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Auch den „Kleinen“ steht der 3D-Seriendruck in Metall offen

Auf partnerschaftliche Zusammenarbeit von mehreren Unternehmen aus unterschiedlichsten Branchen setzt das BMBF auch beim Verbundprojekt „Idea – Industrialisierung von Digitalem Engineering und Additiver Fertigung“. Bis Ende Oktober 2022 entstehen dabei beim Konsortialführer Siemens Energy AG in Berlin und bei der mittelständischen Toolcraft AG aus Georgensgmünd bei Nürnberg zwei automatisierte, additive Produktionslinien für Metallbauteile für den Turbomaschinenbau sowie für die Luft- und Raumfahrt. Sie sollen zeigen, dass nicht nur Großkonzernen, sondern auch KMU die additive Serienfertigung von individualisierten Produkten in kleinen Losgrößen wirtschaftlich gelingen kann. Als technologischer Enabler erwies sich vor allem die interdisziplinäre Zusammensetzung des Projektteams, in dem unter anderem Fachleute für Turbomaschinenbau, Software, Automatisierung, Flugzeugtechnik, Laser- und 3D-Drucktechnik zusammenkamen.

Sicherheitsanforderungen bremsen den 3D-Druck nicht aus

Wie unterscheidet sich das Projekt Idea von Idam? „Im Gegensatz zum BMBF-Projekt Idam mit dem Schwerpunkt automobile Serienproduktion geht es bei Idea um Turbomaschinenbau sowie Luft- und Raumfahrt“, erklärt Thomas Laag, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT. „Während die Automobilproduktion auf hohe Stückzahlen und niedrige Taktzeiten ausgelegt ist, fallen im letzteren Sektor die Stückzahlen niedriger aus. Außerdem handelt es sich um größere Bauteile, deren Taktzeiten nicht so exakt und kurz wie in der Autoindustrie sind.“ Hinzu kommen aber die sehr hohen Sicherheitsstandards der Aerospace-Branche. So müssen Hersteller von Bauteilen zum Beispiel ein Nadcap-Zertifikat (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program) – das strenge Akkreditierungsregelwerk der Luft- und Raumfahrtindustrie – besitzen. Ähnliche strenge Standards, etwa hinsichtlich Präzision, gelten auch für die Produktion von Turbinen für die Energieerzeugung. Eine wichtige Rolle spielte deshalb im Projekt auch die Qualitätssicherung. „Wir setzen auf Prozessqualifizierung und Überwachung des Pulverzustandes“, sagt Laag. Das Fraunhofer ILT entwickelte für das hier ebenfalls eingesetzte LPBF eine Prozessführung mit gepulster Laserstrahlung, aufgrund derer sich die Detailauflösung verbessert und weniger Formabweichungen entstehen. Sie senkt außerdem den Aufwand für die Nachbearbeitung und ermöglicht neuartige, funktionsverbessernde Bauteilgeometrien.

Die Nacharbeit bei 3D-Druckteilen ist heute automatisierbar

Für ein weiteres Problem sorgt bei additiven Verfahren wie dem Laser Powder Bed Fusion, dass sich die Bauteile dabei erwärmen, was zu Eigenspannungen und letztlich zum Verzug führt. Um die Wärme abzuführen, kommen Stützstrukturen zum Einsatz, die später aufwändig manuell entfernt werden müssen. Die Weiterverarbeitung von 3D-Druck-Bauteilen erfordert daher viele manuelle Arbeitsschritte, um den geometrischen Bauteilverzug zu kompensieren. Außerdem gilt es, die extrem komplexen Anforderungen von High-End-Branchen wie der Luft- und Raumfahrt an die Bauteilspezifikationen und den Fertigungsprozess zu erfüllen. Das sind typische Herausforderungen, die bei Toolcraft zum Alltag gehören. Das mittelständische Unternehmen setzt den 3D-Metalldruck nämlich für die Serienfertigung ein und druckt mit mittlerweile 13 Fertigungsanlagen. Es ist dabei eng mit namhaften Maschinenherstellern in Kontakt.

Doch was bewirkte das BMBF-Projekt Idea in Georgensgmünd? „Es gelang uns, Teilprozesse besser in einer ganzheitlichen, durchgängigen Fertigungskette abzubilden“, erklärt Markus Langer, Leiter für Forschungs- und Technologieförderung bei Toolcraft. Außerdem erhöhte die Automatisierung von bisher manuellen Arbeitsschritten die Prozessstabilität und -qualität. Eine weitere wichtige Rolle spielte bei Idea auch die Digitalisierung von Arbeitsplänen und von Arbeits- sowie Prüfanweisungen. Sie erleichtert den Fachkräften im Metall-Laserschmelzzentrum im Zusammenspiel aus interaktivem Training und VR-Brille die Arbeit an hochkomplexen Maschinen und Fertigungsprozessen.

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