Der Lehrstuhls für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen
University und das Fraunhofer ILT haben die Generative Fertigung in den
vergangenen 20 Jahren von einer Nischenanwendung im Bereich Rapid Prototyping
zu einer Technologie entwickelt, die die industrielle Produktion in den
kommenden Jahren maßgeblich beeinflussen wird. Akad. Oberrat Dr.-Ing. Ingomar
Kelbassa ist stellv. Lehrstuhlinhaber am LLT der RWTH Aachen
und Abteilungsleiter am Fraunhofer ILT.
1. Sie haben im März mit einem
Team vom Fraunhofer ILT die Aviation Week Innovation Challenge 2012 gewonnen.
Für welche Leistung gab es die Auszeichnung?Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: Zunächst einmal haben wir eine von
11 Kategorien, die Kategorie „Power & Propulsion“ gewonnen.
Die Auszeichnung ist für unsere
Verfahrensentwicklung zur generativen Fertigung sog. BLISKs – Blade Integrated
DiSKs, also Kompressorlaufräder mit integrierter Beschaufelung – verliehen
worden. Diese hochwertigen, integralen Bauteile werden in modernen
Strahltriebwerken von Verkehrsflugzeugen eingesetzt und bis dato durch z.B.
5-Achs-Fräsen oder lineares Reibschweißen hergestellt. Sowohl beim
5-Achs-Fräsen als auch beim Reibschweißen der (zuvor gefrästen) Einzelschaufeln
auf die Scheibe werden sehr hohe Materialverluste bis zu z.B. 80 % sowie lange
Fertigungszeiten größer z.B. 100 Stunden reiner Fräszeit beim 5-Achs-Fräsen in
Kauf genommen. Es wird subtraktiv, d.h. durch Materialabtrag, gefertigt.
Durch die Generativen Verfahren –
in diesem spezifischen Fall das Laserstrahl-Auftragschweißen – wird das Bauteil
durch Materialauftrag der einzelnen
Schaufeln auf der Scheibe gefertigt. Im Vergleich zum klassischen 5-Achs-Fräsen
werden auf diese Weise ca. 60 % an Materialersparnis sowie ca. 30 % Ersparnis
in der gesamten Fertigungszeit erzielt. Die Fertigung wird effizienter und
schneller.
2. Wie funktioniert grundsätzlich das generative
Fertigungsverfahren? Was sind die wesentlichen Vorteile?Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: Die zwei unter dem Oberbegriff Generative
Fertigungsverfahren zusammen gefassten Laser basierten Verfahren sind zum einen
das o.g. einstufige Laserstrahl-Auftragschweißen, engl. Laser Material
Deposition LMD, und zum anderen das zweistufige, Pulverbett basierte Selective
Laser Melting SLM. Beiden Verfahren ist gemein, dass ein oder mehrere pulverförmige
Zusatzwerkstoff(e) unter Einsatz einer Wärmequelle – in diesem Fall der
Laserstrahlung – in einem Schmelzbad umgeschmolzen wird/ werden. Somit
entstehen aufgetragene Spuren mit schmelzmetallurgischem Verbund, durch neben
einander aufgetragene Spuren ganze Schichten und durch über einander
aufgetragene Schichten ganze Bauteile. Die Unterscheidung zwischen ein- und
zweistufig gibt lediglich Auskunft darüber, wann der pulverförmige
Zusatzwerkstoff dem Prozess zugeführt wird: Beim einstufigen LMD wird dieser
direkt in das Schmelzbad eingeführt während beim SLM dieser als Pulverschicht
vor dem Umschmelzen (Schritt 2) deponiert wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Generativen Verfahren ist bspw.,
dass ein Bauteil oder auch ein Produkt nahezu rein funktionsoptimiert ausgelegt,
konzipiert und konstruiert werden kann, ohne auf fertigungsspezifische,
geometrische Restriktionen zu achten. So konnten in der Vergangenheit optimale
Bauteile zumeist nicht gefertigt werden, da diese nicht fräsbar, nicht
schmiedbar, nicht gießbar, nicht schweißbar o.ä. waren. Diese geometrischen
Restriktionen entfallen durch den schichtweisen Aufbau des Produktes bei den
Generativen Verfahren: Was denkbar ist, ist auch fertigbar oder „ausdruckbar“.
Daher stammt auch der englische Begriff „3D-Printing“ für diese Verfahren. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil ist die Verarbeitbarkeit serienrelevanter –
zumeist metallischer – Werkstoffe. Aus dem früheren Rapid Prototyping auf
Polymerbasis ist mittlerweile ein Rapid Manufacturing Verfahren auf Polymer-,
Metall- und Keramikbasis geworden.
3. Welche Lasertypen werden dafür eingesetzt?Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: Eingesetzt werden i.d.R. Strahlquellen, welche eine
faserkoppelbare Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von ca. 1 µm emittieren,
d.h. Festkörper-, Dioden-, Faser- sowie Scheibenlaser. Bzgl. LMD kann auch Laserstrahlung
der Wellenlänge von ca. 10 µm (CO2-Laserstrahlung) eingesetzt
werden.
