Die Additive Fertigung nimmt Schlüsselrolle ein

Die Additive Fertigung nimmt Schlüsselrolle ein

Volatile und hochkomplexe Märkte erfordern eine wandelbare und personalisierte Produktion sowie eine verbesserte zeitliche und räumliche Verfügbarkeit. Zur Gewichtsreduktion und der damit einhergehenden Ressourcenersparnis werden immer mehr Technologien für den funktionsintegrierten Leichtbau entwickelt. Diese neuen Konstruktionswege mit neuen Bauteileigenschaften werden über geringere Herstellkosten eine kostengünstigere Produktion ermöglichen, die zukunftsfähig und nachhaltig ist.

Hype oder echte Alternative?

Wir erleben einerseits zurzeit einen großen medialen Hype im Bereich des 3D-Drucks. Aber es gibt hier auch sehr ernstzunehmende Entwicklungen, nicht nur für den Consumer-Bereich, sondern auch im Business-Bereich. Das kann man daran ablesen, dass sich renommierte Maschinenbauer sehr intensiv mit additiven Verfahren auseinandersetzen. Im Kunststoffbereich hat die Firma ARBURG begonnen, eine eigene Technologie zu entwickeln, Trumpf hat angekündigt, mit dem electric laser melting wieder in die additiven Verfahren einzusteigen. Es gibt also im B2B-Bereich großen Bedarf und erfahrene Maschinenbauer bringen ihre Kompetenz in dieses Thema ein.

Wenn diese Kompetenz gepaart ist mit der Entwicklung von neuen Materialien, dann wird man die heute noch vorhandenen Schwächen, beispielsweise die geringe Materialpalette und niedrige Prozessgeschwindigkeit sowie eine mangelnde Automatisierung, überwinden können. Damit wird sich die herkömmliche Produktion verändern, zumindest im Bereich von Stückzahl 1 und in Bereichen, in denen es die Präzisionsanforderungen erlauben. Hier wird sich die additive Fertigung immer mehr durchsetzen. 

Dabei bleibt es aber nicht. Es wird viele hybride Verfahren geben. Man wird durch Schichten von Werkstoffen ein Produkt aufbauen und dann noch nachbearbeiten. Diese Verfahrensintegration findet in der Werkzeugmaschine selbst statt, was wiederum eine Herausforderung für die Automatisierung ist.

Freiheit bei der Gestaltung

Additive Fertigungsverfahren bieten aufgrund des schichtweisen Aufbaus einzigartige Gestaltungsfreiheiten. Hieraus leitet sich ein enormes Potenzial für den strukturellen Leichtbau ab. Bionische Leichtbaustrukturen, integrierte Funktionalitäten sowie topologieoptimierte Bauteile können direkt produziert werden. Neben dem strukturellen Leichtbau ist die Verwendung hochfester Werkstoffe oder solcher mit geringer Dichte zur Fertigung von Leichtbauprodukten geeignet. Ein Beispiel für den werkstofflichen Leichtbau sind Faserverbundstrukturen, die geringe Materialdichte mit hoher Festigkeit kombinieren. Durch die Bündelung der Vorteile additiver Fertigungsverfahren mit Halbzeugen aus Hochleistungswerkstoffen – beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe oder Keramik – werden noch leichtere Produkte möglich.

Wirtschaftlichkeit und Kundennutzen zählen

Der 3D-Druck macht überall dort Sinn, wo er wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Dort, wo ganz neue Bauteilgeometrien erzeugt werden, die einen zusätzlichen Nutzen bringen, etwa über die Funktionsintegration oder über besonders leichte Bau- teile, die integriert werden. Dieser Aspekt spielt beispielsweise in der Medizintechnik eine enorme Rolle. Die Chance zu personalisieren bietet sich darüber hinaus auch für körpergetragene Produkte, den sogenannten Smart Wearables.

Aber auch bei Teilen mit einem Designaspekt ist der 3D-Druck sinnvoll eingesetzt. Überall dort, wo der Kunde einen persönlichen Nutzen durch eine hohe Personalisierung sieht, wird sich die additive Fertigung durchsetzen; dort, wo der Kunde zu honorieren bereit ist, dass er ein personalisiert hergestelltes Bauteil, etwa in seinem Fahrzeug, wiederfindet. Das kann zum Bei- spiel die Innenraumpersonalisierung sein, mit speziell hergestellten Oberflächen und Formen.

Gesünder sitzen und arbeiten 

Verbesserte Arbeitsbedingungen werden auch vor dem Hintergrund des demographischen Wandels zukünftig noch wichtiger werden. So ermöglichen additive Fertigungsverfahren individuelle, ergonomische Arbeitsplätze, die für einzelne oder Gruppen speziell angepasst und schnell umgesetzt werden können. Speziell angepasste Arbeitsplätze für einzelne Menschen oder bestimmte Gruppen sind schnell umsetzbar. Durch die Fertigung ohne Form sind Produktionskosten für Einzellösungen und Kleinserien gering. In IPA-Projekten konnte beispielsweise das Gewicht eines Montagehockers im Vergleich zum Vorgängermodell um über 50 Prozent gesenkt werden. Außerdem wurden Methoden entwickelt, um mit additiv gefertigten Hilfsmitteln ältere Fachkräfte im Bereich der Mikromontage optimal zu unterstützen. Ergonomisch verbesserte Arbeitsplätze verringern Produktionsfehler und tragen somit zu einem qualitativ hochwertigeren Produkt, verringertem Ausschuss und einer profitableren Produktion bei.

Anlaufstelle für Entwickler, Unternehmer und Studierende

Acht Zentren im Bereich der Mass Personalization wird das Fraunhofer IPA in den nächsten Jahren aufbauen. Die Themen reichen von der digitalen Batteriezellproduktion und smarten Materialien über frugale sowie cyberphysische Produktionssysteme bis hin zur cybercognitive Intelligence und dem Leicht- bau. Im Zentrum für Additive Produktionstechnologien (ZAP) soll eine komplette Produktionsstraße von der Datenaufbereitung und Materialkonditionierung über unterschiedliche Produktionsverfahren bis hin zur Nachbearbeitung additiv gefertigter Produkte aufgebaut werden. Dabei spielt auch die Kombination von additiven und konventionellen Technologien eine entscheidende Rolle. Das Zentrum ist eine Anlaufstelle für Entwickler, Unternehmer und Studierende und ein Informations- und Projektzentrum für KMU in Baden-Württemberg.

Von Thomas Bauernhans