Rapid Manufacturing - auch mit SLM

Als eine der ersten Anwendungsfelder für RM im Bereich des Selective Laser Meltings kann die Herstellung von Werkzeugen für den Kunststoffspritzguss betrachtet werden. Obwohl die Werkzeuge als Einzelstücke oder in nur sehr geringer Stückzahl benötigt werden, liegt die Anwendung der Werkzeuge in der Serienproduktion von Kunststoffteilen und damit in der Endanwendung. Die dargelegten Vorteile von RM betreffend Geschäftsprozesse, Produktion und Entwicklung können in der Anwendung „Conformal Cooling“ optimal aufgezeigt werden [14]. Einerseits können aufgrund der optimierten Kühlkanalgeometrien der Werkzeuge Hot Spots weitgehend vermieden werden, was die Bauteilqualität insbesondere hinsichtlich Verzug stark verbessert. Daneben ermöglicht die raschere Werkzeugabkühlung eine Produktivitätssteigerung des Spritzgussprozesses von 20% bis 40%.

In den letzten Jahren geht der Trend für RM stark in Richtung Funktionsteile [3], deren generative Herstellung in Metall (SLM) jedoch aufgrund der prozesstechnischen Unterschiede wesentlich schwieriger ist als in Kunststoff (SLS). So sind Flächen und Kanten mit einem Winkel von weniger als rund 45° gegen die Baufläche hin abzustützen, um die Wärmeenergie aus der Metallschmelze ableiten zu können. Dies führt auch dazu, dass die Bauteile im Gegensatz zum SLS-Verfahren nicht gestapelt werden können, was sich negativ auf die Produktivität des Prozesses auswirkt.

Das SLM–Verfahren bietet jedoch ebenso zahlreiche Vorteile wie die Verarbeitung von Standardmaterialien mit weitgehend bekannten, sehr guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften [7]. Dieser Vorteil ist insbesondere für den Konstrukteur von entscheidender Bedeutung. Durch die Verarbeitung metallischer Pulvermaterialien wie Edel- und Arbeitsstahl, Aluminium, Titan oder auch nickelbasierte Materialien, eröffnen sich zudem ganz neue Anwendungsfelder für komplexe „customised products“ [11]: Instrumente und Implantate für die Medizinaltechnik, komplexe Leichtbaustrukturen z.B. für die Luft- und Raumfahrt, kleine und mittlere Serien von Bauteilen für die Maschinenindustrie u.v.m.

Abbildung 3: Komplexeste Strukturen sind in Metall nur im SLM Verfahren möglich

Abbildung 4: Beispiele von Prototypen für die Medizinaltechnik und die Maschinenindustrie

Neben all diesen Vorteilen muss jedoch das Augenmerk auch auf nach wie vor vorhandene Entwicklungs-Felder gelegt werden. So sind für den langfristigen Erfolg des SLM–Prozesses als Produktionsverfahren in der Industrie Fortschritte in folgenden Bereichen zwingend notwendig:

Gemäß einer Studie von Munguia [1] bevorzugen über 36% der befragten Firmen metallische Materialien für RM. Dies zeigt, dass die Materialvielfalt von entscheidender Bedeutung ist, weshalb neben den typischen SLM – Materialien wie Edelstahl 316L weitere Materialien für spezifische Anwendungsfelder notwendig sind. Dies beinhaltet weitere Stahlsorten, aber auch Titan, Aluminium und nickelbasierte Materialien.

Weitere Entwicklungen sind in der Prozesstechnik erforderlich, wo Themen wie optimierte Supportstrukturen resp. Verbesserungen hinsichtlich der Überhangproblematik und direktes Bauen ins lose Pulverbett notwendig sind. Zur Bearbeitung dieser Thematiken sind entsprechende Simulationen unabdingbar [8,9]. Zudem ist die Produktivität zukünftig nicht nur über die Vergrößerung des Baufeldes und höherer Laserleistungen resp. Scangeschwindigkeiten weiter zu steigern. Durch den Einsatz mehrerer Scanner könnte z.B. die Baufläche ebenfalls schneller abgescannt werden. Alle diese Maßnahmen würden dem übergeordneten Ziel der Steigerung der Produktivität und der Minimierung manueller Arbeitsschritte dienen. Nach Munguia [1] ist für 60% der befragten Unternehmen die Prozessgeschwindigkeit resp. Produktivität eines der zentralen Themen, deren Steigerung entsprechend größere Bauteile resp. einen höheren Ausstoß ermöglichen würde. Die mögliche Bauteilgröße ist entsprechend für 80% der Befragten einer der wesentlichen Entscheidungskriterien, die über den Einsatz generativer Verfahren entscheiden. Eine Steigerung der Produktivität könnte somit die Anwendungsfelder von SLM stark vergrößern.

