Additive Fertigung: Schicht für Schicht

3D-gedruckt in hochkomplexen Strukturen – extrem leicht und unglaublich stabil. Das kleine Örtchen Krailling bei München steht wie kein zweiter Fleck auf der Erde für die Erfolgsgeschichte der Additiven Fertigung.

11.2015 | Autor: Thorsten Rienth

Autor:
Thorsten Rienth schreibt als freier Journalist für den AEROREPORT. Seine technikjournalistischen Schwerpunkte liegen neben der Luft- und Raumfahrtbranche im Bahnverkehr und dem Transportwesen.

Es ist Mitte der 1980er Jahre, als Dr. Hans J. Langer als Mitarbeiter eines US-ame­ri­ka­nisch­en Un­ter­neh­mens einen Kunden besucht und dort sieht, wie dessen In­ge­nieu­re aus flüssigen Foto­poly­meren schicht­weise Kunst­stoff­teile aufbauen. Die nötige Energie kommt aus einem Laser. Langer staunt. Was, wenn sich mit dieser Methode auch funk­tio­nale Bau­teile herstellen ließen? „Mir schweb­­te das Bild eines Vogel­kno­chens vor: ein komplizierter Hohlkörper, der aber extrem fest und leicht ist.“

Langer spricht bei der Ge­schäfts­führ­ung vor. Er schlägt den Einstieg in eine Welt vor, die er Electro Optical Systems nennt, kurz: EOS. Die Technologie sei der logische nächste Schritt in der Wei­ter­ent­wick­lung des Un­ter­neh­mens, wirbt er. Statt le­dig­lich Kom­po­nen­ten herzustellen, müssten sich doch mit Lasern, fein­stem Metall- oder Kunst­stoff­pul­ver und der passenden Software ganze Sys­te­me fertigen lassen. Die Chefs winken ab, doch die Idee lässt den Münchner Physiker nicht mehr los. Er sucht und findet einen Investor, schreibt die Kün­di­gung – und legt selbst los. 25 Jahre später ist Langer CEO der EOS-Gruppe mit Sitz in Krailling bei München, dem welt­weiten Tech­no­lo­gie- und Qua­li­täts­führ­er für High-End-Lö­sung­en im Bereich der Additiven Fertigung.

Die Grenzen setzt höchstens die Kreativität

Die Vitrinen im Show­room des Un­ter­neh­mens erzählen den Weg dorthin. Er beginnt mit Mo­dell­he­li­kop­ter­ge­häu­sen, Steckern oder Ro­bo­ter­grei­fern. Entlang der Zeitachse werden die Produkte immer filigraner. Am Ende liegen Strukturen darin, die aussehen wie Schwämme – aber aus Metall sind; hoch­effektive Wär­me­tau­scher, die in einem Volumen von ein paar Ku­bik­zen­ti­me­tern nie da­ge­we­sene Ober­fläch­en unter­bringen; eine kleine Bau­plattform, auf der bis zu 450 pa­tien­ten­in­di­vi­du­el­le Zahn­kronen und Zahn­brücken in einem Fer­ti­gungs­gang her­gestellt werden können. Die Gren­zen der An­wen­dungs­bei­spiele setzt praktisch nur die Kreativität der Kunden: Ein Roboter, dessen Greif­arm einem Ele­fan­ten­rüs­sel nachempfunden ist. Die hohlen, kontur­nah ge­kühl­ten Werk­zeug­kerne eines Spiel­zeug­her­stel­lers, die sich deutlich schneller kühlen lassen und so die Takt­zeiten in der Pro­duk­tion der Teile ver­dop­peln.

So verschieden die End­pro­duk­te sind, so haben sie doch eines gemeinsam: Mit her­kömm­lich­en Me­tho­den ließen sie sich nur wesentlich teurer oder überhaupt nicht fertigen. Laser-Sintern nennt EOS seine Me­tho­de. Auch für die Aero­space-Welt ist sie geradezu prä­des­ti­niert. Denn mit der Tech­no­lo­gie lassen sich auch existierende – und damit bereits zu­ge­las­sene – Werk­stoffe verarbeiten.

