Generative Fertigung - Vom Pulver zum Bauteil

© Fraunhofer IFAM
Design-Demonstrator für EBM aus Ti-6Al-4V (CAD-Vorlage: Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Fertigungstechnik)
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3D-Siebdruck-Struktur (Demonstrator)

Kundenindividuelle Produkte, steigende Variantenvielfalt, kürzere Innovationszyklen und der Spagat zwischen sowohl kleinen Losgrößen als auch der Umsetzung in eine Massenfertigung sind Herausforderungen, denen sich produzierende Unternehmen im heutigen Wettbewerb stellen müssen. Gleichzeitig spielt die effiziente Nutzung vorhandener Ressourcen in der Produktion in Zeiten zunehmender Ressourcenknappheit und damit zusätzlichen Kostendruckes eine entscheidende Rolle. Insbesondere Energie- und Materialeffizienz haben dabei eine sehr große Bedeutung. Eine viel versprechende Möglichkeit stellt die Herstellung mittels generativer Fertigung dar. Neben dem hohen Materialnutzungsgrad erlauben die generativen Verfahren durch die hohe Designfreiheit auch völlig neue Konstruktionen mit Leichtbaustrukturen oder integrierter Funktionalität (z.B. Strömungskanäle), die mit konventionellen Bearbeitungstechniken nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohen Kosten realisierbar wären. Außerdem können Zeit und Energie und Investitionskosten durch Vermeidung von Formen, Gesenken oder anderer Produktionshilfsmittel eingespart werden. Die Wirtschaftlichkeit der Produktion kann also durch die signifikante Senkung der Material- und Anlagenkosten, die Verringerung der Fertigungszeit sowie verbessertes Bauteildesign wesentlich verbessert werden. Damit können generative Fertigungsverfahren für formkomplexe Bauteile mit einem sehr hohen Potential für die signifikante Steigerung von Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Ressourceneffizienz im Vergleich zur derzeitigen Herstellung versehen sind.

Im Bereich metallischer Werkstoffe sind die pulverbasierten Verfahren am stärksten vertreten. Am Fraunhofer IFAM sind Anlagen zu einer Vielzahl an Technologien vorhanden: selektives Laserschmelzen SLM (Bremen), Metal Binder Jetting (Bremen), Selektives Elektronenstrahlschmelzen SEBM (Dresden), 3D-Siebdruck 3D-SD (Dresden), Fused Filament Fabrication FFF (Dresden), Gel Casting (IFAM) und bald auch MoldJet (Dresden). SEBM und 3D-Siebdruck sind mit Bezug auf die industrielle Produktionsreife zwar nicht so weit entwickelt wie SLM, jedoch ergeben sich damit sehr hohe Potentiale, weil sich sowohl SEBM (hohe Baurate, heißer Prozess) als auch 3D-SD (kleine Bauteile in sehr hohen Stückzahlen) vom SLM-Verfahren abgrenzen und damit eigenständige Anwendungsfelder generiert werden können, bei dem das SLM an seine Grenzen stößt. Des Weiteren kann der 3D-SD Stückzahlen generieren, die bisher nur dem metallischen Spritzguss (MIM) vorbehalten waren, wobei zusätzlich neue Geometrien erschlossen werden und die Vorteile von generativen Verfahren wie Formenvarianz und weitgehende Werkzeugfreiheit erhalten bleiben.

Chancen, Marktpotenzial, Perspektive

Generative Fertigungsverfahren haben das Potential in der Zukunft zu völlig neuartigen Fertigungsketten und Produkten zu führen. Für metallische Bauteile ermöglichen die pulverbasierten Verfahren außer der wesentlich größeren Designfreiheit auch die breiteste Werkstoffpalette. Neben der Anlagentechnik für die Technologien SLM, Metal Binder Jetting, SEBM, 3D-Siebdruck, FFF, Gel Casting und bald MoldJet verfügt das Fraunhofer IFAM über langjähriger Erfahrungen bei den relevanten Werkstoffgruppen und über umfassendes Know-How in der Pulvermetallurgie. Diese Kombination von Technologie- und Werkstoffkompetenz ist eine exzellente Grundlage für das Fraunhofer IFAM um essentielle Beiträge bei der Überführung der Verfahren in die industrielle Produktion zu leisten. Ein stark zunehmendes industrielles Interesse an diesen Verfahren wird in nahezu allen Technologiebereichen festgestellt, vor allem im Bereich Automobil, Industrieanlagen, Medizintechnik sowie Luft- und Raumfahrt.