Additive Manufacturing: Auf dem Weg zur Stradivari

Additive Fertigung auf dem Weg zur Schlüsseltechnologie: NRW will das enorme Potenzial dieser Technologie noch stärker ausloten und zu einem Wachstumsmotor machen.
Professor Dr. Werner Fröhlich mit  einer Geige aus dem 3-D-Drucker Foto: „Fab Lab“ der Universität Siegen
Professor Dr. Werner Fröhlich mit einer Geige aus dem 3-D-Drucker Foto: „Fab Lab“ der Universität Siegen
„Eine Stradivari ist sie nicht geworden, aber als Gebrauchsinstrument eignet sie sich hervorragend“, freut sich Dr. Werner Fröhlich. Der Musikliebhaber und emeritierte Mathematik-Professor der Universität Siegen kombiniert seine Leidenschaften für Musik und Wissenschaft und setzt dabei auf modernste Technik. Mit 78 Jahren hat er die „additive Fertigung“, den 3-D-Druck, kennengelernt. Mit Unterstützung der Kreativwerkstatt „Fab Lab“ der Universität hat Professor Fröhlich technische Vorlagen optimiert und sich an den Druck einer Geige gewagt. Schicht für Schicht, jeweils 0,1 Millimeter stark, wuchs die erste gedruckte Siegerländer Violine. 3-D-Druck macht heute Dinge möglich, die so früher technisch nicht oder nur unter hohem Kosten- und Zeitaufwand zu realisieren waren. Implantate in der Medizin, Hilfsmittel in der Automobilindustrie und Formen aller Art – „Additive Manufacturing“ erweist sich auf den verschiedensten Gebieten als günstige und schnelle Alternative zu herkömmlichen Verfahren. Selbst hochkomplexe Formen können schnell, einfach und günstig hergestellt werden.

Innovationen aus NRW

„Innovationen aus NRW“ überschreibt das Cluster „ProduktionNRW“ die Informationsbroschüre „Innovationen made in NRW“ und dokumentiert die Potenziale von Additive Manufacturing. ProduktionNRW ist das Cluster des Maschinenbaus und der Produktionstechnik in Nordrhein-Westfalen und wird vom VDMA NRW durchgeführt. Die additive Fertigung hat in NRW starke Wurzeln. Abseits des „Geigenbaus“ sind Pioniere der 3-D-Druckerherstellung sowie leistungsfähige Dienstleister Mitglieder des Netzwerks, und namhafte Konzerne investieren an Rhein und Ruhr in die neue Fertigungstechnologie. Aber auch viele Anwender und insbesondere Universitäten und Bildungseinrichtungen forcieren das Thema.

Natur schafft Kompromisse

„Bei der Analyse von Vogelskeletten, Pilzen oder Bäumen kommen Leichtbauingenieure ins Schwärmen“, sagt Jessica Göres. Die Mitarbeiterin des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) ist überzeugt, dass die Natur perfekte Kompromisse zwischen Stabilität und Gewichtsoptimierung schafft. „Doch die natürlichen Vorbilder in bionische Strukturen zu übersetzen, scheiterte lange an ihrer Komplexität. Spanende Verfahren und Gussprozesse stießen an Grenzen. Es lohnte sich selten, den hohen Aufwand der Formgebung zu betreiben“, so Göres. Was volkstümlich „3-D-Druck“ genannt werde, sei längst ein Maschinenbauthema par excellence. Additive Manufacturing (AM) biete – was in der Politik ähnlich gesehen wird – ganz neue Möglichkeiten, schreibt Göres in ihrer Analyse zur Situation in NRW.

„Treiben Forschung voran“

Die additive Fertigung habe maßgeblichen Anteil daran, dass neue Produkte deutlich schneller entwickelt und hergestellt werden können, zollt Professor Dr. Andreas Pinkwart, Minister für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen, dem Maschinen- und Anlagenbau Anerkennung für seine Rolle als Ausrüster und Taktgeber bei der Initiative für eine wichtige Ergänzung zu traditionellen Herstellungsverfahren. „Wir treiben die Forschung im Bereich additive Fertigung voran und schaffen so beste Voraussetzungen dafür, dass Unternehmen auf sich verändernde Anforderungen am Markt reagieren und neue Geschäftsfelder erschließen können. Unser Ziel ist es, das enorme Potenzial dieser Technologie noch stärker auszuloten und sie zu einem Wachstumsmotor zu machen“, betont der Landesminister.

Einsatz an Hochschulen

Nicht nur die Politik sieht gute Ansätze im Lande: An der Universität Paderborn arbeiten derzeit 15 Professoren und 30 wissenschaftliche Mitarbeiter daran, die Technologie auch für den Mittelstand verfügbar zu machen. 2008 wurde hierfür das „Direct Manufacturing Research Center“ (DMRC) gegründet. Die Schwerpunkte des Netzwerks sind Forschung, Innovation und Lehre. Themenstellung ist z. B. die Erforschung von neuen Materialien für die E-Mobilität oder auch für bio-resorbierbare Implantate für den menschlichen Körper. Mittlerweile werden maßgeschneiderte Materialien für die Industrie entwickelt.

