Mischformen von Fertigungsverfahren

Mit der Technik der additiven Fertigung lassen sich auch Mischformen im Herstellungsprozess darstellen. So kombiniert ein SLM-Kunde, die mittelständische Freiformschmiede Rosswag zwei Verfahren, indem sie massive Bauteile konturnah durch einen herkömmlichen Schmiedevorgang herstellt und in einem nachfolgenden Arbeitsschritt auf das Rohteil in der SML-Anlage eine komplexere Oberfläche additiv aufgebaut.

Auch Trumpf, ein Spezialist für das Laserschneiden, bietet die Kombination zweier Fertigungsverfahren an, nur genau andersherum: Mit der bereits bekannten Fertigungstechnik Laser Metal Deposition (LMD) wird Metallpulver in den Strahl eines starken Lasers geblasen und so auf ein bestehendes Bauteil aufgebracht. Allerdings ist das Verfahren nicht für die Konstruktion komplexer Strukturen geeignet. Eine Trumpf-Maschine kann aber mit der auf der Formnext neu vorgestellten LMD-Version bis zu 500 Kubikzentimeter Material pro Stunde aufbauen und wird daher eingesetzt um Material aufzutragen, das dann in einem zweiten Schritt subtraktiv – durch Fräsen oder Drehen – in Form gebracht wird.

Arburg, bekannt als Hersteller von Spritzgussanlagen, stellte mit dem Freeformer einen interessanten 3D-Drucker vor: Er ist standardmäßig mit einem über drei Achsen beweglichen Bauteilträger und zwei feststehenden Austragseinheiten ausgestattet. Der Bauraum bietet Platz für Teile, die bis zu 154 mal 134 mal 230 Millimeter groß sind. Die zweite Einheit kann für eine zusätzliche Komponente genutzt werden, um zum Beispiel ein Bauteil in verschiedenen Farben, mit spezieller Haptik oder als Hart-Weich-Verbindung zu erzeugen. Auf der Formnext konnte man am Bauteilbeispiel 2K-Planetenrolle erstmals die Materialkombination TPU und Biopolymer sehen. Aus dem biologisch abbaubaren Werkstoff entstehen die inneren Zahnräder, die von einer äußeren Laufrolle aus elastischem TPU eingefasst werden. Die Bauzeit dafür beträgt rund drei Stunden. Alternativ lassen sich mit der zweiten Austragseinheit Strukturen aus einem Stützmaterial aufbauen und auf diese Weise auch ungewöhnliche oder sehr komplexe Bauteilgeometrien realisieren. Nach Entfernen der Stützstrukturen können die Bauteile etwa als Designmuster sowie für Funktions- und Montagetests genutzt werden.

Auf der Messe produzierte ein Freeformer auf diese Weise additiv ein Nautilus Gear, erstmals aus einem Materialblend von PC und ABS mit Flammschutz. Das Bauteil besteht aus zwei gegeneinander beweglichen, asymmetrischen Zahnrädern und einer Verbindungsbrücke und wird in einem Schritt in einer Bauzeit von rund zwei Stunden gefertigt. Nach Auflösen der Stützstruktur in warmem Wasser sind die Zahnräder direkt funktionsfähig, eine Montage ist nicht erforderlich. Die Produktionstechnik kombiniert also Teilefertigung und Montage – die normalerweise in zwei aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten stattfinden. Ebenfalls neu: Das Gerät arbeitet mit Granulat anstatt dem üblichen Filament, kann also viele Spritzgussmaterialien nutzen. Zudem baut der Freeformer in einzelnen Tropfen und nicht in einer fortlaufenden Schnur auf. Das soll laut Arburg eine bessere Verbindung mit dem Untergrund gewährleisten, so dass das typische richtungsabhängige Verhalten von FDM-Teilen nicht auftritt.

Auch an den Verfahren der additiven Fertigung geht das Thema Industrie 4.0 nicht spurlos vorbei. In den Hauptabsatzmärkten der 3D-Drucktechnik, der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt ist es unverzichtbar, bei jedem produzierten Teil die Prozessdaten zu dokumentieren und so die Qualität des Produktes nachweisen zu können. Um den Zulassungsrichtlinien der ISO oder der FDA zu genügen, muss der gesamte Prozess nachvollziehbar sein. Dazu zählen Informationen über die verwendete Maschine, die Positionierung des Bauteiles, das verwendete Material, den Bediener und die Nachbearbeitung. Um in der additiven Fertigung diese Prozesssicherheit zu gewährleisten, bietet die belgische Firma Materialise die Software Streamics an. Das Control System wurde speziell für den Bereich des Rapid Prototypings entwickelt. Es beinhaltet eine effiziente und einfache Datenverwaltung sowie die Möglichkeit, Prozessabläufe zu steuern und zu automatisieren.

