topologie-Optimierung strukturell angepasst und additiv aufgebaut. So konnte eine Gewichtsersparnis von ca. 30 % gegenüber dem konventionellen Bauteil bei höherer Belastbarkeit erreicht werden. Laut Airbus-Potenzialabschätzung könnte bei jeweils einer Tonne Gewichtreduzierung pro Flugzeug und einem Weltmarkt von ca. 32.600 neuen Flugzeugen bis 2035 ein Einsparungspotenzial von 46 Millionen Tonnen Kerosin mit ca. 119 Millionen Tonnen CO2 entstehen.

Ein weiteres Beispiel ist General Electric (GE). Das Unternehmen spricht von sich selbst als „Digital Industrial Company“ und in Bezug auf AM von „The next industrial revolution“. Das Unternehmen kündigte bereits 2014 an, dass binnen fünf Jahren ca. 80 % eines Triebwerks additiv hergestellt werden. Ebenfalls 2014 kündigte GE an, dass eine sogenannte Fluid Nozzle zum Betanken von Flugzeugen, bisher ein Druckgussteil, bis 2016 nur noch gedruckt werden soll. Die Aufbaugeschwindigkeit gibt man mit nur ca. 18 Stunden an – und, das überrascht sogar Branchenkenner, die Stückzahl liegt weltweit bei 150.000 pro Jahr.

Immer dann, wenn das generativ aufgebaute Bauteil besser, leistungsfähiger, schneller verfügbar, leichter oder/und kostengünstiger sein wird, ist die additive Fertigungsoption die richtige Lösung. Die Kosten werden derzeit mit 3,14 Euro/cm³ (für Material, Maschine, Energie etc.) [3] angesetzt, sinken aber ständig, was die weitere Verbreitung verbessert. Die Prognosen nach Roland Berger lauten: 2018 1,60 Euro/cm³, für 2023 1,10 Euro/cm³. Aufbaugeschwindigkeiten sind aus Sicht der Industrie das wohl wichtigste Kriterium zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit. Die Grenzen verschieben sich durch den Stand der Technik kontinuierlich nach oben.

In den letzten drei bis vier Jahren sind zahlreiche Industrien in die Explorationsphase des 3D-Drucks eingestiegen. Die Vorreiter analysieren alle bisherigen Konstruktionen aus der Zerspanung oder dem Guss auf eine Substitution durch den 3D-Druck. Sie sind übergegangen in eine Adaptionsphase der generativen Verfahren. Dies nehmen wir als einen Einstieg in die industrielle Serienfertigung wahr, was neue Antworten des Maschinen- und Anlagenbaus erfordert. Dabei bilden Geometriefreiheit und Leichtbaupotenzial, Funktionsintegrationen, „production on demand“, Zeit- sowie Kosteneinsparungen und Überlegungen zur ressourcensparenden bzw. nachhaltigen Fertigung eine wesentliche Rolle.

Bislang legten Einkäufer ein konventionelles Bauteil auf den Tisch und fragten, was es lasergeschmolzen kosten würde. Dies bedeutete faktisch, die Vorzüge des Verfahrens ungenutzt zu lassen. Heute gehen die Konstrukteure systematischer vor. Es werden die Leistungsparameter definiert, und daraus werden „verfahrensgerechte Lösungen“ entwickelt. Das Bauteil kann AM-gerecht „designt“ werden. Das Ergebnis überrascht nicht nur optisch. Bionisch ausgelegte Leichtbauteile können durchschnittlich um bis zu 20 – 30 % leichter sein als gefräste oder gegossene Bauteile. Wichtig ist es, die Bauteilanforderungen hinsichtlich thermischer und mechanischer Eigenschaften zu erfassen und diese mit einer gezielt auf das Verfahren abgestimmten Konstruktion zu erschließen. Konkret bedeutet dies, dass die Teile nicht nur mehr können, sie sind auch leichter und weisen eine andere Geometrie auf.

