3D Druck : XXL 3D-Druck: Wenn Goliath den David braucht

Keine Angst vor Mammut-Projekten hat man am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH). Im Gegenteil, Produktionsautomatisierung mit Schwerpunkt XXL-Produkte zählt zum Kerngebiet beim Forschungs- und Entwicklungsinstitut. Jetzt soll unter IPH Führung gemeinsam mit niedersächsischen Forschungsinstituten und Unternehmen ein riesiger 3D-Drucker tonnenschwere Getriebeteile aus Stahl fertigen. Konkret geht es dabei um stählerne Bauteile in einer Gewichtsklasse von mehreren Tonnen für Schiffsgetriebegehäuse, die künftig aus dem 3D-Drucker statt aus der Gießerei kommen. Für das Großprojekt sprechen Ökologie und Ökonomie, denn Drucken soll effizienter als Gießen sein: Die Forscher gehen davon aus, dass deutlich weniger Material benötigt wird.

Wie es zur Idee für dieses IPH Projekt kam, liegt am Interesse für additive Fertigung durch 3D Drucken: „Großbauteile beschäftigen uns am IPH schon seit längerer Zeit. Auch haben wir mit Niedersachsen Additiv schon eine Expertise zur additiven Fertigung im Haus“, so erklärt Ake Kriwall, IPH Projektingenieur am IPH, die Motivation zur aktuellen Innovation, „2016 kam die Idee, diese beiden Felder zu kombinieren, offizieller Start war dann im Januar 2019.“ Ziel des Forschungsvorhabens ist daher der Bau eines Demonstrators, der zeigen soll, dass durch additive Fertigung bei mindestens gleicher Qualität ressourcenschonend produziert werden kann. Und Ake Kriwall ergänzt diesen Anspruch mit einer entscheidenden Komponente: „Um die Qualität sicher zu stellen, ist eine Messtechnik unerlässlich“. Die kann aber eindeutig mehr als nur Erheben und Messen, sie denkt mit und optimiert! Denn nicht nur der Mega-Drucker ist die Innovation, auch in der Steuerung ist eine Neuentwicklung am Werken. Um die Qualität der Bauteile sicherzustellen, kreieren die Ingenieure des IPH nämlich eine spezielle Inline-Messtechnik. Diese ermöglicht es, während des Druckens Fehler zu erkennen und auch zu korrigieren. Dafür wird der Druckvorgang dauerhaft überwacht und bei Bedarf werden Druckparameter im Prozess automatisiert angepasst.

Auf die konkrete Frage nach der Besonderheit der Messtechnik betont Kriwall, dass es bei ihr eindeutig um mehr als klassisches Messen geht, der Auftrag lautet daher schlicht und einfach: „Zu der Messtechnik soll eine Regelung entwickelt werden.“ Der IPH-Experte beschreibt im Detail, warum dies unabdingbar ist: „Es sollen also nicht bloß Abweichungen im Fertigungsprozess erkannt werden, es muss auch direkt eine Korrektur der Fehler in der nächsten Schicht erfolgen“. Warum diese schrittweise Live-Korrektur so wichtig ist, weiß er aus Erfahrung mit herkömmlicher Gießereitechnik: „Häufig werden fehlerhafte Bauteile als Ausschuss behandelt oder mit hohem Aufwand manuell nachbearbeitet. Bei Druckzeiten von mehreren Wochen oder Monaten ist die Korrektur um so wichtiger.“ Bei XXL-Produktion wird es noch folgenschwerer, wenn der Druck nicht fehlerfrei abläuft: „Bei einem Bauteil dieser Größe wird auch die Frage des Verzugs eine große Rolle spielen“, warnt Kriwall, und die Folgerung daraus wird zum Kernpunkt des Projektes: „Nur mit entsprechender Messtechnik kann dieser Verzug während des Drucks überwacht werden,“ konkretisiert sein Kollege Dominik Melcher, ebenfalls IPH Projektingenieur.

Wenn beispielsweise in einem Schritt zu viel Material aufgetragen wird, kann im nächsten Schritt weniger zugefügt werden - oder eben umgekehrt. Da beim Drucken ein Teil des Materials noch heiß und ein Teil bereits abgekühlt ist, kann durch das Schrumpfen des Materials beim Abkühlen dann wieder Verzug entstehen. Und genau das soll durch das schrittweise Agieren der intelligenten Messtechnik vermieden werden, Ziel ist, dass die Dimensionen exakt passen müssen. Am Forschungsprojekt sind neben dem IPH mit seiner Innovation der Inline-Messtechnik vier weitere Unternehmen und Institute beteiligt. Die Leitung des Projekts liegt bei Reintjes, einem Schiffsgetriebe-Hersteller, der den 3D-Druck zukünftig in der Fertigung großer Produkte einsetzen will. Eilhauer Maschinenbau übernimmt den Anlagenbau des XXL-3D-Druckers, das Laser Zentrum Hannover arbeitet am laserunterstützten Lichtbogenschweißen und die Tewiss ist für den Bau und die Steuerung des Druckkopfes zuständig. Gefördert wird das Projekt vom deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, es läuft bis Ende 2021. Doch das ist nur der Anfang. „Der aufgebaute Demonstrator soll bei der Firma Reintjes für die weitere Erprobung verbleiben und genutzt werden“, betont Ake Kriwall mit Blick auf die Zukunft, „alle Partner wollen die gewonnenen Erkenntnisse für weitere Entwicklungen und Produkte nutzen“. Und dann soll es weiter gehen: „Nach Ende des Projekts ist auf Grundlage der Erfahrungen der Bau weiterer Anlagen denkbar“.