Video: Der EOS Bauprozess Artikel mit Video

Der EOS Bauprozess

Anstatt Werkstücke aus Blöcken zu fräsen, baut die pulverbasierte EOS-Maschine das Bauteil Schicht für Schicht aus Metallen, Kunst- oder Verbundwerkstoffen auf. Zum Video ...

Ein Laser lässt das Bauteil Schicht für Schicht wachsen

Technisch betrachtet handelt es sich dabei um drei­di­men­sio­nale Mikro­schweiß­vor­gänge. Anstatt Werk­­stücke aus festen Blöcken zu fräsen und damit Material ab­zu­­tra­gen, baut die pul­ver­­ba­sier­te EOS-Maschine sie Schicht für Schicht aus Metallen, Kunst- oder Verbund­­werk­stof­fen auf. Ein Beschichter trägt dazu nach und nach hauch­dünne Schich­ten auf die Bau­plattform auf. Ein starker Laser schmilzt das Pulver exakt an jenen Stellen auf, die ihm die com­pu­ter­gen­erier­ten Bau­teil-Kon­struk­tions­daten vor­ge­ben, und verbindet es mit der Schicht darunter. So wird das Bauteil additiv Schritt für Schritt aufgebaut. Gerade einmal 20 Mikrometer, also 20 Tausendstel Millimeter, ist eine Schicht im Metall­bereich im ex­trem­sten Fall dünn.

Fast jede Form, die mit einem 3D-CAD-Pro­gramm kon­stru­ier­bar ist, lässt sich auf diese Weise fer­ti­gen. Design-driven Manu­­facturing heißt das Stich­wort, bei dem die Kon­struk­tion die Fer­ti­gung bestimmt – im Gegen­satz zu kon­ven­tio­nel­len Ver­fahren, bei denen die Fer­ti­gung der Kon­struk­tion Grenzen setzt. Es er­mög­licht hoch­kom­plexe Struk­turen mit filigranen Details, kleine Los­größen zu akzeptablen Stück­kosten und eine starke Pro­dukt­in­di­vi­du­ali­sier­ung.

Funktionsprinzip des Laser-Sinterns

„Es braucht viel Erfahrung und ein klares Verständnis darüber, welche Faktoren Auswirkungen auf die Bauteilqualität haben und wie man sie entsprechend anpassen kann.“

Dr. Hans J. Langer, Gründer und CEO der EOS-Gruppe

Der Prozess dahinter sieht geradezu spielerisch aus. Wie ein Mini­atur­feuer­werk im Zeit­raffer springt der Laser über das Pulver. „Doch das ist deutlich an­spruchs­vol­ler, als es den Eindruck macht – es gibt dabei Millionen von Schweiß­nähten“, stellt CEO Langer klar. Es reiche nicht, die Maschine einfach nur mit den Daten zu füttern und zu warten, bis ein paar Stunden später das fertige Bau­teil heraus­kommt.

Wie sehr die Tech­no­lo­gie im Kommen ist, zeigt ein Blick auf die EOS-Zahlen. Mehr als 240 Millionen Euro Umsatz peilt das Unter­nehmen im Jahr 2015 an. Es wäre das zweite Jahr in Folge, in dem EOS etwa 40 Prozent im Jahr wächst. Alleine im lau­fen­den Jahr hat sich die Anzahl der Mit­arbeiter um etwa 100 auf weltweit ungefähr 740 erhöht. Sie ar­beiten praktisch rund um den Globus, etwa in den USA, China, Finnland oder Italien. In Krailling baut EOS nach dem 2014 fertig gestellten Tech­no­lo­gie- und Kunden­zentrum gerade ein weiteres neues Ge­bäude. Langer schätzt, dass sein Unter­nehmen in den nächsten drei bis fünf Jahren über 1.500 Systeme ver­kaufen und bei Kunden in­stal­lie­ren wird – das sind un­gefähr genauso viele, wie in der ganzen Un­ter­nehmens­ge­schich­te seit 1989 bis heute verkauft wurden.