4. In welchen Bereichen bietet sich dieses
Fertigungsverfahren noch an? Wo wird es konkret schon eingesetzt?Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: Zur Instandsetzung und –haltung wird LMD bereits seit ca. 12
Jahren erfolgreich in der Luftfahrt, im Automobilbau sowie dem Werkzeug- und
Formenbau eingesetzt. Die Weiterentwicklung des LMD von einem
Reparaturverfahren hin zu einem Generativen Fertigungsverfahren ist zunächst
auf den Turbomaschinenmarkt (Energieerzeugung sowie Luft- und Raumfahrt) beschränkt,
in dem vorwiegend kosten- und zeitintensiv zu fertigende Produkte hergestellt
werden. Absehbar ist jedoch schon jetzt, dass LMD auch zur Generativen
Fertigung im Automobilbau und dem Werkzeug- und Formenbau eingesetzt werden
wird.
Die erste Serienanwendung des SLM zur Generativen Fertigung ist
seit dem Jahr 2002 die patientenspezifische Herstellung von Dentalimplantaten,
Brücken und Kronen. Erste einzelne – bis dato nicht Serien – Anwendungen sind bereits
in der weiteren Medizintechnik, im Automobilbau, dem Werkzeug- und Formenbau
sowie der Luft- und Raumfahrt umgesetzt worden. Generell ist die Generative
Fertigung für Märkte und Anwendungsfelder interessant, in denen hochwertige
Produkte zeitkritisch hergestellt werden müssen, welche nach Möglichkeit funktionsoptimiert
ausgelegt werden können und in denen zukünftig individualisierte Serienprodukte
gefordert werden.
5. Kann generative Fertigung auch in automatisierte
Prozessketten integriert werden? Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: Ja. Dies war und ist insbesondere Gegenstand des gemeinsam
mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT verfolgten
Fraunhofer-InnovationsClusters „TurPro – Integrative Produktionstechnik für
energieeffiziente Turbomaschinen“. Im Rahmen dieses Vorhabens ist auch die
Generative BLISK-Fertigung entwickelt worden. Da die Generative Fertigung innerhalb
der gesamten Fertigungskette ausschließlich den Prozessschritt 5-Achs-Fräsen ersetzt,
jedoch alle vor- und nachgeschalteten Prozessschritte nahezu unverändert
verbleiben, ist gerade die Einbindung des neuen Prozessschrittes in die bereits
bestehende und etablierte CAx-Umgebung zwingend erforderlich. Dies ist
gelungen.
6. Wird die generative
Fertigung langfristig konventionelle Werkzeugmaschine arbeitslos machen?Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: In Nischenbereichen ja, in weiten Teilen der Märkte nein.
Die Bereiche, in denen z.B. die Generativen
Fertigungsverfahren eine konventionelle Werkzeugmaschine obsolet werden lassen
könnte, sind zumeist Bereiche der Produktherstellung, in denen das Produkt von
der Oberflächenbeschaffenheit und –qualität nicht mehr endbearbeitet werden
muss. Ein Beispiel hierfür wäre eine keramisch verblendete Zahnkrone, bei der
z.B. die Rauheit nach SLM bereits tolerabel ist, da diese im darauf folgenden
Prozessschritt keramisch verblendet wird. In den Märkten, in denen Produkt
abhängig entweder die geometrischen oder/ und metallurgischen Spezifikationen
oder/ und die Oberflächenbeschaffenheit durch die Generative Fertigung allein
noch nicht gewährleistet werden können, ist eine Endbearbeitung in Form einer
mechanischen Endbearbeitung evtl. inkl. einer Wärmebehandlung obligatorisch.
Near-Net-Shape bedeutet in diesem Zusammenhang zumeist ein mit entsprechendem
Aufmaß generativ gefertigtes Bauteil, welches dann in einem letzten
Prozessschritt endbearbeitet werden muss.
7. Was sind die neuesten
Trends und Möglichkeiten generativer Fertigungsverfahren? Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa: Die Generativen Fertigungsverfahren haben sich in den
vergangenen Jahren deutlich weiterentwickelt. Den auch als Additive
Manufacturing oder 3D-Printing bekannten Verfahren wird von Experten
prognostiziert, dass sie die industrielle Produktion revolutionieren können.
Die Möglichkeit zur Entwicklung von neuen Geschäftsmodellen und
Wertschöpfungsketten sowie die (beinahe) stückzahlunabhängigen Fertigungskosten
dieser Fertigungsverfahren scheinen ein großes Potential zu beinhalten.
Stichworte in diesem Zusammenhang sind Mass Customization, Open-Innovation oder
Co-Creation, bei denen der Endkunde sein gewünschtes Produkt weitestgehend
selbst gestalten kann.
Viele Unternehmen prüfen derzeit den Einsatz von Generativen
Fertigungsverfahren in der Serienproduktion. Neben der Realisierung von
funktional optimierten Strukturbausteilen, versprechen sich diese Unternehmen
vor allem eine deutlich Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz während
des gesamten Lebenszyklus eines Produktes.
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