Additive Fertigung ist an der Schwelle zur Industrialisierung

Vom traditionellen Forschungslabor in eine industrialisierte Produktionsfabrik

Die additive Fertigung wird oft als sogenannte „disruptive technology“ bezeichnet. „Disruption“, zu Deutsch „Störung“ oder „Unterbrechung“, mag wie ein negativer Begriff erscheinen. Disruptive Technologie meint jedoch konstruktive Änderungen im Zusammenhang mit Design und Fertigung, die eine neue Art Komponenten zu fertigen impliziert und ein bisher konventionell gefertigtes Produkt durch ein revolutionäres, verbessertes ersetzt.

Die additive Fertigung ist ein Teil der vierten industriellen Revolution, auch bekannt als „Industrie 4.0“. Konventionelle Fertigungstechnologien, wie Drehen und Fräsen, werden durch neue Technologien wie der additiven Fertigung ergänzt. Reichten bislang Effizienz und Qualität, variiert die Nachfrage an individualisierte, komplexe Komponenten in Serienproduktion so stark, dass kürzere Produktzyklen und schnellere Markteinführungen notwendig werden. Somit kommen Individualisierung und Agilität als neue Kundenanforderungen hinzu. Die additive Fertigung bietet die Möglichkeit, diese zu adressieren. Sie ermöglicht es, auf Marktänderungen, Nachfrage, Individualisierung, komplexe Designs und kurzfristigen Bedarf binnen kürzester Zeit zu reagieren. So revolutioniert die additive Fertigung die Entwicklung von Komponenten in verschiedenen Branchen, unter anderem in der Automobil- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie, der Medizin und auch in der Stromerzeugung, allem voran für Gasturbinen. Sie ermöglicht das Herstellen geometrisch komplexer Komponenten in Serie sowie Einzelfertigung „on-demand“.

Wettbewerbsdruck löst Welpenschutz ab

Mit steigendem Wettbewerbsdruck verblasst der anfängliche Welpenschutz an der Faszination „additive Fertigung“. Die additive Fertigung ist inzwischen zu einer etablierten Fertigungstechnologie herangewachsen, für deren Industrialisierung es einer Schnittstellenbetrachtung zwischen Entwicklung, Produktion und Qualität bedarf. Die Fertigung serienreifer Komponenten und Reparatur von Bauteilen stellen Anforderungen, die zum Teil lange Forschungs- und Entwicklungszyklen bedürfen. Vom groben Erstkonzept bis zur Implementierung beziehungsweise der Reparatur einer Komponente mittels 3D‑Druck müssen die strategischen Vorgaben sowie Ziele hinsichtlich Kosten, Termin und Qualität berücksichtigt werden – eine oft sehr komplexe Herausforderung.

Gasturbinenschaufeln müssen extremen Bedingungen standhalten. In einer Gasturbine herrschen hoher Druck, enorme Fliehkräfte und hohe Temperaturen. Additive Fertigung revolutionierte die Art und Weise der Entwicklung und Fertigung dieser Komponenten.

Die additive Fertigungstechnologie für Metall hat Siemens in eigenen Anwendungen in seinem Kraftwerksgeschäft validiert. Siemens hat mittels additiver Fertigung Komponenten für den Heißgaspfad für seine Gasturbinen hergestellt und bis heute mehr als 110.000 Stunden Betriebserfahrung mit 3D‑gedruckten Teilen in Kraftwerken, die sich im kommerziellen Betrieb befinden, gesammelt. Die serielle Einsatzreife des Verfahrens hat Siemens bereits 2016 und 2017 bewiesen. Seit 2016 werden Brennerköpfe für die SGT‑1000F Gasturbine in Serie im 3D‑Druck gefertigt und im kommerziellen Betrieb genutzt. 2017 wurde die erste additiv gefertigte Gasturbinenschaufel, ausgelegt für Temperaturen von über 1.250°C bei 13.000 Umdrehungen pro Minute, erfolgreich validiert. Dieser Anwendungsfall wurde von der „3Dprinting‑industry“ als „3D‑Druck‑Anwendung des Jahres“ ausgezeichnet. Um solche Komponenten für Gasturbinen zu fertigen, müssen höchste Anforderungen an Material und Technologie erfüllt werden.

3D-gedruckte Komponenten in Serienfertigung

Die bislang gewonnenen Erkenntnisse und Erfolge führen in der heutigen Wettbewerbswelt zu Innovationen, an die vor einigen Jahren noch nicht zu denken war. Ein Großteil dieser Möglichkeiten sind mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar, weil diese nicht mit konventionellen Fertigungstechniken abgebildet werden können. Additive Fertigung unterstützt auch die neuesten Gasturbinen der HL‑Klasse von Siemens mit 3D‑gedruckten Verbrennungskomponenten in der Serienproduktion, um die Emissionsreduzierung und Effizienzsteigerung der Gasturbinen voranzutreiben.

