Laut einer Roland-Berger-Studie von 2017 ist der Markt für Additive Manufacturing seit 2004 im Schnitt um 20 Prozent gewachsen – Tendenz steigend. Bis 2022 erwartet man weltweit einen Marktumfang, der im Bereich von 24,1 bis 28,3 Milliarden Euro liegen soll. So kommen immer neue 3D-Drucker auf den Markt und an immer mehr Bauteilen versucht man sich. In dem ganzen Gewimmel einen Trend auszumachen, fällt auf den ersten Blick schwer.
Steven Weingarten, stellvertretender Sprecher der Fraunhofer Allianz Generative Fertigung und Dr. Frederik Zanger, Leiter des Forschungsschwerpunkts Additive Fertigung am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie haben da keine Probleme: „Wichtige Trends sind das Verwenden mehrerer Materialien in einem Bauteil, das Entwickeln hybrider Techniken, die Steigerung der Anlagenproduktivität, sowie die Nachbearbeitung der Bauteile. Zudem wird die Qualitätssicherung, insbesondere in Form von Inline-Prozesskontrolle, ein wesentliches Thema der kommenden Jahre sein.“
Ein fundamentales Problem ist noch die Herstellung der Metallpulver in der gewünschten Qualität. So hat man bei der SMS group viel Geld und Schweiß darauf verwendet und eine eigene Pilotanlage im industriellen Maßstab zur Herstellung hochreinen Metallpulvers gebaut. Markus Hüllen, Vice President Additive Manufacturing and Powder Metallurgy der SMS group: „Ziel ist, ein metallisches Pulver höchster Qualität und Reinheit, das aus Kugeln von homogener Größe mit circa 15 bis 45 µm besteht, herzustellen. Die Qualität des hergestellten Pulvers entscheidet über die weiteren Prozessschritte und die Endergebnisse.“ Laut Markus Hüllen werden hier auch neue Werkstoffe entwickelt.
Ein wichtiger Aspekt ist die Erweiterung des Materialspektrums, speziell bei Metallen. Für die Industrie wäre es beispielsweise gut, hochfeste Materialien wie Werkzeugstähle einsetzen zu können, denn besonders hier käme die Flexibilität der Additiven Fertigung kostendämpfend zum Tragen. Aber ein Problem ist hier der hohe Kohlenstoffgehalt, meist ein Grund für eine erhöhte Gefahr der Rissbildung.
Multimaterialbauteile fertigen
„Multimaterialbauteile sind bei Kunststoffen weniger ein Problem als bei Metallen mit ihren höchst unterschiedlichen Schmelztemperaturen und Wärmeausdehnungskoeffizienten“, stellt Steven Weingarten fest. Man will teure Legierungen nur in hochbelasteten Bauteilbereichen einsetzen, während der restliche Teil aus kostengünstigeren hergestellt werden soll. Dabei können scharfe Materialübergange oder abgestufte erzeugt werden. Wegen der unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften, die zu starken Spannungen in der Übergangszone führen können, ist ein abgestufter Übergang hier vielversprechender, um Spannungsgradienten zu verringern und Risse zu reduzieren. Schwerpunktmäßig arbeiten an solchen Abwendungen die Wissenschaftler im neuen Fraunhofer IGCV in Augsburg.
Eine andere Variante des Problems hat man bei Lithoz gelöst. Dr. Johannes Homa, CEO von Lithoz: „Wir erzeugen kleine Bauteile mit höchster Präzision mit unserem LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing). Der Vorteil, wir können sowohl Keramik- als auch Metall-Kombinationen mit höchster Präzision verarbeiten“. Der Vorteil der LCM-Technologie liegt in der präzisen Fertigung der Bauteile, mit den gleichen Materialeigenschaften wie konventionell gefertigte Bauteile. Die LCM-Technologie basiert auf der selektiven Maskenbelichtung eines photosensitiven Harzes, in dem keramische oder metallische Partikel homogen dispergiert sind. Die Photopolymere werden dann durch Pyrolyse entfernt und die Partikel gesintert. „Bei Keramiken schaffen wir eine Oberflächenrauheit von deutlich unter 1 µm, bei Metall sind es 3 – 4 µm, allerdings wird hier auch ein gröberes Pulver eingesetzt“, berichte Johannes Homa.
Die Oberflächenqualität additiv gefertigter Bauteile ist oft noch ein Problem. „Einfache Lösungen gibt es hier nicht. Ein Weg ist es den 3D-Druck mit spanenden Verfahren zu kombinieren“, so Steven Weingarten. Das LCM-Verfahren liefert eine gute Oberflächengüte und kommt ohne Nachbearbeitung aus. Aber bei Lasereinsatz bringt der Wärmeeintrag eine schlechtere Auflösung und eine Schicht beeinträchtigt die andere.