Aus dem CAD-Bereich präsentierte das amerikanische Unternehmen Autodesk seine Softwarelösungen. Im Zentrum des Messeauftritts stand neben generativen Fertigungsverfahren vor allem das Thema Generative Design, einem zukünftig zentralen Prozess in der Fertigungsindustrie. Basierend auf den Parametern des Designers wie Gewicht oder Festigkeit ermittelt die unbegrenzte Computerleistung der Cloud verschiedene Designvarianten. So lassen sich Kostenstruktur, Materialeinsatz und Fertigungstechniken frühzeitig optimieren und kostenintensive Anpassungen von Designs in der Produktion deutlich verringern. Parallel dazu hat das Unternehmen eine Technologie entwickelt, mit deren Hilfe sich räumliche Gitterstrukturen erzeugen lassen, die gleichzeitig sehr stabil und sehr leicht sind. Diese Strukturen lassen sich in zwei Bereichen sehr gut nutzen, für die das Unternehmen jeweils ein Softwarepaket entwickelt hat: Im technischen Leichtbau und in der Medizin. Detlev Reicheneder, Senior Industry Manager bei Autodesk nannte im Gespräch auf der Formnext für die zukünftige Entwicklung in dem Bereich softwaregestützer Konstruktion das Ziel einer durchgehenden Kette von Softwareanwendungen auf einer Plattform, mit der vom Design über den Druck bis zur Nachbearbeitung alle Fertigungsschritte durchgehend darstellbar sind. Bei Autodesk heißt das dazugehörige Projekt „The future of making things“ und beschäftigt sich neben der reinen Technik auch mit weitergehenden Gesichtspunkten wie den gravierenden Änderungen im Einkaufsverhalten der Endkunden, auf die die Produktion flexibel reagieren können müsse.

Und so gibt es zwar in der Konstruktionsfreiheit keine Grenzen mehr, in der Realität der Produktentwicklung – und Fertigung aber eben schon und diese liegen in erster Linie darin, dass, wie David Reis von Stratasys es ausdrückte, die Ingenieure überwiegend in der Technik noch nicht heimisch seien.

Interview mit Joachim Eipl-Prestel, Leiter Maschinentechnik im Werkzeugbau Ingolstadt bei Audi

Welche Vorteile erwarten Sie konkret vom Einsatz neuer Technologien wie der generativen Fertigung?

Technologien wie diese ermöglichen uns, Bauteil-Geometrien mit komplett neuen Funktionen zu bauen und dabei einen sehr großen Gestaltungsfreiraum zu haben. Von der additiven Fertigung erwarten wir uns konkret, funktional zu bauen und dabei frei von Restriktionen zu sein, die durch ein Produktionsverfahren vorgegeben werden.

Max Wagner, Ihr Leiter der Abteilung Tooling Leichtbau hat betont, dass der Fokus für laufende und künftige Produktionsketten auf prozesssicheren Betriebsmitteln liege. Was heißt das im Einzelnen und kann die Technologie der additiven Fertigung im Werkzeug- und Formenbau bei Ihnen zu diesen Bedingungen bereits eingesetzt werden?

Richtig, additive Fertigungsverfahren wenden wir bei uns im Audi-Werkzeugbau bereits an. Dank der generativen Fertigung lassen sich Bauteile funktional auf die Anforderungen anpassen und somit Prozesse stabilisieren, beispielsweise bei Funktionen wie Kühlung, Schmierung, Luftströmung oder Absaugung. Der Einsatz dieser Funktionen in Werkzeugkomponenten ermöglicht eine Prozessregelung, und diese wiederum trägt zu einer Stabilisierung der Prozesse bei. Die generative Fertigung macht oftmals erst die Einbringung dieser Funktionen in Bauteile möglich. Erste Betriebsmittel haben wir bereits im Bereich Druckguss- und Warmumformungswerkzeuge im Einsatz.

Inwiefern verändert die generative Fertigung bei Ihnen die Auswahl der Werkstoffe und welche weiteren Auswirkungen hat das auf den Fertigungsprozess?

Wir im Audi-Werkzeugbau haben uns bei der additiven Fertigung auf Werkzeugstahl fokussiert. Mit diesem Werkstoff können wir einen Großteil der Anwendungen erschließen. Unser Ziel ist es, im Rahmen einer Entwicklungspartnerschaft an der Weiterentwicklung von Werkzeugstahl-Werkstoffen zu arbeiten, sodass sie sich auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen lassen.

Wenn Sie bei den Herstellern von industriellen 3D-Druckern einen Wunsch frei hätte, welcher wäre das?

Für uns als Nutzer der additiven Fertigung wäre es hilfreich, wenn die Anlagenanbieter in größeren Bauteildimensionen denken und Anlagen mit einer kompletten Prozesskette nach dem Prinzip „Pulver rein, fertiges Bauteil raus“ anbieten würden.