Laserschmelzanlagen : Ist das die nächste große Chance für die Pumpenindustrie?

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts stellt die Industrie vor allem solche Produkte her, die man effizient in großer Menge fertigen kann. Ob in den klassischen Transferstraßen oder in automatisierten Bearbeitungszentren, die Vorgabe war immer dieselbe. Nur bei bestimmten Losgrößen lohnte sich die Investition in teure, automatisierte Anlagen. Wie ein Produkt aussieht bestimmte der, der sehr viele Stücke davon kaufte oder verkaufte.

Um dem Anwender trotzdem für seinen individuellen Betriebspunkt das optimale Produkt anbieten zu können, entwickelten die Konstrukteure von KSB in den Dreißigerjahren des 20. Jahrhunderts das Raster. Der Nachteil für den Hersteller in diesem System liegt darin, dass er ein sehr effizientes Komplexitätsmanagement betreiben muss, um wirtschaftlich erfolgreich zu sein. Alleine für die Wassernormpumpen Etanorm gibt es über 40 verschiedene Gehäusegrößen (Bild 1). Dazu kommen noch diverse Werkstoffausführungen und Wellendichtungsvarianten. Heute liegt die durchschnittliche Losgröße bei der Etanorm-Produktion der etwa bei 1,4. Wer sich im Internet zum Beispiel den KSB-Webshop anschaut kann sehen, welche Konfigurationsmöglichkeiten Kunden schon heute bei der Auswahl einer Kreiselpumpe haben.

Die Pumpenfabrik der Zukunft wird aber noch einige Schritte weiter gehen. Sie wird viele kleine und größere Abweichungen von der standardisierten Gestalt zulassen. Zusätzliche Funktionalitäten, die mit den heute gebräuchlichen Fertigungsmethoden nicht wirtschaftlich oder gar nicht herstellbar sind, werden im Betrieb von Pumpen neue Möglichkeiten bieten. In der Zukunft werden individualisierte, maßgeschneiderte Pumpen durch einen überschaubaren „Engineering-Aufwand“ bei der Auftragsvergabe, der Abwicklung sowie der Inbetriebnahme gekennzeichnet sein. Im Extremfall wird eine solche „tailor-made pump” nur ein einziges Mal existieren ‒ nämlich für eine Anlage mit der Stückzahl „Eins“. Dabei darf man so eine maßgeschneiderte Maschine aber nicht mit einem „Prototyp“ verwechseln, der noch „erprobt“ werden muss. Der große Erfahrungsschatz an erfolgreich bearbeiteten Vorbildern, kombiniert mit modernen Entwicklungstools, macht eine solche „tailor-made pump” zuverlässig und effizient.

Gekennzeichnet ist eine solche maßgeschneiderte Pumpe durch sehr konträre Anforderungen. Während Qualität und Zuverlässigkeit hoch sein müssen, werden Herstellkosten und Lieferzeit immer niedrig und kurz sein müssen. Wegen der starken Konkurrenzsituation der Pumpenhersteller untereinander wird dieser Punkt in der Zukunft von großer Bedeutung sein.

An dieser Stelle könnte Laserschmelzen neben anderen modelllosen Herstellungsverfahren in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Bei diesem baut man mithilfe eines Lasers das zu fertigende Element Schicht für Schicht durch Mikroschweißprozesse aus Metallpulver auf (Bild 2). Dabei entsteht ein endkonturnahes, physikalisch dichtes Bauteil in einem Pulverbett (Bild 3). Die Koordinaten gewinnt man durch eine Software aus den CAD-Daten. Der 3D-Druck selbst verläuft absolut geräuschlos.