Statischen Objekten Leben geben

Für Aufsehen hat die erstmalige Verbindung von 3-D-Druck und gestrickten Textilien zu autoreagiblen Multimaterialien am Institut für Textiltechnik an der RWTH Aachen gesorgt. Zukünftig sehen die Forscher am ITA gemeinsam mit Industriepartnern aus NRW eine Vielzahl von Anwendungen solcher Multimaterialien. Sie stellen die weitreichende Frage: „Wie verleihen wir den statischen Objekten in unserer Umgebung Leben?“ Auch in der Medizintechnik wird an tubulären Strukturen gearbeitet, die aktiv ihre Form verändern können. Damit können sich die Implantate selbstständig bewegen und am Einsatzort zusammenbauen. In der Architektur sollen aktive, textile Außenhüllen den Energieverbrauch über eine sonnenabhängige, materialintegrierte Steuerung verringern.

Wenn es schnell gehen muss …

Auch viele Unternehmen haben die Vorteile längst erkannt: „Die additive Fertigung wird vor allem dann gewählt, wenn es sehr schnell gehen muss. Zum Beispiel wenn Teile noch am gleichen Tag benötigt werden oder wenn ein Maschinenstillstand droht“, betont Tom Krause, Leiter des Geschäftsbereichs Additive Fertigung bei Igus in Köln. Das neue Lasersintermaterial sei hochbelastbar und sehr langlebig, erläutert er einen Versuch, bei dem zum Vergleich ein Standardwerkstoff gewählt wurde. Das Zahnrad aus dem Standardlasersintermaterial blieb bereits nach 521 Zyklen stehen. Gefräste Zahnräder waren nach 621.000 Zyklen verschlissen. Das Zahnrad aus dem neuen Lasersintermaterial hingegen hatte nach einer Million Zyklen lediglich einen geringen Verschleiß und war noch voll funktionsfähig.

Von NRW ins All

Von der Qualität seiner gedruckten Geige ist auch Professor Fröhlich längst überzeugt. Der erste Versuch endete nicht ganz glücklich, nun sind Klangfülle und Ton aber gegeben. Der erste Drucker im „Fab Lab“ ließ die Fertigung der Geige nur in drei Teilen zu. Die mussten zusammengefügt werden, die Klangqualität litt immens. Die Lösung nahte mit einem größeren Drucker. Nun konnte die Geige in einem Stück gefertigt werden, auch Griffbrett und Wirbelkasten entstammen additiver Fertigung. Dass die auch für Zukunftsprojekte steht, ist in Düsseldorf bewiesen worden: Am Rhein entstand eine besondere Schaufel, die mit ihrer futuristischen Beschichtung für eine Mission zum Mars bestimmt ist. Reinhold Häken | redaktion@regiomanager.de

Anmerkung: Mit Material der Studie im Rahmen der Begleitforschung zum Technologie-programm Autonomik für Industrie 4.0 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie

Additive Fertigungsverfahren
Drei Verfahren mit hohem Reifegrad.

Die additiven Fertigungsverfahren, auch Additive Manufacturing (AM) genannt und oft unter dem Synonym „3-D-Druck“ zusammengefasst, werden künftig eine wichtige Rolle als Schlüsseltechnologie einnehmen und klassische Verarbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Gießen oder Schmieden ablösen. Drei Verfahren haben bereits einen hohen technologischen Reifegrad mit breiten Anwendungsmöglichkeiten erreicht. Bei den pulverbasierten Prozessen wird eine dünne Schicht Pulver (Metall, Keramik) auf eine Arbeitsfläche aufgetragen und mittels Laser in eine definierte Kontur geschmolzen, die sich nach dem Erstarren verfestigt. Daraufhin wird eine neue Schicht Pulver aufgetragen und der Prozess wiederholt (PBF-Verfahren). Im Extrusionsverfahren werden thermoplastische Kunststoffe über eine beheizte Düse verformbar gemacht und geometrisch definiert abgelegt (EB-Verfahren). Beim Photopolymerisationsverfahren werden flüssige Photopolymere punkt- oder schichtweise auf einer Bauplattform vernetzt. Insbesondere im Bereich der metallbasierten PBF-Verfahren sind deutsche Unternehmen weltweit führend.

Freedom of Design

Bauteile müssen künftig in Funktionen gedacht und entwickelt werden und nicht mehr unter dem Aspekt der Kostenbetrachtung. Das bedeutet einerseits eine hohe Freiheit für die Konstrukteure – Stichwort „Freedom of Design“ –, andererseits auch eine immense Verantwortung. Mit Hilfe von 3-D-Scannern können auch anspruchsvolle Objekte von der physischen in die digitale Welt übertragen werden. Einmal digitalisiert, stellen selbst Anpassungen, Änderungen und Rückkonstruktionen – das so genannte Reverse Engineering – kein Hindernis dar.
Ausgabe 2020