Integration in klassische Fertigung
Im EU-geförderten Projekt OpenHybrid geht es darum, hybride Bearbeitungslösungen für die additive Fertigung, einschließlich Vor- und Nachbearbeitung, zu realisieren und diese in einem Bearbeitungssystem zu kombinieren. Damit lassen sich, abhängig von den Bauteileigenschaften signifikant reduzierte Herstellungszeit und -kosten erreichen. Ziel ist, zwei hybride Bearbeitungslösungen - eine hybride 5-Achsen-Werkzeugmaschine und ein Gantry-System – einzurichten. Partner sind hier BCT Steuerungs- und DV-Systeme, Centro Ricerche Fiat Scpa, Esi Group, EWF – European Federation for Welding, Joining and Cutting (Portugal), Fraunhofer IPT, GF Machining Solutions, Güdel, HMT – Hybrid Manufacturing Technologies, Picasoft, Siemens, TWI und Weir Group.
Auch bei DMG (Mori) Maschinen kombiniert man additive Fertigung mit Zerspanen und integriert das in eine vollwertige 5-Achs-Fräsmaschine. Das liefert beste Oberflächen- sowie Bauteilpräzision, durch eine Komplettbearbeitung mit vollautomatischem Wechsel zwischen Fräs- und Laserbetrieb. „Bei komplexen Bauteilen, wo heute mittels Fräsbearbeitung 95 Prozent Material zerspant wird, wird mit additiven Verfahren nur dort Material aufgebaut, wo es benötigt wird. Damit reduziert sich der Materialverlust auf fünf Prozent“, erklärt Richard Kellett, Product Manager Additive Manufacturing von DMG Mori. Die einzelnen Schichten können präzise spanend bearbeitet werden, bevor die Stellen aufgrund der Geometrie des Bauteils nicht mehr für einen Fräser oder andere Werkzeuge zugänglich wären.
Hybrid heißt aber auch konventionelle Bauteilfertigung und additiven Aufbau zu kombinieren und hierbei die jeweiligen Verfahrensvorteile auszunutzen. Eine Möglichkeit besteht darin, Polymer-Gusstechnik mit 3D-Druck zu kombinieren. Dabei wird für den herzustellenden Gegenstand zum Beispiel eine Hülle aus wasserlöslichem Polyvinylacetat (PVA) mit Hilfe des FLM-Verfahren (Fused Layer Modelling) gedruckt. Diese wird im nächsten Schritt mit schnell aushärtendem Polyurethan oder Epoxidharz gefüllt. „In einem Vorlaufforschungsprojekt haben wir die Machbarkeit erfolgreich nachgewiesen und suchen nun Industriepartner mit interessanten Anwendungsfeldern“, so Jonas Fischer, Forscher am Fraunhofer IPA.
Inlinemaschinelle Überwachung
Um eine bessere Qualität des erzeugten Bauteiles zu erreichen, ist es wichtig, den Prozess besser zu überwachen um ihn effizient regeln zu können. Bei SLM Solution setzt man die Schmelzbadüberwachung ein. Das Verfahren hat Grenzen, weil das Erstarren nicht vollständig gesehen wird, dazu bekommt beim Auftrag der nächsten Schicht die Schicht darunter auch etwas ab, was man nicht sieht. Beim Melt Pool Monitoring (MPM) erfasst das in-situ System die entstehende Wärmestrahlung aus der Schmelze der obersten Schicht. Die Wärmestrahlung wird on-axis, direkt im optischen Strahlengang, mittels Photodioden ermittelt. Die Messdaten werden in Echtzeit erfasst, schichtweise gespeichert und liegen unmittelbar zur Analyse bereit.
Wichtig ist aber in das Bauteil in Echtzeit beim Aufbau hinein zu schauen und nicht erst wenn es im schlimmsten Fall Ausschuss ist. „Im Verbundprojekt KitkAdd werden unter anderem die Möglichkeiten zur prozessintegrierten Qualitätssicherung mittels Körperschalls untersucht. Dieses Messprinzip wird die dreidimensionale Qualitätsüberwachung des Bauteils während der Fertigung erlauben. Im Rahmen der aktuellen Forschungsarbeiten wird ein Künstliches Neuronales Netz trainiert, um relevante Muster mittels künstlicher Intelligenz zu erkennen, um hier relevante Muster dank künstlicher Intelligenz zu erkennen“, berichtet Dr. Benjamin Häfner, Koordinator des Projekts und Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Partner sind hier Siemens, Eisenhuth, H&H, GKN, John Deere, Primeparts und die Institute DMRC und KIT.
Dieser Artikel ist Teil des Fokusthemas „Additive Fertigung“ der A&D-Ausgabe 11-18.
