Trendumfrage Additive Manufacturing

Reif für die Serie

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Produktindividualisierung, Funktionsintegrationen und bisher ungeahnte Leichtbaustrukturen gehören zu den Stärken der Additiven Fertigung (Additive Manufacturing –AM). Kein Wunder, dass immer mehr Branchen und verstärkt auch kleinere Unternehmen dieses Potenzial angehen. KEM Konstruktion befragte zu aktuellen Trends die Werkzeugmaschinenbauer Arburg und Trumpf sowie den AM-Spezialisten EOS. Alle treiben intensiv die Additive Fertigung voran, häufig subsummiert unter dem Stichwort3D-Druck, wobei dieses eigentlich nur eine Teilmenge des AM darstellt.

Interview: Monika Corban, freie Journalistin, Hobart/Australien, im Auftrag der KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: An welchen aktuellen Entwicklungen arbeiten Sie derzeit im Additive-Manufacturing-Bereich und welche Vorteile ergeben sich daraus für den Anwender?
Duffner (Arburg): Unseren Freeformer und das Arburg-Kunststoff-Freiformen (AKF) entwickeln wir kontinuierlich und praxisnah weiter. Schwerpunkte sind die Qualifizierung weiterer Materialien und die Steigerung der Prozessstabilität. Anders als herkömmliche Systeme zur additiven Fertigung, kann der Freeformer nicht nur kostengünstige qualifizierte Standardgranulate verarbeiten, sondern auch vollautomatisch in Fertigungslinien integriert werden. In Zusammenspiel von Additiver Fertigung, Spritzgießen und Industrie-4.0-Technologien lassen sich so Großserienteile kundenspezifisch in Losgröße 1 individualisieren. Als Beispiel für solche rückverfolgbare „smarte“ Produkte haben wir in diesem Jahr auf der Hannover Messe und der K die Fertigung persönlicher Büroscheren und Kofferanhänger gezeigt.
Lichtenstein (Trumpf): Wir hören unseren Kunden genau zu und legen unseren Fokus darauf, ihre Anforderungen möglichst optimal zu bedienen. Denn der 3D-Druck ist nicht der heilige Gral, mit dem wir die Fertigung von heute auf morgen komplett umkrempeln werden. Neben dem Verfahren selbst ist es mindestens so wichtig, die vor- und nachgelagerten Prozesse im Auge zu behalten. Es ergibt keinen Sinn, ein Teil schnell und über Nacht zu drucken, wenn man dann eine Woche mit den Nacharbeiten beschäftigt ist. Unternehmen, die die Prozesskette beherrschen, haben mit dem Verfahren Laser Metal Fusion (LMF) die Chance, sich einen echten Vorteil im Wettbewerb zu verschaffen. Genau dabei unterstützen wir unsere Kunden. Wir wollen ihnen helfen, in die Additive Fertigung mit Fokus auf Industrie und (Klein-)Serienfertigung einzusteigen. Dies beginnt häufig damit, dass wir in einem gemeinsamen Applikationsprojekt ein spezifisches Kundenbauteil in der LMF-Technologie umsetzen. Wer den richtigen Einsatz für die Technologie gefunden hat, kann von Trumpf neben LMF-Maschinen auch 3D-Software und die richtigen Pulverwerkstoffe beziehen. Zudem haben wir mit LMF und LMD (Laser Metal Deposition) zwei Technologien für den industriellen 3D-Druck von Metallteilen im Portfolio. Seit Ende 2015 ist die LMF-Maschine TruPrint 1000 auf dem Markt. Sie ist besonders kompakt und kann wirtschaftlich faustgroße Teile herstellen, also rund 100 Quadratmillimeter mal 100 Millimeter Höhe. Vor kurzem haben wir die TruPrint 3000 vorgestellt, die ebenfalls mit dem LMF-Verfahren arbeitet. Diese Maschine verfügt über einen größeren Bauraum von rund 300 Quadratmillimetern bei einer Höhe von 400 Millimetern sowie über eine stärkere Laserleistung. Darüber hinaus arbeiten wir an weiteren Maschinen, die noch deutlich produktiver arbeiten werden. Wichtige Voraussetzungen dafür sind der Einsatz von mehreren Lasern sowie das Vorwärmen der Baukammer, um noch mehr Materialien prozesssicher verarbeiten zu können. Auf der Formnext in Frankfurt haben wir einen Demonstrator der Multilaser-Anlage TruPrint 5000 mit drei flexibel agierenden Lasern vorgestellt. Mit dabei war auch unsere LMD-Anlage TruLaser Cell 3000.
