Laserbasierte Fertigungsverfahren 14.12.2012, 14:01 Uhr

Digital Photonic Production: Direkte Bauteilfertigung auf 3-D-Basis

Gebündeltes Licht optimiert die Produktion der Zukunft: Denn „Digital Photonic Production“ soll die direkte Fertigung maßgeschneiderter Bauteile auf der Basis von 3-D-Computerdaten ermöglichen. Bereits jetzt werden vereinzelt Implantate oder Funktionsteile für den Werkzeugbau in kleinen Stückzahlen just in time und wirtschaftlich gefertigt. In Zukunft wird dies auch für Serienbauteile im Automobil oder Flugzeugbau der Fall sein.

Laser vereinfachen Einzelteilproduktion.

Laser vereinfachen Einzelteilproduktion.

Foto: Trumpf

„Wir stehen kurz vor der dritten industriellen Revolution“, betont Christian Hinke im Gespräch mit den VDI nachrichten. Denn laserbasierte Fertigungsverfahren erfüllten die vom Markt gestellten Anforderungen einer höheren Bauteilkomplexität und Individualisierung zu gleichzeitig attraktiven Kosten. Dies gelte sowohl für generierende Verfahren wie das Selective Laser Melting (SLM) als auch für abtragende Laserprozesse. „Digital Photonic Production bildet dadurch die Speerspitze der Evolution bei zukunftsträchtigen Produktionsverfahren“, ergänzt der Leiter der Gruppe Integrative Produktion am Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen und berichtet von neuen möglichen Einsatzgebieten der innovativen Technologie.

Digital Photonic Production

Mögliche Einsatzgebiete reichen vom Leichtbau über die Medizintechnik bis hin zum Maschinenbau

Diese liegen nach seiner Ansicht vorwiegend in den Bereichen Leichtbau, Medizin- und Dentaltechnik, Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Werkzeug- und Formenbau, dem Automobilbau und dem Maschinenbau. Beispielsweise werde die Herstellung von Ersatzteilen für einen Hydraulikkomponentenhersteller in wenigen Jahren ganz anders aussehen als heute: „Nicht mehr das Vorhalten von Ersatzteilen in mehreren Hundert Varianten steht im Vordergrund, sondern vielmehr die Verfügbarkeit der 3-D-CAD-Daten aller in der Vergangenheit hergestellten Bauteile“, erläutert der Wissenschaftler. Im Bedarfsfall würden diese Teile mit dem Selective-Laser-Melting-Verfahren kostengünstig und kurzfristig hergestellt hergestellt und an den Kunden versandt.

Generell kommen „generative Verfahren“ dort zum Einsatz, wo komplexe Bauteilgeometrien, kurze Reaktionszeiten und ein ressourcenschonender Umgang mit dem Werkstoff gefordert werden. Beim Selective Laser Melting werde – ähnlich wie bei einem Laserdrucker, der die gespeicherten Daten zweidimensional auf Papier aufbringt – auf der Grundlage von CAD-Daten der Werkstoff dreidimensional in Schichten von wenigen Mikrometern aufgetragen. Hochleistungslaser schmelzen das Metall- oder Keramikpulver auf und bauen das Werkstück Schicht für Schicht auf.

So lassen sich hochkomplexe geometrische Bauteile bei einer gleichzeitigen Individualisierbarkeit des Endproduktes nach Kundenvorgaben realisieren. Die Produkte werden 1:1 aus den berechneten Konstruktionsdaten generiert. Bei industriellen Anwendungen werden als Datenbasis CAD-Zeichnungen, bei medizintechnischen Anwendungen Daten aus Computertomografen oder anderen bildgebenden Verfahren eingesetzt.

Kosten für generative Fertigungsverfahren sind unabhängig von der Komplexität der Bauteile

Bedingt durch die schichtweise Aufbautechnik sind die Fertigungskosten bei generativen Fertigungsverfahren nahezu unabhängig von der gewünschten geometrischen Komplexität eines Bauteils. Ob Hinterschnitte, innen liegende Kühlkanäle, komplexe Stützkonstruktionen – die generativen Fertigungsverfahren benötigen hierfür im Gegensatz zu konventionellen Verfahren keinen zusätzlichen Aufwand wie beispielsweise teure Werkzeuganpassungen.

Für größere Serien werden diese innovativen Verfahren jedoch erst wirtschaftlich, wenn es gelingt, stärkere Strahlquellen zu integrieren und die Bearbeitungsprozesse zu beschleunigen. „Die an unserem Institut aktuell entwickelten Hochgeschwindigkeitsanlagen sind zehn Mal schneller als konventionelle SLM-Systeme“, betont Christian Hinke. Durch diesen Geschwindigkeitsgewinn verlasse dieses Verfahren die Nische im Bereich Rapid Prototyping und erhalte Einzug in die Produktionshallen, wo es auf die schnelle Herstellung maßgeschneiderter Produkte in kurzer Zeit in beliebigen Stückzahlen ankommt: „Und das alles zu vertretbaren Kosten“, betont Christian Hinke. Zudem könne der Designer nahezu frei von Fertigungsrestriktionen Produkte entwickeln und werde dabei im Wesentlichen nur durch seine Vorstellungskraft begrenzt. Den Rest erledige das 3-D-Printing-Verfahren.

Daimler integriert Digital Photonic Production in die Produktion

Mittlerweile kümmern sich auch die Automobilhersteller um Digital Photonic Production. Die Stuttgarter Daimler AG entwickelte gemeinsam mit den Wissenschaftlern des Aachener Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) und den Experten der Concept Laser GmbH, Lichtenfels, eine Laserschmelzanlage mit beachtlichen Ausmaßen. Bei der neuen „X line 1000R“ steht ein maximaler Bauraum in Motorblockgröße zur Verfügung. Das Herzstück dieser Anlage besteht aus einem Hochleistungslaser im kW-Bereich, der eine Produktivitätssteigerung bis zum Faktor 10 gegenüber marktüblichen Laserschmelzanlagen ermöglicht.

Die Anlage wurde speziell auf die besonderen Anforderungen bei Daimler für Automobilanwendungen abgestimmt. Ziel des Automobilherstellers war es, kostenintensive Sand- und Druckgussanwendungen in frühen Entwicklungsphasen zu ersetzen. Darüber hinaus bietet dieses „Lasercusing“-Verfahren zukünftig die Möglichkeit, Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit zu entwickeln, die gewichtsoptimierte Geometrien – nahezu ohne konstruktive Einschränkungen – zulassen, aber aufgrund derzeitig verfügbarer Fertigungstechniken heute nicht so herstellbar sind.

 

Von Rolf Müller-Wondorf

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