Laser Power Bed Fusion (LPBF) Serieller 3D-Druck von Metallbauteilen wirtschaftlich gelungen

Quelle: Fraunhofer ILT / Redakteur: Dorothee Quitter

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Im Projekt „IDEA“ entwickelten elf Industrieunternehmen und vier Forschungsinstitute drei Jahre lang zwei automatisierte, additive Produktionslinien für den metallischen 3D-Druck. Mit Erfolg: In Berlin und Georgensgmünd entstehen jetzt per Laser Power Bed Fusion individualisierte Bauteile, die zeigen, wie nicht nur Großkonzernen, sondern auch KMU die additive Serienfertigung in mittleren Losgrößen wirtschaftlich gelingt.

Fertigungshalle Additive Manufacturing bei toolcraft in Georgensgmünd.
Fertigungshalle Additive Manufacturing bei toolcraft in Georgensgmünd.
(Bild: Toolcraft)

Der serienmäßige 3D-Druck von Metallbauteilen im Laserstrahlschmelzen dauert zu lange, läuft nicht automatisiert ab und ist viel zu teuer. Diesen Luxus können sich nur Konzerne aus der Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik leisten. Bis jetzt. Im zu Ende gegangenen BMBF-Verbundprojekt IDEA (Industrialisierung von Digitalem Engineering und Additiver Fertigung) wurde eine großindustrielle Pilot-Fertigungslinie im Siemens Energy Gasturbinenwerk Berlin und eine Fertigungslinie für KMU beim Dienstleister Toolcraft in Georgensgmünd entwickelt und gebaut. Die zwei automatisierten, modular aufgebauten Produktionslinien demonstrieren den Reifegrad der additiven Fertigung als industrielle Produktionstechnologie. Das soll produzierenden Unternehmen Mut zur Anwendung der digital-additiven Fertigung in der Serienproduktion machen.

Planung der zwei Fertigungslinien mittels Tecnomatix Plant Simulation.
Planung der zwei Fertigungslinien mittels Tecnomatix Plant Simulation.
(Bild: Siemens Digital Industries)

Digitaler Zwilling bildet gesamte Prozesskette ab

Im Mittelpunkt des Projekts stand die digitale Transformation der gesamten Prozesskette. So sorgt eine zielgerichtete Automatisierung im Zusammenspiel mit digitalen Zwillingen und modernen Produktleitsystemen für eine durchgängige Erfassung und Nutzung aller relevanten Fertigungsdaten. Als virtuelles Abbild des additiven Bauteils, des Produktionsprozesses oder der Performance ermöglicht der digitale Zwilling eine nahtlose Verknüpfung der einzelnen Prozessschritte. Nach Angaben von Siemens konnte durch den Einsatz des digitalen Zwillings durchgängig die Effizienz der beiden industriellen Linien gesteigert, die Fehlerquote minimiert, sowie die Entwicklungszyklen verkürzt werden. Digital abgebildet wurden auch automatisierte Messmethoden zur Bauteilgeometrie-Überwachung, die additive Reparatur von Turbinenleitschaufeln und die automatisierte Endbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen.

Qualitätssicherung entlang der Prozesskette

Wie das Fraunhofer ILT mitteilt, steht und fällt die Anwendung des Laserstrahlschmelzens mit der Qualitätssicherung entlang der Prozesskette. Innerhalb von IDEA lag der Fokus daher insbesondere auf der regelbasierten Überwachung des Pulverzustandes, der robusten Prozessqualifizierung von Multi-Laser-Maschinen sowie der Weiterentwicklung von Lösungen zur automatisierten Prozessüberwachung. So wurde am Fraunhofer ILT ein neuartiges, bildgebendes Monitoringsystem entwickelt und evaluiert. Durch eine hochauflösende Stereokamera können jetzt Prozessinstabilitäten wie Bauteilverzug oder Pulverbettdefekte detektiert werden. Das Kamerasystem wird hierbei am Beschichter montiert und ist somit prinzipiell auch in bestehenden Maschinen nachrüstbar. In Zusammenarbeit mit dem Partner Jenoptik wurde eine KI-basierte Auswertung der Messdaten demonstriert.

Demonstrator einer Turbinenleitschaufel mit kontinuierlicher (cw, links) sowie gepulst-modulierter (pw, rechts) Konturbelichtung mit verbesserter Detailauflösung.
Demonstrator einer Turbinenleitschaufel mit kontinuierlicher (cw, links) sowie gepulst-modulierter (pw, rechts) Konturbelichtung mit verbesserter Detailauflösung.
(Bild: Fraunhofer ILT)

Darüber hinaus entwickelte das Fraunhofer ILT für das eingesetzte LPBF-Verfahren eine Prozessführung mit gepulster Laserstrahlung. Mit ihr sollen sich die Detailauflösung verbessern und weniger Formabweichungen entstehen. Sie senkte außerdem den Aufwand für die Nachbearbeitung und ermöglicht neue, effizientere Bauteilgeometrien.

Beschleunigte Fertigung und höhere Prozessstabilität

Bei Siemens konnte am Beispiel einer Turbinenleitschaufel aufgezeigt werden, dass sich unter holistischer Betrachtung der Fertigungskette vom Design bis zum fertigen Produkt reduzierte Entwicklungs- und Durchlaufzeiten von ca. 50 Prozent darstellen lassen. Laut Siemens wird das die Industrialisierung der Additiven Fertigung weiter vorantreiben, so dass Schlüsselkomponenten von Gasturbinen zu wettbewerbsfähigen Kosten angeboten werden können. Beim mittelständischen Fertigungsdienstleister Toolcraft konnte aus Teilprozessen eine ganzheitliche, durchgängige Fertigungskette abgebildet werden. Nach eigenen Angaben wurden manuelle Arbeitsschritte durch Automationslösungen substituiert, aufgrund derer jetzt eine höhere Prozessstabilität und -qualität erzielt werden kann.

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