Die bisherigen Maschinenkonzepte konzentrierten sich auf Aufbaugeschwindigkeiten, Bauraumgrößen und qualitative Aspekte. Die propagierten Zielsetzungen wurden auf Anbieter- und Verarbeiterseite weitgehend erfüllt, und damit konnte sich der 3D-Druck im ersten Schritt für das Prototyping und die Kleinserienfertigung etablieren. Doch die Erwartungen an die generative Fertigung steigen weiter. Welche Antworten bieten die Maschinen- und Anlagenbauer auf mittlere Sicht? Größere Bauräume? Die X line 2000R mit 2 x 1.000 W verfügt über den derzeit größten Bauraum der Welt für das pulverbettbasierte Laserschmelzen von Metallen (800 x 400 x 500 mm3). Die industriellen Anwender sind mit dem heutigen Stand der Technik eher zufrieden. Grundsätzlich ist Folgendes festzuhalten: Die aktuellen Maschinen und Anlagen sind „Insellösungen“. Sie operieren ohne eine echte Einbettung ins betriebliche Fertigungsumfeld als „Stand alone“-Lösungen. Die Maschinen sind weder untereinander noch mit vorgelagerten und nachgelagerten Fertigungsprozessen vernetzt. Sie sind nur bedingt „kommunikativ“ im Rahmen der digitalen Prozesskette von der Konstruktion bis zur Fertigung. Sie sind für die industrielle Serienfertigung der Zukunft so nicht geeignet. Es fehlt weiterhin die konsequente Automation manueller Prozesse. Der bisherige sequenzielle Ablauf von Rüstaufgaben und Bauteilaufbau in einer Anlage führt zu ungenutzten „Totzeiten“ und einer zeitlichen Belastung für den Betreiber. Auch die Vernetzung der Maschinen untereinander sowie mit Peripheriegeräten ist, Stand heute, noch nicht gegeben. Diese Kritikpunkte lassen erkennen, dass wir von den Zielsetzungen der „Industrie 4.0“ im Sinne einer Smart Factory noch weit entfernt sind.

Die Probleme, die sich für die Serienfertigung aus den bisherigen „Stand alone“-Maschinenlösungen ergeben, werden bei Concept Laser durch die M Line Factory überwunden. Dazu findet zunächst eine räumliche Trennung von Production Unit und Processing Unit statt. Dies geschieht aber nicht, wie bei allen anderen Anlagenlösungen von Concept Laser innerhalb der Maschine, sondern durch zwei physisch getrennte Bereiche. Zudem ermöglicht das automatisierte Pulvermanagement sowie die Automation weiterer, bisher manueller Prozesse, die bisherigen Stillstandzeiten auf ein Minimum zu reduzieren. Abgerundet wird das Konzept durch eine Anbindung konventioneller Prozessschritte an die additive Fertigung, z.B. zur Nachbearbeitung der Bauteile. Insgesamt fügt sich das Bild zu einer automatisierten, digitalisierten und vernetzten Lösung zur wirtschaftlichen Serienfertigung von metallischen Bauteilen im Sinne des Leitgedanken der Industrie 4.0.

Die M Line Factory ist im Wesentlichen durch eine Entkoppelung von „Pre/Post Production“ und „Production“ gekennzeichnet. Dies beinhaltet unter anderem eine flexible Maschinenbeschickung sowie eine räumliche Trennung der Auf- und Abrüstvorgänge. Zielsetzung ist es dabei, die Prozesskomponenten durch Schnittstellen gezielter abzustimmen und die Flexibilität der Prozessgestaltung zu einem ganzheitlichen Ansatz zu erhöhen. Möglich ist dies durch einen konsequenten modularen Aufbau der M Line Factory mit Processing Unit – M Line Factory PCG – und Production Unit – M Line Factory PRD. Hinsichtlich Kombination und Vernetzung werden dadurch deutlich mehr Flexibilität und Verfügbarkeiten versprochen. Die gegebene Materialvielfalt ist durch eine gezielte Kombination dieser Units besser, und letztendlich wirtschaftlicher, zu handhaben. Die M Line Factory erlaubt eine flexible Verknüpfung von Maschinen miteinander. Dabei können Production- und Processing Unit beliebig kombiniert werden, aber auch räumlich getrennt voneinander betrieben werden. Es findet eine Vernetzung der einzelnen Maschinen bzw. von Elementen miteinander statt. Doch der Grundgedanke der „AM Factory of Tomorrow“ geht sogar über diesen Ansatz hinaus und sieht auch eine Vernetzung mit klassischen Fertigungsmethoden z.B. beim Post Processing der Bauteile vor. Folglich entstehen Maschinennetzwerke, die nicht nur untereinander, sondern auch mit entsprechenden Peripheriegeräten „kommunizieren“. Neben der Vernetzung ist die Automation zweites Schlüsselelement. Bisher manuelle Prozesse, wie z.B. das Zuführen von neuem Metallpulver oder die Nacharbeit der Bauteile, und die daraus resultierenden Stillstandszeiten werden auf ein Minimum reduziert. Im Vordergrund dieses Ansatzes stehen die bisher fehlende Automation und Vernetzung von Anlagen. Insgesamt gleicht die „AM Factory of Tomorrow“ einer „Smart Factory“ im Sinne des Leitgedankens des „Industrie 4.0“-Konzeptes und ermöglicht so eine wirtschaftliche Serienproduktion metallischer Bauteile. jg