3D-Druck im Kommen

© Quelle | Fraunhofer IWU, Design | Christoph Rafoth

Dr. Bernhard Müller und Prof. Reimund Neugebauer über die nahe Zukunft generativer Verfahren.

Das weltweite Marktvolumen von Maschinen, Produkten und Dienstleistungen generativer Fertigung beträgt aktuell 1,3 Milliarden Euro bei einer jährlichen Wachstumsrate von 26,4 Prozent. Konservative Schätzungen rechnen mit einem Marktvolumen von 2,8 Milliarden Euro in 2015 und 5 Milliarden Euro in 2019. Basierend auf der aktuellen Marktdurchdringung von nur ein bis acht Prozent lässt sich ein Gesamtmarktpotential von bis zu 130 Milliarden Euro ableiten.

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Die Autoren

Dr. Bernhard Müller, Leitung des Forschungs- und Geschäftsfeldes „Generative Fertigungsverfahren“ am Fraunhofer IWU

Prof. Reimund Neugebauer, Fraunhofer-Präsident

Fraunhofer und 3D-Verfahren

Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung integriert deutschlandweit elf Institute und bildet damit die gesamte Prozesskette der generativen Fertigung ab. Dies umfasst die Entwicklung, Anwendung und Umsetzung generativer Fertigungsverfahren und Prozesse.

Aufbau einer Turbinenschaufel mit dem LMD-Verfahren

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Wie schnell und in welchem Umfang dieses Marktpotential gehoben werden kann, hängt zum einen wesentlich davon ab, wie schnell die notwendigen Weiterentwicklungsschritte hin zu einer deutlichen Kostensenkung und Verbesserung der Reproduzierbarkeit vonstattengehen. Zum anderen muss bei den Entwicklern und Konstrukteuren in der Industrie mehr Kenntnis und fundiertes Wissen über generative Fertigungsverfahren Einzug halten, um ihre Vorteile wirksam in den Produktentwicklungsprozess einfließen lassen zu können – hier sind die Hochschulen ebenso gefordert wie die Unternehmen!

Bedingungen für kommerziellen Durchbruch

Für den kommerziellen Durchbruch der generativen Fertigungsverfahren zur Herstellung von Serienprodukten und –werkzeugen ist weitere angewandte Forschung und Entwicklung erforderlich, um die Verfahren robuster, reproduzierbarer und kostengünstiger zu gestalten. Dabei sieht sich die Fraunhofer-Gesellschaft in der Pflicht, eine Schlüsselposition einzunehmen.

So sind in der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung deutschlandweit elf Institute (IFAM, IFF, IKTS, ILT, IPA, IPK, IPT, IWM, IWU, IZM, UMSICHT) integriert, wodurch die gesamte Prozesskette der generativen Fertigung in allen Facetten abgebildet wird – in Entwicklung, Anwendung und Umsetzung.

Bei ihren gemeinsamen Messeauftritten zum Beispiel zur EuroMold und Rapid.Tech wirft die Allianz Generative Fertigung unter dem Motto „Generate the Future“ einen Blick in die Zukunft der generativen Fertigung – sei es in eine Autowerkstatt im Jahr 2025 oder in die Produktion von morgen.

Erfolgreiche Anwendungen bereits heute

Bild1-Skateboard-topologieoptimiert-generativ

Bild 1: Topologieoptimierte Konstruktion eines Skateboard-Trägers, generativ gefertigt in Aluminium mittels Laserstrahlschmelzen

Dabei dürfen wir nicht vergessen, dass es bereits seit einigen Jahren erste generativ gefertigte Serienprodukte gibt. Beispiele sind patientenindividuell gefertigte In-Ohr-Hörgerätgehäuse, unsichtbare kieferorthopädische Kunststoffschienen oder Luftführungssysteme in Flugzeugen von Boeing, hergestellt mittels Lasersintern aus Polyamid. Neben diesen Kunststoffprodukten gibt es auch bereits generative Serienfertigung metallischer Produkte, zum Beispiel Zahnersatzteile wie Kronen und Käppchen oder spezielle Hüftpfannenimplantate.

Außerdem wird beispielsweise die Kraftstoffeinspritzdüse für das neue LEAP-Triebwerk von GE Aviation künftig generativ als integrales Komplexteil gefertigt – anstelle einer zwanzigteiligen Baugruppe mit 19 Lötoperationen, 25 Prozent leichter und fünfmal langlebiger.