Der neue Firmensitz des MTU-Partners EOS GmbH in Krailling bei München.

Additive Fertigung

Additive Fertigung eines Leit­schaufel­clusters bei der MTU Aero Engines. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Additive Fertigung eines Leit­schaufel­clusters bei der MTU Aero Engines.

2-leitschaufelclusters

Additive Fertigung eines Leit­schaufel­clusters bei der MTU Aero Engines.

Additiv gefertigtes Boroskopauge für den A320neo-Antrieb PW1100G-JM. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Additiv gefertigtes Boroskopauge für den A320neo-Antrieb PW1100G-JM.

3-boroskopauge

Additiv gefertigtes Boroskopauge für den A320neo-Antrieb PW1100G-JM.

Vom „Rapid Prototyping“ in die Serienfertigung

Die Ursprünge des in­dus­tri­el­len 3D-Drucks liegen im „Rapid Pro­to­typ­ing“, dem Bau von An­schau­ungs- und Funk­ti­ons­pro­to­typ­en. In Zeiten immer kürzerer Markt­zyklen wächst die Be­deut­ung von schnel­ler Pro­dukt­ent­wick­lung und Markt­ein­führ­ung. Inzwischen sind 3D-Druck-In­ge­nieu­re keine Nerds mehr, die hinter dicken Horn­brillen an fu­tu­ris­tisch­en Geräten basteln. Die Tech­no­lo­gie hält Einzug in die Serien­fer­ti­gung.

Kaum eine In­dus­trie­grö­ße, in deren Fer­ti­gung sich keine Ma­schinen aus Krailling be­finden. Der Münch­­ner Auto­mobil­her­stel­ler BMW ist etwa ein Partner der ersten Stunde. Mit Siemens arbeiten die Kraillinger eben­falls eng zu­sam­men. Auch bei der MTU Aero Engines in München stehen Ma­schinen von EOS. Die erste ging im Jahr 2009 in Betrieb, als eine der ersten über­haupt in der Luft­fahrt­branche. Zu­nächst setzte sie die MTU im Werk­zeug­bau ein, etwa bei Kühl­mit­tel­spritz­düsen, Schleif­schei­ben oder Be­fes­ti­gun­gen mit kom­plex­eren In­nen­struk­turen.

„Im Mit­tel­punkt stand für uns erst ein­mal nicht die schnelle Fer­ti­gung von Trieb­werks­tei­len“, erklärt Dr. Karl-Heinz Dusel, der bei der MTU die Additive Fer­ti­gung leitet. „Wir wollten die Tech­no­lo­gie von Anfang an verstehen.“ Inzwischen fertigt die MTU die Bo­ros­kop­au­gen für das A320neo-Triebwerk PW1100G-JM additiv. „Dich­tungs­trä­ger mit in­te­grier­ten Ho­nig­wa­ben-Dich­tun­gen sind die näch­sten Bau­teile, bei denen wir die Tech­no­lo­gie um­fassend einsetzen wollen“, gibt Dusel einen Ausblick. Hier erfahren Sie mehr zum Thema "Additive Fertigung".

Inside MTU Optische Tomografie

In Qualitätsangelegenheiten darf es in der Luftfahrt keine Kom­pro­mis­se geben. Um sie bei additiv ge­fertigten Bau­teilen möglichst effektiv sicher­zu­stel­len, entwickelten MTU Aero Engines und EOS im Rahmen einer stra­te­gisch­en Partner­schaft für die Qua­li­täts­sich­e­rung ein neu­art­iges Qua­li­täts­sich­er­ungs­tool für die metall­ba­sier­te Additive Fertigung. Erstes Er­geb­nis der ge­mein­samen Arbeit ist eine von der MTU ent­wickel­te Optische Tomo­graphie (OT), die das modular auf­ge­baute EOS-Moni­toring-Port­folio er­gänzt: Neben zahl­reichen Sensoren, die den all­ge­meinen System­zustand über­wachen, kon­trolliert die kamera­basierte OT-Tech­no­lo­gie den Be­licht­ungs­pro­zess und das Schmelz­verhalten des Werk­stoffes zu jeder Zeit, um die optimale Be­schich­tungs- und Be­lich­tungs­qua­lität sicher­zu­stellen.

