Additive Fertigung
ergänzt die Metallbearbeitung

„Eine großflächige Verdrängung bestehender Bearbeitungsverfahren bleibt erst einmal aus“, sagt Myron Graw, Partner bei der KEX Knowledge Exchange AG in Aachen. Er ist verantwortlich für das Geschäftsfeld Additive Manufacturing (AM) und damit für die Untersuchung „Additive Manufacturing – Potenziale und Risiken aus dem Blickwinkel der deutschen Werkzeugmaschinenindustrie“, die der Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken (VDW) in Auftrag gegeben hat.

„Generative Verfahren oder Additive Manufacturing sind mit hohen Erwartungen verbunden“, weiß Dr. Wilfried Schäfer, Geschäftsführer beim VDW. „Insbesondere die Vision komplett neuer Wertschöpfungsketten bis hin zur individuellen Produktion von Teilen oder Ersatzteilen vor Ort stoßen auf großes Interesse“, erläutert er. Grund genug für den VDW, wissenschaftlich untersuchen zu lassen, was aus Sicht der Werkzeugmaschinenindustrie tatsächlich dahinter steckt.

KEX hat unter Beteiligung der Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie (IPT) und Lasertechnik (ILT) die Untersuchung mit Schwerpunkt auf der metallischen Fertigung in fünf Stufen durchgeführt:

• Marktanalyse für die Entwicklung additiver Verfahren
• Metaanalyse bereits bestehender Studien und Bestandsaufnahme der Situation bei Patentanmeldungen und in der Forschung anhand wissenschaftlicher Veröffentlichungen
• Bestandsaufnahme der verfügbaren additiven Verfahren für den Metallbereich
• Case Studies, die anhand ausgewählter Bauteile die Anforderungen und Möglichkeiten der additiven Fertigung untersuchen
• Prognose zur Entwicklung der Technologien in den kommenden fünf bis sieben Jahren

Kosten und Bearbeitungszeit

Hemmnisse für eine größere Marktdurchdringung bestehen in den Kosten und der Bearbeitungszeit. In der Kleinserienfertigung sowie der Fertigung von komplexen individualisierten und kleinen Bauteilen können Kostenvorteile additiver Verfahren in der werkzeuglosen Fertigung liegen. Ein besonderer Nutzen entsteht außerdem, wenn „Added Values“ (zusätzliche Werte) durch die additive Fertigung generiert werden wie Leichtbaustrukturen in der Flugzeugindustrie, interne Kühlkanäle oder Hinterschnitte. Damit können auch in der Mittel- und Großserienfertigung Kostennachteile aufgehoben werden.

Bei der Fertigung großer Bauteile haben additive Verfahren oft Kostennachteile. Sie resultieren aus den vergleichsweise geringen Aufbauraten. Daneben fallen die teuren Anlagen und die hohen Materialpreise für Metallpulver ins Gewicht. „Diese Kostentreiber werden sich in den kommenden Jahren durch technologische Entwicklungen und den Aufbau von Kapazitäten verändern“, räumt Graw ein. Dies werde die Verbreitung von AM beschleunigen.

Potenzial für Hybridmaschinen

Hybride Anlagen integrieren Funktionalität für additive Fertigung, zum Beispiel Laserauftragschweißen, in konventionelle Maschinenkonzepte wie Bearbeitungszentren. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, während des Aufbauprozesses immer wieder gezielte Bearbeitungsaufgaben durchzuführen. „Um die Möglichkeiten effizient nutzen zu können, müssen die Teile anders konstruiert werden. Dies gilt auch für die rein additiven Verfahren“, erläutert der KEX-Analyst. Außerdem müssen neue Ansätze in der Fertigungsplanung etabliert werden.

Daraus ergibt sich eine weitere Frage: die Integrationsfähigkeit von AM-Anlagen in das klassische Produktionsumfeld. Viele Arbeitsabläufe erfolgen noch manuell. Für die effiziente Nutzung von AM sind Fragen zur automatisierten Pulverzufuhr, zum Pulverhandling, der Pulverentfernung, Staubbelastung der Umgebung beim Auspacken der Teile oder zu automatisierten Prozessketten für die Entfernung von Stützstrukturen zu beantworten.

Weitere Defizite der additiven Fertigung sind die immer noch eingeschränkte Auswahl der Werkstoffe, die für additive Anlagen qualifiziert sind. Außerdem muss die Möglichkeit geschaffen werden, die Qualität additiv hergestellter Bauteile zerstörungsfrei zu prüfen. Da es sich bei den Teilen um Einzelstücke handelt, muss die fehlerfreie Reproduzierbarkeit erst noch nachgewiesen werden. „Wir stellen fest, dass sich Additive Manufacturing im Metallbereich als weitere Fertigungstechnologie in die bestehende Wertschöpfungskette der Metallbearbeitung integriert“, ergänzt VDW-Geschäftsführer Schäfer. AM werde somit ein weiterer Baustein neben CAD, Simulation, Nachbearbeitung, Fertigungsmesstechnik und Qualitätssicherung. Besonders wichtig wird sie auch für die Werkzeugmaschinenindustrie selbst, wenn Bauteile durch additive Verfahren mit Mehrwert ausgestattet werden.