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Siemens Ersatzteile kommen aus dem "3D-Drucker"

Autor / Redakteur: Nils Ehrenberg / Sariana Kunze

Sogenannte 3D-Drucker, die dreidimensionale Objekte aus Kunststoff herstellen, gibt es seit den 80er-Jahren. Doch die Technologie hat sich seitdem erheblich weiterentwickelt. Heute werden bei Siemens mit Lasern bereits Maschinenteile aus Metallen wie Aluminium, Edelstahl und Titan durch Additive Manufacturing Schicht für Schicht "gedruckt".

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3D-Druck: Funkenschlagend schmilzt der Laser das neue Bauteil aus dem Metallpulver. Gesteuert wird er von einem Computerprogramm.
3D-Druck: Funkenschlagend schmilzt der Laser das neue Bauteil aus dem Metallpulver. Gesteuert wird er von einem Computerprogramm.
(Siemens)

Auf den ersten Blick wirkt die Maschine wie ein übergroßer Kühlschrank mit Sichtfenster. Doch kalt geht es darin ganz und gar nicht zu. Hinter dem Fenster liegt ein Formbett. Darin: ein feines, glatt ausgestrichenes, graues Pulver, aus dem Funken schießen wie bei einer Wunderkerze. Ein sechseckiges Lichtmuster bewegt sich über die Fläche. Nach längerem Hinsehen lässt sich eine regelmäßige Struktur erahnen, die anscheinend von einem unsichtbaren Stift in das graue Pulver geschrieben wird.

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„Unser ‚Stift’ ist ein Laserstrahl. Im oberen Teil der Prozesskammer wird er über einen Ablenkspiegel senkrecht nach unten auf das Pulverbett geleitet“, erklärt Dr. Olaf Rehme von Siemens Corporate Technology (CT) in Berlin. „Dort wo der Laser auftrifft, bringt er das Edelstahlpulver auf Schmelztemperatur, auf mehr als 1.500 Grad Celsius. Die feinen Partikel werden dadurch fest miteinander verschmolzen.“ Die Auslenkung des Lasers – also seine Schreibbewegung – steuert ein Computer, der die elektronische Blaupause für ein komplexes Werkstück aus Edelstahl liefert. Hat der Laser das regelmäßige Muster einmal komplett nachgezeichnet, senkt sich die Pulverplattform kaum merklich ab. Ein Schieber streicht eine neue, etwa 50 Mikrometer dicke Pulverschicht aus und der feurige Stift kommt erneut zum Einsatz. „Schicht für Schicht entsteht so eine dreidimensionale Struktur aus Edelstahl“, sagt Rehme.

Vom 3D-Druck zu Additive Manufacturing

Das Gerät steht in einem der zahlreichen Labore in der Siemensstadt in Berlin-Spandau. Kunden und Kooperationspartner von Siemens lassen hier in Langzeitstudien testen, welche ihrer Produkte und Produktbestandteile sich durch Laserschmelzen (Laser Melting) herstellen lassen. „Häufig wird der Begriff ‚3D-Printing’ synonym für alle derartigen Verfahren verwendet“, sagt Dr. Ursus Krüger, der Leiter der Forschergruppe. „In Fachkreisen wird aber allgemein von Additive Manufacturing gesprochen. Mit den sogenannten 3D-Druckern haben diese Verfahren nicht mehr viel gemein.“

Erste 3D-Drucker wurden bereits in den 1980er-Jahren entwickelt. Dabei wurden vor allem schnell aushärtende Kunststoffe verwendet, die Schicht für Schicht aufgespritzt schließlich ein dreidimensionales Objekt ergeben. Anwendung fanden solche Geräte vor allem im „Rapid Prototyping“, mit dem schnell und kostengünstig Prototypen und Designstudien hergestellt werden konnten. „Heute gibt es solche Kunststoff-Drucker bereits zu erschwinglichen Preisen ab 1000 Euro für den Hausgebrauch“, erklärt Krüger. „Bei Modellbauern und Hobbybastlern sind diese Geräte besonders beliebt.“

Und selbst 30 Jahre nach ihrer Erfindung sind 3D-Drucker noch gut für Schlagzeilen. Immer wieder wird in den Medien von Beispielen berichtet, die oft nur zu Demonstrationszwecken oder als PR-Aktion gedacht sind. So „druckten“ britische Ingenieure des EADS-Konzerns im Jahr 2011 ein komplettes Fahrrad aus Nylonpulver. Einige wenige Einzelteile aus dem Drucker wurden zusammengesetzt und mit Kette und Reifen versehen – das „Print-Bike“ ist stabil und leicht, fährt sich allerdings etwas wacklig.