Reproduzierbare Qualität und Prozessstabilität

Wie so oft profitieren von der Partnerschaft beide Seiten. „Aus unserer Perspektive ist es unglaublich wichtig, mit jemandem zusammen­zu­ar­bei­ten, der die Additive Fertigung wirklich versteht“, sagt Dusel. Lediglich Pro­to­typen her­zu­stel­len sei zu wenig. „Für die Serien­fer­ti­gung ist re­pro­duzier­bare Qualität und Prozess­stabilität unab­dingbar.“ Genau die Stich­worte also, die auch für EOS es­sen­zi­ell sind. „Für uns geht es darum, Kon­struk­ti­ons­prin­zi­pien zu be­herrschen“, erklärt Felix Bauer, bei EOS Business Devel­opment Manager Aerospace. „Nur wenn das der Fall ist, können wir Ver­fahr­en ent­wick­eln, die der In­dus­trie einen echten Mehr­wert geben.“ Der in­dus­tri­el­le 3D-Druck als neue in­dus­tri­el­le Re­vo­lu­ti­on? Bauer schüttelt den Kopf. „Wir werden die heutigen Fer­ti­gungs­ver­fahr­en nicht ersetzen, aber bieten mit der Additiven Fertigung eine weitere Option an – je nachdem, welche für eine be­stim­mte An­wen­dung die bessere Wahl ist.“ Das mache ein ge­ne­rel­les Um­denken nötig, bei In­ge­nieu­ren, bei Un­ter­neh­men, bei Uni­versi­täten. Bauer erzählt dazu gerne die Ge­schichte von einem Pro­fessor, der ihm vor ein paar Jahren nach einer Prä­sen­ta­tion betreten gestand: „Vor kurzem hat ein Stu­dent bei mir nicht be­standen, weil er etwas kon­stru­ierte, das nach gängigen Me­tho­den nicht zu fertigen war – mit einem additiven Ver­fahren hätte es funk­tio­niert.“

MTU-Newsletter
MTU-Newsletter

Unser Newsletter informiert Sie regelmäßig über Hochtechnologie und exzellenten Service „made by MTU“. Wir blicken aber auch über den Tellerrand hinaus auf allgemeine Luftfahrtthemen.

Diese Artikel könnten Sie auch interessieren:

Additive Fertigung im Trieb­werksbau

05.2014 | Additive Verfahren erobern eine Wirtschaftsbranche nach der anderen und jetzt auch die Luftfahrt. Im Triebwerksbau ist der MTU Aero Engines damit ein Durchbruch gelungen, als einer der ersten Antriebshersteller der Welt fertigt sie Serienteile.

Neue Herstell­verfahren made by MTU

11.2014 | Mit dem Hochdruckverdichter und der schnelllaufenden Niederdruckturbine für den Getriebefan hat die MTU Aero Engines Meisterstücke abgeliefert. Beide Komponenten zeichnen sich durch ihren technologischen Vorsprung und neueste Herstellverfahren aus.

Neue Produktions­verfahren verbessern die Ökobilanz

03.2018 | Umweltschutz in der Luftfahrt beginnt lange vor dem Take-off. Hersteller von Trieb­werken und Flug­zeugen entwickeln neue, nachhaltige Produktions­verfahren, mit denen sich Energie und Material einsparen lassen. Innovative Anlagen­konzepte und Fertigungs­verfahren liefern leichte Bauteile für den nachhaltigen Luftverkehr der Zukunft.