Das Verfahren zeichnet sich durch einen sehr sparsamen Energie- und Materialeinsatz aus, da nur das für den Aufbau eines Produktes benötigte Metall thermisch behandelt und verbraucht wird. Interne Berechnungen bei KSB ergaben, dass Materialeinsparungen von 50 bis 70 % möglich sind, wenn existierende Bauteile neu berechnet, neu gestaltet und verfahrensgerecht ausgelegt werden. Das liegt zum einen daran, dass fast kein Abfall beim 3D-Druck entsteht und überschüssiges Pulver komplett wiederverwendet werden kann. Der gesamte Produktionsprozess findet unter Schutzgasatmosphäre statt, um die oxidationsempfindlichen Werkstoffe beim Umschmelzen zu schützen. Das Endprodukt unterscheidet sich zwar vom metallografischen Gefüge, nicht aber in seiner Zusammensetzung vom Metallpulver, aus dem es zusammengeschweißt wurde.

Seit Ende 2014 verfügt KSB in seinem Pegnitzer Werk über zwei starke Laserschmelz-Anlagen (Bild 4). Die Werkstoffspezialisten untersuchen das Potenzial des 3D-Drucks für die Entwicklung und Fertigung. Dabei stellt man mit Hilfe der CAD-Daten versuchsweise geeignete metallische Bauteile her. Eine der Aufgaben die noch gelöst werden müssen ist es herauszufinden, ob die neuen, aus Metallpulver hergestellten Werkstücke auch die gleiche Festigkeit und Materialeigenschaften aufweisen, wie vergleichbare Bauteile, die man mit traditionellen Verfahren gefertigt hat.

Zusätzlich müssen auch noch neue Konstruktionsrichtlinien erstellt werden, da das Thema Laserschmelzen für den Pumpen- und Armaturenbau ein neues Arbeitsgebiet darstellt. Die Freiheit in der geometrischen Gestaltung und die Verfügbarkeit der Bauteile an jedem Ort zu jeder Zeit ermöglichen es, in der Entwicklung, Fertigung und Logistik neue Wege zu gehen.

Technologisch und wirtschaftlich liegen die Grenzen des 3D-Drucks derzeit noch an der realisierbaren Bauteilgröße und der Fertigungsgeschwindigkeit. Die weltweit größten Laserschmelz-Anlagen haben aber schon einen Produktionsraum mit einem Bauvolumen von 160 Litern. Aber bei der rasanten technischen Entwicklung werden zukünftig sicher noch größere Geräte zur Verfügung stehen. Das Maß für die Wirtschaftlichkeit dieses Herstellungsverfahrens ist die Menge des umgeschmolzenen Materials. Die Herstellung großer und massereicher Konstruktionen macht wirtschaftlich sicher nur dann Sinn, wenn benötigte Bauteile nicht oder nicht mehr zugänglich sind, oder Prototypen für die Entwicklung benötigt werden.

Das geschieht bereits in anderen Anwendungen sehr erfolgreich, zum Beispiel bei der Herstellung von Ersatzteilen für alte Autos, Motorräder und Flugzeuge. Dem Pumpenhersteller geht es darum, die Vorteile des neuartigen Produktionsverfahrens als wichtigen Schritt in Richtung Industrie 4.0 zu nutzen und die Potenziale in der Entwicklung und Fertigung auszuschöpfen. Dabei hat sich schon gezeigt, dass die Stärken des 3D-Druckes bei der Herstellung kleiner, individuell abweichender Teile liegt, oder wenn man eine größere Stückzahl in einem einzigen Prozessschritt herstellen kann (Bild 5). Sehr große und massereiche Komponenten wird man wohl auf längere Sicht noch mit anderen Verfahren herstellen.

Was aus den Freiheiten entsteht, die das 3D-Druckverfahren an Innovationen herbringen wird, bleibt eine der spannendsten Fragen der Zukunft. Mit den vorhandenen CAD-Daten ist eine Herstellung von Produkten an jedem Ort der Welt möglich. Das Laserschmelzen wird auf jeden Fall die weltweite Verfügbarkeit von Bauteilen verändern und eine Individualisierung von Pumpen ermöglichen, die man sich heute kaum vorstellen kann.