Zaepernick (EOS): EOS hat jüngst mit der EOS M 400-4 sein bisher größtes und schnellstes System für das Direkte Metall Laser-Sintern (DMLS) vorgestellt. Das System verfügt über ein Bauvolumen von 400 x 400 x 400 Kubikmillimeter und ist mit vier 400-Watt-Lasern ausgestattet. Basierend auf den bewährten und validierten Prozessen der EOS M 290, erlaubt die EOS M 400-4 neue Innovationen im Produktionsumfeld bei bis zu vierfacher Produktivität. Mit dem neuen System sprengen wir die bisherigen Fertigungsgrenzen, da es die höchsten Anforderungen unserer Industriepartner in Sachen Effizienz, Skalierbarkeit, Benutzerfreundlichkeit und Prozessbeobachtung erfüllt. Ein weiterer wesentlicher Aspekt für unsere Kunden: Da es sich bei der EOS M 400-4 um eine modulare, für den industriellen 3D-Druck ausgelegte Plattform handelt, lässt es sich in bestehende Produktionsumgebungen integrieren und ist gleichzeitig auf zukünftige Innovationen beim Anwender ausgelegt.
KEM Konstruktion: Inzwischen gibt es ja insbesondere im Bereich Luft- und Raumfahrt auch längerfristige Erfahrungen mit dem Additive Manufacturing. Welche Konsequenzen haben sich hieraus für das AM ergeben?
Duffner (Arburg): Die 3D-Drucktechnik erschließt neue Möglichkeiten in der Kunststoffverarbeitung und findet derzeit den Weg in die industrielle Anwendung. Bezüglich Gewichtsreduktion und Leichtbau können bionisch optimierte Bauteile konstruiert und hergestellt werden – ohne die fertigungstechnischen Zwänge, wie sie beim Spritzgießen gegeben sind, berücksichtigen zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit zur Funktionsintegration. Eine Voraussetzung, um funktionsfähige Teile zu erhalten, ist die Verwendung von Originalmaterial. Genau darin liegt auch die Stärke unseres offenen Freeformer-Systems.
Lichtenstein (Trumpf): Grundsätzlich sehen wir bei anspruchsvollen Anwendungen in der Luftfahrtindustrie und dem Turbinenbau sehr großes Potential für die Additive Fertigung. Das liegt an der Freiheit bei der geometrischen Gestaltung, die andere Verfahren in dieser Form nicht bieten. Bauteile topologieoptimiert zu gestalten, ermöglicht den ultimativen Leichtbau in der Luftfahrt. Dort sind Gewichtseinsparungen zwischen 30 und 50 Prozent möglich – bei gleichen oder sogar besseren mechanischen Eigenschaften. Daraus ergeben sich sehr hohe Qualitätsanforderungen insbesondere an die Dichte des Werkstücks, die wir mit unserer langjährigen Applikationserfahrung unseren Kunden auf jeden Fall bieten können.
Zaepernick (EOS): Die Luft- und Raumfahrt ist heute für EOS eine der wichtigsten Industrien, die wir bedienen und deren Anforderungen wir seit Jahren kennen. Die hohen Ansprüche dieser Industrie zeigen sich an erster Stelle an den Qualitätsanforderungen, die wir nachweisen mussten – und die inzwischen als Grundlage weiterer Produktivitätsgewinne und zur Industrialisierung unserer Technologie dienen. Generell lässt sich sagen, dass die EOS-Technologie – und damit die Additive Fertigung – sicherlich zunehmend Einzug in die Serienfertigung hält. In der jetzigen Phase geht es um die Ausweitung von AM in den unterschiedlichen Industrien sowie um die Erfüllung der hohen Ansprüche von konventionellen Fertigungstechnologien, die mehrere Jahrzehnte Zeit hatten, sich zu entwickeln. Diese Entwicklung adressieren wir zum Beispiel klar mit unserem neuen System EOS M 400-4. Es geht nicht mehr alleine darum, wo die Additive die konventionelle Fertigung ersetzen kann – im Fokus steht immer die Anwendung. Zukünftig wird es im Produktionsumfeld in der Regel daher darum gehen, die Additive Fertigung in bereits existierende konventionelle Fertigungsumgebungen zu integrieren. Das Beste aus diesen beiden Welten zu kombinieren, sollte daher das Ziel sein.
