Additive Fertigung

Warum der 3D-Druck neue Maßstäbe für die industrielle Massenproduktion setzt

Der 3D-Druck wird in den kommenden Jahren für industrielle Anwender bisher ungeahnte Möglichkeiten bei der Entwicklung und Produktion komplexer Designs erschließen. Bis September 2022 wollen Entwickler aus 15 Unternehmen und Hochschulen neue Verfahren beispielsweise für die Automobilindustrie oder den Maschinenbau erschließen.

Fertiger 3D-Druck bei der Pulverentfernung.

„Wir erarbeiten Grundlagen, die für eine qualitativ hochwertige industrielle Produktion die Voraussetzung sind“, erklärt Lukas Löber von Bosch, der das Forschungsprojekt „Linienintegration Additive Fertigung“ leitet. „Mit neuen Standards legen wir die Basis für einen technologischen Vorsprung und ermöglichen dadurch Wettbewerbsvorteile für viele Unternehmen“, sagt Löber. Das Forschungsprojekt hat ein Volumen von 13,6 Millionen Euro, wovon 6,9 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert werden.

Mit additiven Fertigungsverfahren – wie der 3D-Druck korrekt heißt – entstehen bereits heute hochkomplexe Strukturen aus Kunststoff oder auch Metall. Dazu zählen beispielsweise individuell geformte Hüftgelenke, spezielle Turbinenschaufeln für Jets oder auch komplexe Kühlkanäle, die mit anderen Fertigungstechnologien nicht möglich wären. Der Drucker trägt das Material Schicht für Schicht auf und reproduziert somit die zuvor am Computer gestaltete Form. „So entstehen interessante Einzelstücke, die allerdings handwerklich weiterverarbeitet werden. In der Industrie wollen wir jedoch gleiche Produkte tausendfach auf einer Fertigungslinie herstellen und das bei konstant gleicher Qualität“, erklärt Löber. Erst wenn dieser Sprung gelingt, kann die noch junge Technologie ihr ganzes Potenzial auf breiter Front entfalten und vielen Branchen den Weg zu neuen Produkten ebnen. So sind zum Beispiel leichte und schwingungsdämpfende Motorträger interessant. Die Projektteilnehmer gehen davon aus, dass die additive Fertigung einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung solcher Anforderungen leisten kann.

Forschungsprojekt arbeitet an neuen Standards für 3D-Druck

Das Forschungsprojekt umfasst Themen entlang der gesamten Prozesskette. Untersucht werden unter anderem die zusätzlichen Möglichkeiten der Produktgestaltung, die Eigenschaften und Weiterentwicklungen der eingesetzten Werkstoffe sowie die einzelnen Schritte im Fertigungsprozess und der Weiterverarbeitung. Die Technologie, die im Fokus steht, ist das sogenannte Laser Strahlschmelzen (auch L-PBF-M). Mit Laserstrahlen wird schichtweise aufgetragenes Metallpulver punktgenau geschmolzen und so in Form gebracht. Dieser Prozess verläuft nicht immer zuverlässig stabil, was zu Fehlern in den Bauteilen führen kann. Diese Herausforderung soll mit einer intensiven Prozessüberwachung gelöst werden.

White Paper zum Thema

Das Projekt will aber noch mehr Hürden auf dem Weg zur industriellen Anwendung nehmen. So baut der Drucker die Teile auf einer Plattform auf, die anschließend wieder abgetrennt werden muss. „Diesen Schritt müssen wir auf eine industrielle Basis bringen“, so Löber. Dies sei auch für die mechanischen oder thermischen Bearbeitungsschritte notwendig. Ferner gilt es, die eingesetzten Materialien zu erforschen. „Metalle kühlen bei dieser additiven Fertigungstechnologie viel schneller ab. Dadurch entstehen völlig neue Eigenschaften im Werkstoff“, erläutert Löber. Die Entwickler wollen rund um all diese Fragen einheitliche Verfahren und somit auch neue Standards erarbeiten.

Vielfältige Möglichkeiten noch zu wenig bekannt

Die Projektteilnehmer erhoffen sich auch, dass durch ihre Arbeit die Möglichkeiten der additiven Fertigung bekannter werden. Das Grundwissen ist noch nicht weit verbreitet, denn die Technologie wird erst seit knapp zwei Jahrzehnten für einzelne Lösungen angewendet. „Entsprechend ziehen kaum Entwickler den 3D-Druck in Betracht, wenn sie über neue Produkte und deren Herstellungsschritte nachdenken“, meint Löber. Dabei seien mit der additiven Fertigung interessante Formen und Lösungen möglich, die mit herkömmlichen Verfahren nie erzielbar wären.

Forschungsfeld Photonik

Das Projekt additiver Fertigungsverfahren zählt zum Programm „Forschung Photonik Deutschland“ des BMBF. Die Photonik hat sich zunächst aus der optischen Nachrichtentechnik entwickelt, die seit den 1980er Jahren durch den Einsatz von Glasfasern als Übertragungsmedium und der Laserdiode als modulierbarer Lichtquelle die elektrische Übertragungstechnik abgelöst hat. Heute zählen zu diesem Forschungsbereich neben der Kommunikation auch Felder dazu wie die Nanotechnologie (Nanophotonik), Beleuchtung und Displays, industrielle Fertigung und Qualitätssicherung sowie Life Sciences (Biophotonik).