Additive und hybride Produktion mit 3D-Druck

Pulver-Auftragschweißen in einer mehrachsigen Maschine ermöglicht den additiven Aufbau entlang beinahe beliebiger Achsen und somit eine schnellere und flexiblere Teileherstellung. (Bild: DMG MORI)

IDC prognostiziert, dass sich die Anzahl verkaufter 3D-Drucker weltweit von 2012 bis 2017 verzehnfachen wird. Dieses Wachstum wird in erster Linie von Privatkunden und Kleinunternehmen getrieben, es hat jedoch auch wesentliche Auswirkungen auf die industrielle Produktion. Der 3D-Druck hat insbesondere die Möglichkeiten für Design und Entwicklung sowie für Produktion und Vertrieb von Produkten verändert. Diese Fortschritte haben sowohl Türen zu besonders sauberen, leichteren und absolut sicheren Produkten aufgestoßen als auch zu kürzeren Lieferzeiten und geringeren Kosten.

Durch Kombination von Materialauftrag und Zerspanung in einem einzigen CNC-Programm lassen sich komplexe Formen mit höchster Präzision erzeugen und fertigstellen. (Bild: DMG MORI)

Die Herausforderung

Der 3D-Druck bietet Potenziale für die wesentliche Beschleunigung und Verschlankung einzelner Prozesse, allerdings nicht ohne Herausforderungen. Die erste liegt im derzeitigen Stand und Reifeprozess der Technologie, in der Verfügbarkeit von Anwendungs-Know-how und in schwer zu beantwortenden Wirtschaftlichkeitsfragen begründet. Beispielsweise gestaltet sich in einer wechselnden Landschaft mit wenigen Anhaltspunkten die kalkulatorische Abwägung zwischen Werkzeugkosten und der Anwendung eines 3D-Druckverfahrens zur endformnahen Herstellung sehr schwierig. Produkthersteller, die diese Technologie heute aus dem Musterbau in die Produktion übertragen möchten, sind klassische „Frühanwender“ mit den typischen Schwierigkeiten, Investitionen zu rechtfertigen und Umsetzungsentscheidungen zu treffen. Deshalb sind für die erfolgreiche Implementierung in einer einzigen Produktionsanwendung Monate zu veranschlagen.

Darüber hinaus macht die Additive Fertigung die Umwandlung von CAD-Geometrien in STL-Dateien erforderlich. Das bringt inhärente Ungenauigkeiten ins Spiel, die um Größenordnungen über denen der traditionellen subtraktiven, also spanabhebenden Fertigung liegen. Zahlreiche weitere Herausforderungen machen zusätzliche Forschungsanstrengungen erforderlich, um die konsistente Herstellung eines Produkts zu gewährleisten. Die Additive Fertigung gestattet aktuell keine dynamische Überwachung des Prozesses, was bei konventioneller Zerspanung mehr oder weniger zum Standard gehört. Für den Übergang von traditionellen subtraktiven Fertigungstechniken zu additiven und letztendlich hybriden Verfahren werden nicht nur neue Maschinen benötigt, sondern auch eine neue Geisteshaltung und dazu passend Werkzeuge und Verfahren. Zudem entstehen neue Möglichkeiten für die Analyse und für neue Materialien.

Für den Betrieb dieser revolutionären, hybriden Bearbeitungsmaschinen stellt Siemens innovative Software-Lösungen bereit und nimmt innerhalb der CAD/CAM-Branche eine Führungsrolle ein.

Bedarfsgerechte und maßgeschneiderte Produktion

Zwei der primären Vorteile des 3D-Drucks sind die Möglichkeit, kundenspezifische Einzelstücke herzustellen und nicht normgerechte, komplexe Konstruktionen in einem Stück zu produzieren. Das hat zahlreiche Vorteile, die Einsparungen bei Zeit, Ressourcen oder Kosten bringen können. Ein einfaches Beispiel ist die Herstellung von Streben. Statt eines massiven Stabs mit hohem Gewicht und der Notwendigkeit anschließender Verformung kann die im 3D-Druck erzeugte Variante hohl sein, im Inneren eine komplexe Konstruktion zur Versteifung aufweisen und gleich in der gewünschten Form gedruckt werden. Das Endprodukt ist stärker und leichter, wird in kürzerer Zeit und mit weniger Material gefertigt.

Zudem kann eine Konstruktion, für die mehrere Teile produziert und anschließend zusammengefügt werden müssten, als einzelnes Objekt gedruckt werden. Bei Anwendung konventioneller, spanabhebender Fertigungsverfahren können selbst recht unkomplizierte Baugruppen zahlreiche, separat zu produzierende Teile erforderlich machen. Das verursacht Kosten und begrenzt die konstruktiven Möglichkeiten. Mittels additiver Herstellungsverfahren lässt sich das Objekt als einzelnes Teil in einem einzigen Arbeitsschritt produzieren und ist zugleich leichter und haltbarer. Die von additiven Produktionsverfahren gebotene geometrische Freizügigkeit bei kundenspezifischen Anpassungen ermöglicht nicht nur den beschleunigten Prototypenbau, sondern bedeutet auch, dass sich Grundkonstruktionen gemäß individueller Anforderungen anpassen lassen. In der Medizin bringt das die Möglichkeit, Teile wie künstliche Knie- oder Hüftgelenke, exakt zur Anatomie des Patienten passend herzustellen.