KEM Konstruktion: Nach wie vor wird den Additiven Verfahren ein hohes Innovationspotenzial zugeschrieben, aber der Einsatz in der Praxis erfolgt auch heute noch eher zögerlich. Woran liegt dies aus Ihrer Sicht?
Duffner (Arburg): Wir beobachten, dass Kunden aus dem Spritzgießbereich sich des Themas annehmen und derzeit in der Entwicklungs- und Lernphase sind. Um die Möglichkeiten und Grenzen der industriellen Additiven Fertigung voll zu erschließen, ist generell ein Umdenkprozess erforderlich. Denn für eine Serienfertigung in möglichst optimaler Qualität muss das AM-Bauteil bereits verfahrens- und herstellgerecht konstruiert werden. In diesem Kontext sind noch viele Fragen im Sinne von Konstruktionsrichtlinien offen. Ein weiteres großes Themenfeld für die Serientauglichkeit ist die Vorhersagbarkeit von Qualitätsmerkmalen der in Losgröße 1 produzierten Teile, die von vielen variierbaren Slice- und Prozessparametern abhängen. Die Qualität gedruckter Teile wird derzeit eher nach „modischen“ Kriterien wie Oberfläche oder Bauzeit beurteilt. Jedoch sind bei der Additiven Fertigung von „echten“ Funktionsbauteilen mechanische Werte wie Zug- oder Reißfestigkeit, Dichte oder auch Veränderungen in der Chemie des Ausgangsmaterials von entscheidender Bedeutung. In diesem Kontext erarbeitet Arburg in Kooperation mit namhaften Forschungseinrichtungen Lösungen für den Freeformer und das AKF-Verfahren.
Lichtenstein (Trumpf): Wir spüren vielfältiges Interesse und wir erleben einen starken Aufwärtstrend. Immer mehr industrielle Kunden nutzen die Additiven Technologien nicht nur für das Prototyping, sondern auch für Serienfertigung und für Individual-Maschinen. Angefangen beim Werkzeug- und Formenbau, wo komplexe Werkzeuge zum Beispiel mit konturnaher Kühlung hergestellt werden, bis hin zu Anwendungen in der Dentalindustrie zum Generieren von Zahnkronen oder Brücken. Großes Potential sehen wir – wie erwähnt – bei anspruchsvollen Anwendungen in der Luftfahrtindustrie und dem Turbinenbau. Auch Zulieferer wollen langsam in die Additive Fertigung einsteigen. In anderen Branchen ist die Individualisierbarkeit ein wichtiger Pluspunkt. So lassen sich in der Revisionsprothetik innerhalb kürzester Zeit individuell maßgeschneiderte Implantate herstellen. Und auch Schmuckhersteller können mit LMF einfach Unikate fertigen.
Zaepernick (EOS): Es gibt Branchen, die das große Potential der AM-Technologie früh erkannt haben und sie heute als eine strategische Investition betrachten und einsetzen. Dazu gehören die Branchen, die EOS heute vor allem bedient, unter anderem Luft- und Raumfahrt, Medizin, Werkzeugbau, Automobilindustrie, Sondermaschinenbau und Robotik. Viele andere Branchen fangen jetzt erst an, sich mit der Additiven Fertigung und ihren Vorteilen zu beschäftigen – und unterschätzen heute vielleicht die Potenziale unserer Technologie für das eigene Geschäft sogar noch. Ebenso ist der Aspekt Aufbau von AM-Fachwissen ein wichtiges Thema für viele Unternehmen – den EOS mit seinem umfassenden Consulting-Angebot bedient.
KEM Konstruktion: Welche Angebote bieten Sie mit Blick auf die Qualifizierung der Anwender an, um das Additive Manufacturing attraktiver zu machen?
Duffner (Arburg): Wir bieten unseren Kunden neben Beratung und anwendungstechnischer Unterstützung auch spezielle Freeformer-Schulungen an. Zudem kooperieren wir mit zahlreichen Hochschulen und Instituten, die ihrerseits Qualifizierungen im AM-Bereich anbieten.
Lichtenstein (Trumpf): Wir lassen unsere Kunden mit der Maschine nicht alleine, sondern wir unterstützen und betreuen sie über den gesamten Lebenszyklus. Angefangen von Schulungen und Applikationsberatungen über die Unterstützung bei der Inbetriebnahme bis hin zu regelmäßigen Software-Updates, je nach Servicevereinbarung.