Vor ein paar Jahren steckten die Verfahren der additiven Fertigung laut der von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH durchgeführten Studie, „Additive Fertigungsverfahren/3D‑Druck – Anwendungen und Potenziale“, aus Industriesicht noch in den „Kinderschuhen“. Trotz der mittlerweile erfolgreichen Anwendungen bestehen weiterhin technische Herausforderungen, denn der Markt und die Technologie sind so schnelllebig, dass die Anforderungen stetig steigen. Zudem ist der Prozess der additiven Fertigung von Metallteilen sehr herausfordernd und sensibel. Mehr als 150 prozessspezifische Einflussfaktoren, die Materialbeschaffenheit, komplexe Designdaten und notwendige Vor- und Nachbearbeitungsschritte fordern die Experten auf dem Weg zur industrialisierten Fertigung.

Siemens bietet 3D-Druck-Expertise als Dienstleistung an

In der Industrie zeichnet sich ein Trend ab, neben der Anwendung der additiven Fertigungstechnologie für die eigene Produktion, die Kapazitäten und Möglichkeiten zusätzlich als Dienstleister anzubieten. Die Entwicklung und die Anwendung der additiven Fertigungstechnologie im eigenen Hause führen zu einem enormen Erfahrungsaufbau. So stellt Siemens seinen Kunden ein umfassendes Portfolio von der Design- und Engineering-Software über Simulationswerkzeuge sowie der Material- und Prozessexpertise bis hin zu der Fertigung, Vor- und Nachbearbeitung sowie Qualifizierung und Zertifizierung zur Verfügung.

3D‑gedruckte Gasturbinenschaufeln für hocheffizienten Kraftwerksbetrieb. Additive Fertigung revolutionierte die Art und Weise der Entwicklung und Fertigung dieser Komponenten, die den extremen Bedingungen in einer Gasturbine stand halten müssen.

Im Jahr 2016 erwarb Siemens die Mehrheit (85 Prozent) an der 2006 gegründeten Materials Solutions Ltd. Die Firma hat umfassende Erfahrung, Kunden in anspruchsvollen Industrien von der Luft- und Raumfahrt- über die Automobil- und Motorsport-Industrie bis zur Werkzeug- und Prozessindustrie zu unterstützen. Das Unternehmen hat bereits tausende Kundenkomponenten und Ersatzteile mittels Reverse Engineering für über 80 Kunden weltweit additiv gefertigt. Mit der jüngsten Eröffnung der neuen hochmodernen Produktionsstätte im Dezember 2018 bringt Siemens die Industrialisierung der additiven Fertigung voran. Die Investition von 30 Millionen Euro in die neue Fabrik ermöglicht das Wachstum des Geschäfts, indem die Kapazität der 3D‑Drucker auf 50 verdoppelt wird. Gleichzeitig wird die Nachbearbeitungskette erweitert und komplettiert. Siemens überführt die additive Fertigung aus dem traditionellen Forschungslabor in eine industrialisierte Produktionsfabrik. Durch den Einsatz industrieller Methoden kann Siemens die Produktion steigern.

Die Investition von 30 Millionen Euro von Siemens in die neue hochmoderne 3D‑Druck-Fabrik von Materials Solutions Ltd. in Großbritannien ermöglicht das Wachstum des Geschäfts, indem die Kapazität der 3D‑Drucker auf 50 verdoppelt wird. Die neue Fabrik verfolgt einen industriellen Ansatz, indem sie vielfältige Maschinen in einer Produktionshalle unterbringt.

Kooperationen und Kunden, sei es aus der Forschung oder der Industrie, liefern einen unschätzbaren Wissensaustausch, der für beide Seiten gewinnbringend ist und die Technologie der additiven Fertigung schnell vorantreibt. Strategische Partnerschaften, die deutlich über die traditionelle Beziehung zwischen Hersteller und Kunde hinausgehen, sind letztlich der Schlüssel zum Erfolg, wenn es darum geht, die Entwicklung voranzutreiben und konkurrenzfähig zu bleiben. Der Markt wird größer, die Nachfrage steigt und die Kosten sinken. Die Druckanlagen und der Prozess könnten schon sehr bald deutlich wirtschaftlicher und produktiver sein. Entscheidend für die Entwicklung der Technologie wird es sein, die Potenziale sowie bestehende und antizipierte Herausforderungen stets im Blick zu behalten und die additive Fertigung entsprechend zu adaptieren.

Die noch zu füllenden Wissens- und Entwicklungslücken dürfen nicht außer Acht gelassen werden. Siemens hat einen großen Schritt zur Industrialisierung der additiven Fertigung getan und kooperiert mit seinen Kunden, Maschinenherstellern und Universitäten, die Möglichkeiten dieser „disruptiven Technologie“ für komplexe Anforderungen diverser Industrien weiter auszubauen.


Autorin

Lena Farahbod-Sternahl, Entwicklungsingenieurin Additive Fertigung, Siemens AG, Power and Gas, Berlin

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