Während es schwierig ist, die nächste großangelegte Serienanwendung mittels generativer Fertigungsverfahren vorherzusagen, lassen sich dennoch ihre allgemeinen Attribute benennen:

  • vorerst noch relativ niedrige Produktionsstückzahlen (bis zu Stückzahl eins)
  • komplexe Form und geometrische Elemente zur Integration mehrerer Einzelteile in ein Komplexteil
  • Integration zusätzlicher Funktionen und Mehrwerte
  • Bauteilgewichtsreduzierung durch Topologieoptimierung, bionisches Design oder Integration belastungsoptimierter Regelgitterstrukturen (siehe Bild 1)
  • Verzicht auf Werkzeuge und Formen, Fügeoperationen und Lagerhaltung

Aussichtsreiche Anwendung im Werkzeugbau

Zwei besonders aussichtsreiche Anwendungsgebiete stellen die Endo-und Exoprothetik (Implantat- und Prothesenfertigung) und der Werkzeug- und Formenbau dar. Der hochinteressante Wachstumsmarkt der Fertigung individualisierter, patientenangepasster Endo- und Exoprothesen wird derzeit noch weitgehend von den gesundheitspolitischen Rahmenbedingungen ausgebremst (Stichwort Fallpauschalen der Krankenkassen). Im Werkzeug- und Formenbau hat sich die Erkenntnis noch nicht in ausreichendem Maße durchgesetzt, dass sich Mehrkosten eines generativen Werkzeugs oft sehr bald mehrfach amortisieren.

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Bild 2: Werkzeugeinsatz für die Blechwarmumformung mit konturnaher, generativ gefertigter Kühlung (links: CAD, rechts: Realwerkzeug)

Das geschieht durch Kosten- und Ressourceneinsparungen und gesteigerte Bauteilqualität. Im Rahmen der Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ konnten Fraunhofer-Forscher gemeinsam mit Industriepartnern diese Vorteile bereits nachweisen. Durch generativ gefertigte, serientaugliche Werkzeugeinsätze mit konturnahen, geometrisch komplexen Kühlkanälen (siehe Bild 2) können in der Blechwarmumformung über 20 Prozent Zykluszeit und 715 MWh Energie pro Jahr eingespart werden! Im Kunststoffspritzguss, im Leichtmetalldruckguss und im Schmieden ermöglichen laserstrahlgeschmolzene Werkzeug- und Formeinsätze ähnliche Verbesserungen und Einsparungen.

Qualität nachweisbar machen

Um auch die hohen Anforderungen vor allem der Luftfahrt- und Automobilindustrie an die systematische Qualitätsüberwachung für generativ gefertigte Bauteile zu erfüllen, müssen Qualitätsmanagementsysteme Einzug in die generative Fertigung halten. Prüfprozeduren – vergleichbar zu den heute im Gießereiwesen angewandten – müssen dann die zuverlässige Qualitätsgerechtheit der generativ gefertigten Bauteile sicherstellen. Neben der Qualitätsprüfung stellt die Echtzeit-Prozessüberwachung des Fertigungsprozesses einen wichtigen Baustein für das Qualitätsmanagement dar. So können der Fertigungsprozess vollständig dokumentiert, Unregelmäßigkeiten erkannt und als längerfristiges Ziel unmittelbar regelnd in den Prozess eingegriffen werden.

Die Senkung der Kosten generativer Fertigungsverfahren hängt vor allem für die laserbasierten Verfahren hauptsächlich von der Steigerung der Produktivität des generativen Fertigungsprozesses ab. So wird aktuell beim Laserstrahlschmelzverfahren die weitere Laserleistungssteigerung von derzeit 100 bis maximal 400 Watt (bei heute kommerziell verfügbaren Anlagen) auf 1 oder gar 2 Kilowatt erforscht. Erste Anlagen mit 1 Kilowatt Laserleistung – entwickelt mit Fraunhofer-Beteiligung (ILT) – konnten bereits vorgestellt werden und werden derzeit bei Beta-Testern installiert.

Anwendung bei Konzernen und Spezialisten

Anwender sind heute hauptsächlich die großen Erstausrüster (OEM) der Automobilindustrie, der Konsumgüter- und Elektronikindustrie sowie die Flugzeug- und Triebwerkshersteller. Praktisch alle großen Konzerne betreiben bereits eigene generative Fertigungsanlagen und wenden die Verfahren dabei für Konzeptstudien, Prototypen und Vorserienteile, aber auch für erste Serienteile im Interieur- und Luftführungsbereich an. Im Medizinbereich setzen hauptsächlich Implantathersteller und Dentallabors generative Herstellungstechnologien ein.

Kleine Spezialisten, die heute schon mit generativer Fertigungstechnik arbeiten, sind zum Beispiel Motorsportunternehmen (für Prototypen und Serienteile), Werkzeugbau-, Kunststofftechnik- und Gießereiunternehmen (für Werkzeug- und Formeinsätze oder Gießereimodelle) sowie Maschinenbauunternehmen. Die Nachfrage der OEMs nach generativ gefertigten Bauteilen führt außerdem zu einer wachsenden Zahl an spezialisierten Zulieferern und Rapid-Prototyping-Dienstleistern.

In bestimmten Nischenbereichen beginnt sich die direkte generative Fertigung von Serienbauteilen und Endprodukten, das sogenannte Rapid Manufacturing oder Direct Digital Manufacturing, zu etablieren. Serientypische Bauteileigenschaften, steigende Produktivität und Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit unterstützen diesen Trend, der dem Megatrend der individualisierten Fertigung folgt. Generative Fertigungsverfahren erlauben heute und in Zukunft auf einzigartige Weise die Umsetzung dieses Megatrends in die fertigungstechnische Realität.

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