3D-Drucker ermöglichen nicht nur die Herstellung neuer Konstruktionen, sie bringen auch neue Materialien. Das beschränkt sich nicht auf den Übergang von Kunststoffen zu Metallen und Legierungen, sondern schafft völlig neue Materialgruppen, die für die traditionelle Fertigung nie in Frage gekommen wären. Zu diesen gehören kalt verformbare und biologische Materialien für Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmabranche. Selbst eher traditionelle Metalle bieten Möglichkeiten zur Einführung von Dichtegradienten oder Material-Mischformen, die mit herkömmlichen Schmiede- und Gusstechniken nicht erzielt werden können.

Ein neues Konstruktions-Ökosystem

All dies weist einen aufregenden, innovativen Weg in die Zukunft der Produktion. Diese Vision umzusetzen, erfordert jedoch ein völlig neues Ökosystem für Konstruktion und Produktion. Auf der Entwurfsebene braucht es neue CAD-Werkzeuge für die Leichtbaukonstruktion mit komplexen Oberflächenmustern sowie Konstruktionsrichtlinien für die Additive Fertigung und Unterstützung für Mischmaterialien.

Die Additive Produktion ermöglicht einen komplexeren Aufbau – mit verborgenen, inneren Strukturen – der fertigen Teile. Derartige Strukturen bringen einen erhöhten Bedarf für Vorab-Festigkeitsanalysen zur Abschätzung der zu erwartenden Belastungsfähigkeit und zur Überprüfung der Vorgabenerfüllung in unterschiedlichen Szenarien. Eine erhöhte Komplexität des Aufbaus zieht auch zusätzliche Herausforderungen für die Qualitätssicherung nach sich, da klassische CMM-Messungen unter Umständen kein vollständiges Bild ergeben. Ebenso sind Erweiterungen der CAE-Analysesysteme um Werkzeuge für Topologie-Optimierung, Deformationsberechnung und Laser-Leistungsregelung erforderlich. In der Werkshalle werden neue CAM-Systeme vielachsige, additive Maschinen sowie hybride Produktionssteuerungen und -verfahren zu unterstützen haben.

Vor diesem Hintergrund muss auch das die Produktion umgebende Ökosystem überdacht werden. Die Fähigkeit, einzelne Teile auftragsspezifisch zu fertigen, ermöglicht den völligen Verzicht auf Teilelager, was wiederum zur Restrukturierung von Lieferketten führt. Schlussendlich verlangt all dies neue Fertigkeiten der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sowie einen weitaus gemeinschaftlicheren Zugang zum gesamten Konstruktions- und Produktions-Lebenszyklus.

Ein hybrider Ansatz

Die Additive Produktion ist trotz der zahlreichen Vorteile, die sie bringt, nicht ohne Schwächen, speziell bei Genauigkeit und Auflösung (Oberflächenstruktur). Die Lösung besteht in der Verfolgung eines hybriden Ansatzes, der additive Methoden und spanabhebende Bearbeitung in ein gemeinsames System integriert. Das Objekt wird dabei mittels additiver Produktionsverfahren hergestellt, seine feineren Details anschließend im Prinzip durch Abrasieren rauer Kanten fertiggestellt. Dieser Ansatz löst auch das Problem der Toleranzen und Genauigkeiten, da am fertigen Produkt gemessen und geglättet werden kann.

Die Möglichkeit, in kleinen Schritten Material hinzuzufügen oder abzutragen, schafft auch die Möglichkeit, Formen nachträglich anzupassen statt sie ganz neu zu konstruieren. Die Analyse- und Testphasen selbst lassen sich kürzer und genauer gestalten. Dieser Ansatz verbessert und vereinfacht auch Reparatur und Instandhaltung. Abgenützte oder beschädigte Teile können einfach mit Material ergänzt und anschließend bearbeitet werden.

Fazit

Für einfache Produkte mit hohen Stückzahlen werden auf absehbare Zeit die traditionellen Produktionsmethoden erhalten bleiben. Additive und hybride Fertigung bieten jedoch Möglichkeiten für völlig neue Branchen und einen neuen methodischen Ansatz für Konstruktion und Herstellung bestimmter Artikel. Die Anwendung additiver Fertigungsmethoden zur Herstellung bestimmter Teile ist wirtschaftlich eindeutig sinnvoll. Die Entwicklung des benötigten Prozesswissens kann jedoch eine gewaltige Investition in Zeit und Ressourcen erforderlich machen. Diesen Sektor aus der reinen Nischen- und Kleinmengenproduktion heraus zu entwickeln, braucht die Unterstützung der gesamten Branche bei der Entwicklung der Werkzeuge, die produzierende Betriebe benötigen, wenn sie ihre Produktionsmöglichkeiten mit additiven und hybriden Produktionsmaschinen erweitern.

Siemens PLM Software arbeitet beispielsweise daran, solche Maschinen direkt aus der Software NX heraus anzusprechen, so dass kein Daten- oder Genauigkeitsverlust durch den Umweg über Zwischenformate mehr entsteht. Additive und hybride Fertigungsmethoden verändern sich täglich. Ihre Entwicklung nimmt einen spannenden, innovativen Verlauf. Sie haben das Potenzial, völlig neue Branchen zu eröffnen und die Art und Weise zu revolutionieren, wie wir viele Herausforderungen bei der Schaffung von Produkten für beinahe alle Bereiche unseres Lebens angehen.