Zur Industriereife gemausert

Auch für Keramik geeignet. Doch selbst abseits solch spektakulärer Beispiele ist klar: Die Technologie hat sich längst von ihren Prototyping-Wurzeln emanzipiert. Heute können laserbasierte Verfahren wie das Laserschmelzen nicht nur Kunststoffe, sondern auch Keramiken und zahlreiche Metalle wie Edelstahl, Aluminium und Titan verarbeiten. „Damit ist die Technik in einem für industrielle Anwendungen interessanten Bereich angekommen“, sagt Krüger. Nur kann man hierbei nicht mehr von Drucken sprechen, denn fast alle diese Verfahren verfestigen oder verschmelzen eine flüssige oder pulverförmige Matrix an spezifischen Stellen und lassen so ein Objekt entstehen.

Einige Firmen haben sich bereits auf die Herstellung von Hüftgelenken, Hörgeräten, Ersatzteilen für Autos oder Zahnersatz spezialisiert. So bietet die Bremer BEGO Medical GmbH die Produktion von Metallgerüsten für Kronen und Brücken mittels Additive Manufacturing an. Und auch in der Formel 1 und in der Luftfahrtbranche werden auf diese Weise bereits Bauteile hergestellt. Beim Vertrieb der dafür nötigen Anlagen sind deutsche Unternehmen wie EOS oder Concept Laser weltweit führend. „Doch die Konkurrenz schläft nicht“, weiß Krüger. „So hat US-Präsident Obama im Sommer 2012 die Gründung eines eigenen Forschungsinstituts angekündigt, das speziell im Bereich Additive Manufacturing Innovationen entwickeln soll.“ Bei dem geplanten National Network for Manufacturing Innovation – kurz NNMI – sollen neben staatlichen Behörden wie NASA, National Science Foundation und dem Verteidigungsministerium auch Universitäten und Konzerne wie Boeing und IBM beteiligt werden. Vorrangiges Ziel ist es, Boden gegenüber der heutigen Konkurrenz aus Europa und der von morgen – aus China, Japan und Korea – gut zu machen.

Additive Manufacturing löst Handarbeit ab

Doch lohnen sich diese Investitionen überhaupt? Bahnt sich tatsächlich eine revolutionäre Zukunft an, in der jedes kleine Unternehmen jedes nur erdenkliche Teil selbst herstellen kann? „Für einen allzu weiten Blick in die Kristallkugel ist es noch zu früh“, glaubt Krüger. „Doch die Vorteile liegen schon heute klar auf der Hand. Mittels Additive Manufacturing lassen sich in einem Prozessschritt direkt aus dem Computer höchst komplexe Werkstücke mit Hohlräumen und filigranen Verstrebungen im Inneren herstellen, die sonst nur in Handarbeit oder in mehreren Einzelteilen gefertigt werden können.“

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Allerdings sind auch die Schwächen von Technologien wie dem Laserschmelzen offensichtlich. „Dabei entsteht das Werkstück aus einer Schüttung feinster Partikel, wodurch es letztlich eine verfahrenstypische Struktur und Oberfläche erhält. Gerade im Maschinenbau, wo bestimmte Bauteile höchsten physikalischen Beanspruchungen standhalten müssen, sind traditionell gefertigte Schmiedekomponenten bezüglich ihrer Robustheit noch im Vorteil“, sagt Krüger. Darüber hinaus ist eine Herstellung mittels Laserschmelzen sehr langwierig – bei großen Werkstücken sind zum Teil mehr als hundert Produktionsstunden nötig. „Die Gesamtdurchlaufzeit eines Werkstücks lässt sich aber durch das Laserschmelzen deutlich reduzieren“, ergänzt Krüger. „Denn im Gegensatz zu herkömmlich produzierten Teilen, die oft noch mehrfach nachbearbeitet werden müssen, werden die Werkstücke in der Prozesskammer gefertigt.“ Lediglich die Oberflächenqualität muss unter Umständen zum Beispiel durch Polieren verbessert werden.

Metallteile direkt aus dem Rechner umsetzen

„Die Stärken der Technologie liegen bei komplexen Einzelstücken oder Teilen, die nur in geringer Stückzahl gebraucht werden“, sagt der Werkstoffspezialist. „Ein klassisches Beispiel aus unserer Produktentwicklung ist ein neues Leitsystem, das sogenannte Transition Duct, für Gasströme bei Gasturbinen“, sagt Martin Schäfer, der sich bei Siemens CT bereits seit Ende der 90er-Jahre mit dieser Technologie beschäftigt. „Das dünnwandige, gekrümmte Bauteil mit sehr kleinen Kanälen kann nur äußerst schwierig mit konventionellen Technologien, wie Gießen und Fräsen, hergestellt werden. Direkt aus dem Rechner lassen sich mit der neuen Technologie die Metallteile innerhalb von wenigen Tagen statt Wochen herstellen“, sagt der Ingenieur.