Zaepernick (EOS): Die EOS-Beratungssparte Additive Minds unterstützt Industrieunternehmen bei einem schnellen und erfolgreichen Einstieg in den industriellen, hocheffizienten 3D-Druck. Das Dienstleistungsangebot reicht von Einstiegsseminaren zur Technologie über spezielle AM-Design-Trainings bis hin zu Prozessparameteroptimierungen und Validierungsunterstützung. Damit befähigen wir unsere Kunden in kürzester Zeit, eine stabile AM Fertigung aufzusetzen. Ebenso unterstützen wir sie dabei, ihre Schlüsselmitarbeiter durch unsere AM-Consultants und durch Netzwerkpartner nachhaltig und umfassend zu befähigen.
KEM Konstruktion: Ist aus Ihrer Sicht das Werkstoffangebot ausreichend oder bedarf es hier weiterer Anstrengungen?
Duffner (Arburg): Das Arburg Kunststoff-Freiformen zeichnet sich dadurch aus, dass sich qualifizierte Standardgranulate verarbeiten lassen, wie sie auch für das Spritzgießen eingesetzt werden – darunter ABS, PC, PA und TPE. Einige Materialien und Materialkombinationen kann in dieser Form bislang nur der Freeformer verarbeiten. Dazu zählen ein PC/ABS-Blend mit Flammschutz, aus dem exemplarisch das Bauteil „Nautilus Gear“ entstand oder eine Zwei-Komponenten-Planetenrolle aus elastischem TPU (Elastollan) und biologisch abbaubarem PHA (Arboblend). Ein weiteres innovatives Material ist resorbierbares Polylactid (PLA, Resomer), das sich nach definierter Zeit im Körper auflöst. Hierzu wurde auf den Arburg Technologie-Tagen 2016 die Additive Fertigung eines Schädelknochens vorgestellt. Bei teilkristallinen Materialien unternehmen wir Aktivitäten dahingehend, das Thema Verzug in den Griff zu bekommen, während für die Verarbeitung von Hochtemperaturwerkstoffen wie PEEK die Beheizung des Bauraums angepasst werden muss. Das sind alles Themen, mit denen wir uns aktuell beschäftigen.
Lichtenstein (Trumpf): Feines Metallpulver ist die wichtigste Zutat bei der Additiven Fertigung. So sind mittlerweile auch die ersten Trumpf-Standardpulver verfügbar. Wir haben ein eigenes Team am Hauptsitz in Ditzingen installiert, dessen Aufgabe darin besteht, die richtigen Pulver für unsere TruPrint Maschinen zu definieren. Hierfür führen wir verschiedene Tests im Labor durch und ermitteln die optimale Korngröße, Korngrößenverteilung und Fließfähigkeit. Wir drucken Testbauteile, schneiden sie auf und untersuchen sie unter dem Mikroskop, etwa auf Porosität und Masse. So können wir feststellen, bei welcher Laserleistung oder Prozessgeschwindigkeit sich das Pulver bestmöglich verhält. Jedes Pulver ist qualitätsgesichert.
Zaepernick (EOS): Hochentwickelte Werkstoffe sind selbstredend elementar für die erfolgreiche Fertigung mittels AM – mit den passenden Materialien lassen sich die vorgesehenen Eigenschaftsprofile von Produkten bestmöglich realisieren. EOS verfügt über eine extrem hohe Materialkompetenz und ein umfassendes Portfolio an Kunststoff- und Metallwerkstoffen für das Laser-Sintern in der Additiven Fertigung. Unsere Werkstoffe, Systeme und Prozessparameter sind dabei optimal aufeinander abgestimmt. Darüber hinaus entwickelt EOS seine Hightech-Werkstoffe auf der Basis spezieller Kundenanforderungen kontinuierlich weiter.

Die Experten

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  • Dr. Eberhard Duffner, Bereichsleiter Entwicklung Arburg GmbH + Co, Loßburg
  • Daniel Lichtenstein, Leiter Marktentwicklung und Vertriebssupport Additive Manufacturing,Trumpf GmbH + Co. KG, Ditzingen
  • Nikolai Zaepernick, Vice President und Leiter Strategy & Business Development, EOS GmbH Electro Optical Systems, Krailing


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