Industrie & Technik

Geschmolzen, nicht gefräst

08.01.2019 - Fortschritte bei additiver Fertigung dank neuer Lasertechnik.

Wo gehobelt wird, fallen Späne. Und wo Metalle geformt werden, fliegen die Funken. Letzteres verändert sich jedenfalls nicht, wenn neue Produktions­methoden Einzug halten in die Fabrik­hallen der Welt. Nur der Maß­stab, in dem es funkt, wird etwas kleiner. Denn statt heißer Roh­masse oder gehärteten Werk­stoffen führt der Laser Regie. Und der schichtet Ebene um Ebene, Mikro­meter um Mikro­meter an Metall- oder Kunst­stoff­pulver aufeinander und verschmilzt diese – bis zum fertigen Produkt.

Das „additive manufacturing“ – umgang­sprachlich gern als 3D-Druck bezeichnet – ist auf dem Weg, die Ideen der digitalen Welt greifbar zu machen. Christian Thönes, Vorstands­vorsitzender des Werk­zeug­maschinen­herstellers DMG Mori, sieht in diesem Verfahren den physikalischen Arm der Digitalisierung: „Additive manufacturing materialisiert die Ideen der Ingenieure und macht optimale Entwürfe aus der digitalen Welt in der realen Welt her­stellbar.“ So müssten additiv gefertigte, komplexe Bauteile zum Beispiel nicht mehr aus achtzig Einzel­teilen bestehen, sondern könnten als ein einziges, zusammen­hängendes Stück produziert werden. Und die Form spielt dann auch keine Rolle mehr. Der Natur entlehnte Strukturen könnten den Weg weisen zu einer effektiveren Gestaltung von Kühlern, die beispiels­weise Batterie­packs oder Brenn­stoff­zellen umgeben und die trotz eines viel kleineren Bau­volumens den doppelten Wirkungs­grad traditionell gefertigter Komponenten bieten.

Geometrie und Physik setzen der konventionellen, „zerspanenden“ Fertigung mit Drehen oder Fräsen klare Grenzen. Zum Beispiel lässt sich eine Hohl­welle mit innen­liegender Verrippung als reines Dreh­teil gar nicht – und mit der Kombination aus Drehen und Fräsen nur sehr eingeschränkt – herstellen. Dafür ist mindestens die Kombination mehrerer Einzel­teile nötig. Additive Fertigungs­methoden erzeugen aus Metall- oder Kunst­stoff­pulver und Laser­energie neue, hoch belast­bare und ebenso komplexe Bauteile. Im Entwicklungs­zentrum Weissach erforschen Porsche-Ingenieure genau solche Verfahren, zum Beispiel um die Rotor­welle eines Elektro­motors herzustellen.

Wie das im Detail funktioniert? Aktuell gibt es zwei Methoden: Beim Pulver-Düse-Verfahren wird Metall­pulver über einen Gas­strom einer Düse zugeführt. Die Düse und ein Laser­strahl fokussieren denselben Punkt, an dem das Metall­pulver vom Laser geschmolzen wird – dabei lässt sich der Produktions­kopf aus Düse und Laser in bis zu fünf Achsen steuern. Beim Pulver­bett­verfahren schmilzt ein Laser das flächig aus­gebrachte Metall­pulver punktuell, wodurch das Bau­teil in mehreren Schichten von zwanzig bis hundert Mikro­metern Stärke in die Höhe wächst. So lassen sich nahezu alle erdenk­lichen Formen produzieren.

Die Vorteile von additiv gefertigten Werkzeugen: Dank exakt berechneter und umgesetzter Anforderungen sind sie dauer­haft belast­bar und außerdem sorten­rein im Recycling am Ende ihres Lebens­zyklus. Kein Wunder also, dass auch DMG Mori-Chef Thönes von dieser neuen Technologie begeistert ist. Denn additiv gefertigte Teile bieten noch einen weiteren großen Vorteil: Sie ermöglichen die im Fahrzeug­bau entscheidende Gewichts­ersparnis. „Es kommt ja zunehmend darauf an, Bau­teile leichter zu machen“, führt Thönes aus. „Das hilft den Auto­mobil­herstellern, den Treib­stoff­verbrauch zu reduzieren und den Kohlen­dioxid-Ausstoß zu senken.“

Allerdings weist er auf beide Seiten der Medaille hin: „Einer­seits sind die Möglich­keiten nahezu grenzenlos. Wir können viel Gewicht einsparen, Funktionen optimal gestalten und absolut individuelle Bau­teile realisieren. Anderer­seits stellt die Produktivität noch eine der großen Heraus­forderungen dar.“ Wenn es um die Produktions­geschwindigkeit geht, haben klassische Pressen, Fräsen oder Guss­verfahren nämlich derzeit noch die Nase vorn. Diese Erfahrung haben auch die Porsche-Ingenieure in Weissach gemacht: „Noch dauert es bis zu 13 Stunden, um solch eine Rotor­welle auszudrucken“, weiß Frank Ickinger, Vor­entwicklung Motor.

Doch auch daran arbeiten die Ingenieure. Zum einen forschen sie mit Hoch­druck daran, den additiven Aufbau von Werk­stücken zu beschleunigen. Zum anderen optimieren die Entwickler permanent das Zusammen­wirken von Teilen aus klassischer Produktion mit solchen, die mit den innovativen Methoden produziert werden. Und dank der neuen Technologie lassen sich unter­schiedliche Materialien häufig leichter miteinander verbinden. „Eine Laser­leistung, die fokussiert einige Tausend Grad Celsius erzeugt, kann zum Beispiel Edel­stahl und Kunst­stoff mit­einander verschmelzen“, erläutert Thönes.

Die enge Verzahnung innovativer Produktionstechniken mit moderner Informations­technik ist für den Manager ein Bau­stein für die Fabrik der Zukunft. Die Art und Weise, wie Werk­stücke und letztlich komplette Fahrzeuge künftig produziert werden, wird unter dem Schlagwort „Industrie 4.0“ zusammen­gefasst. Gemeint ist damit, dass die Kontrolle der Produktion durch Computer weit über die Ansteuerung von Fräs­maschinen oder Industrie­robotern hinaus­geht und letztlich alle Maschinen und Stationen der Produktion mit­einander vernetzt. Davon profitieren nicht nur Fahrzeug­hersteller wie Porsche, auch den Kunden bietet die zukünftige vernetzte Produktion hand­feste Vorteile. So können beispiels­weise individuelle Kunden­wünsche direkt in der Produktion erfüllt werden – und nicht erst in nach­gelagerten Ver­edelungs- oder Manufaktur­prozessen. Zudem werden Änderungen von Sonder­ausstattungen, Farben, Felgen und Materialien durch den Kunden künftig bis unmittel­bar vor Produktions­beginn möglich sein.

Für Christian Thönes steht jedoch fest: „Bei allen Vorteilen des additive manufacturing ist klar: Traditionelle Fertigungs­verfahren wie Drehen oder Fräsen bleiben auch in Zukunft bestehen.“ Genauig­keiten unter 0,1 Millimeter werden weiter von klassischen, hoch­präzisen Werkzeug­maschinen gewährleistet.

Porsche AG / DE

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