Das Beispiel zeigt, wie mittels Additive Manufacturing Produktionszeiten reduziert und neue Konstruktionskonzepte einfach umgesetzt werden können. „Die hier erschmolzenen Bauteile haben übrigens alle Tests überstanden. Jetzt heißt es, die Technologie fit zu machen für den Sprung in die Produktion“, erläutert Schäfer. Dazu laufen diverse Projekte mit den Geschäftsbereichen von Siemens und externe Kooperationen wie die Beteiligung am DMRC (Direct Manufacturing Research Center) in Paderborn, bei dem CT für Siemens Energy mit der Firma Boeing sowie wichtigen Technologietreibern wie EOS, SLM Solutions und Stratasys an der Weiterentwicklung der Prozesse und Materialien forscht. „Die Ingenieure müssen völlig umdenken“, sagt Ursus Krüger. „Durch Additive Manufacturing sind alle nur denkbaren Formen im Prinzip in nur einem Arbeitsschritt herstellbar. Künftig wird also nicht mehr die fräsende oder stanzende Maschine die Grenzen der möglichen Formen bestimmen, sondern allein das im Computer entstehende, physikalisch machbare Design.“

Nichts desto trotz gibt es physikalische Grenzen

Größere Geräte und mehrere Laser. Doch wie weit kann es die Technologie tatsächlich schaffen? „Bezüglich der Laser und vor allem der nötigen Abkühlzeiten gibt es physikalische Grenzen. Dennoch arbeiten wir daran, uns dem maximal Machbaren möglichst weit anzunähern“, sagt Ursus Krüger. „Die Geräte werden in Zukunft noch größer werden und mehrere Laser gleichzeitig einsetzen können. Das wird den ganzen Vorgang deutlich beschleunigen, so dass sich auch die Produktion sehr großer Teile lohnen kann.

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Die besten Anwendungschancen des Additive Manufacturing sieht Krüger vor allem im Servicebereich. Bei großen Industrieanlagen kostet jede Minute Ausfallzeit viel Geld. Geht also etwas kaputt, müssen die nötigen Ersatzteile so schnell wie möglich zum Einsatzort transportiert werden. „Stellen Sie sich vor, ein Kunde von Gasturbinen müsste einfach nur beim nächstgelegenen lokalen Siemens-Service ein Ersatzteil bestellen. Der lokale Dienstleister bräuchte nur das Datenpaket abzurufen und würde das Teil vor Ort in einer eigenen Laser-Anlage herstellen“, sagt Krüger. „Keine Transportkosten für Ersatzteile aus einer weit entfernten Zentrale. Minimale Ausfallzeit während der Produktion des Teils. Keine umfangreiche Lagerhaltung von Ersatzteilen beim lokalen Service, weil nur die digitalen Blaupausen gespeichert werden müssen. Auf diese Weise könnte Siemens über seine lokalen Service-Stellen einen weltweiten Kundenkreis kostengünstig und umweltschonend mit Ersatzteilen versorgen.“

Ersatzteile on demand produzieren

Ersatzteile beliebiger Größe „on demand“ und weltweit abrufbar, ohne dafür eine eigene Produktionsstraße einrichten zu müssen – nur eine Laserschmelzanlage, bedient von ein bis zwei Technikern. Regelmäßige Service-Updates mit neuen Blaupausen für beliebig viele Teile, per E-Mail aus der Zentrale. Das klingt noch nach Zukunftsmusik. Doch sobald die Geräte die nötige Größe und Schnelligkeit erreicht haben, drängen sich solche Anwendungsbeispiele förmlich auf. Und die globalen Anstrengungen – ob bei Unternehmen wie Siemens und Boeing, Geräteherstellern wie EOS oder neu entstehenden Forschungsnetzwerken wie dem NNMI – lassen auf eine rasche Entwicklung hoffen.

Doch bei aller Euphorie tun sich auch neue Herausforderungen auf. „Gerade der Datenschutz wird in den kommenden Jahrzehnten im Bereich des Additive Manufacturing einen großen Stellenwert bekommen“, glaubt Ursus Krüger. „Die firmeneigenen Datenpakete – elektronische Blaupausen – müssen vor Raubkopierern geschützt werden.“ Denn wenn jedes erdenkliche Bauteil von jeder ausreichend großen Anlage hergestellt werden kann, braucht ein professioneller Fälscher nur noch eines: die Daten.

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