Softwareseitig sind ebenfalls Verbesserungspotentiale erkennbar. Für 85% der befragten Unternehmen ist die Bauteilorientierung nach wie vor einer der kritischen Arbeitsschritte, die sowohl viel manuellen Aufwand als auch Erfahrung bedürfen. Damit verbunden ist die Generierung der Supportstrukturen, an welche ebenfalls die verschiedensten Anforderungen wie automatische Erstellung, prozesstechnische Funktionalität sowie einfache Entfernbarkeit gestellt werden. Arbeitsschritte, welche zukünftig weitestgehend vollautomatisiert erfolgen können müssen.

Mit Blick auf konventionelle Produktionsverfahren wie Dreh- und Fräsprozesse ist zudem ein großer Nachholbedarf im Bereich der Prozesssteuerungs- und -regelungstechnik zu identifizieren. Zwar existieren erste Modelle und Versuche für eine Prozessregelung [2]. Eine markttechnische Umsetzung ist aber derzeit ebenso wenig vorhanden wie eine integrale Regelung, welche z.B. auch die Bauteilabmessungen und
-qualitäten mit einbezieht.

Sehr wesentlich ist zudem die Tatsache, dass das SLM-Verfahren bislang noch kaum mit RM in Verbindung gebracht wird [1]. Hier ist das bereits länger bekannte SLS-Verfahren immer noch im Vorteil, obwohl das SLM-Verfahren für einen RM-Einsatz eigentlich prädestiniert ist. Es ist deshalb notwendig im jetzigen Stadium des Entwicklungsstandes erste RM-Anwendungen für SLM der Industrie beispielhaft aufzuzeigen sowie gezielte Ausbildung anzubieten.

Der Erfolg in der Industrie hängt jedoch wesentlich auch davon ab, dass die anwendende Industrie verlässliche Informationen über die Prozesse, Materialien, Möglichkeiten und Restriktionen erhalten kann. Zudem müssen diese Informationen einen gewissen allgemeingültigen Charakter haben, womit sich die Anlagenhersteller, Anwender etc. auf gemeinsame Standards einigen müssen.

Ende 2008 hat die Normierungsbehörde ASTM International die Initiative F42 „Additive Manufacturing“ gestartet. Diese Initiative [10] hat das Ziel, die generativen Verfahren auf eine Normenbasis zu stellen, wobei fünf Fachgruppen gebildet wurden: Test Methoden, Prozesse, Materialien, Design und Terminologie. Auf dieser Basis kann eine umfassende Norm entstehen, die für die generativen Fertigungsmethoden eine vergleichbar hohe Bedeutung haben wird wie vor über 100 Jahren für die konventionellen Methoden.

Dass RM mittels Selective Laser Melting kein bloßes Schlagwort ist, zeigen das Interesse der Industrie wie auch erste Kundenprojekte bei INSPIRE AG im institute for rapid product development - irpd.

Abbildung 5: Rapid Manufacturing - Kleinserie für die direkte Anwendung in der Endapplikation

Als Beispiel dafür soll ein Bauteil [3] herhalten, das in der Maschinenindustrie in einer größeren Serie von maximal 800 Stück pro Jahr Verwendung findet. Das konventionell hergestellte Stanz-Tiefzieh–Bauteil weist eine Größe von 11 x 2.8 x 1 mm auf. Die funktionsbedingt optimierte Geometrie lässt sich jedoch nicht ohne weiteres konventionell herstellen, weshalb das Bauteil mittels SLM hergestellt werden muss. Preislich liegt die generative Fertigung bereits ab 50 Stück bis zu 14% unterhalb des Preises für konventionelle, fräsende Fertigung.

Bei größeren Serien würden für die konventionelle Fertigung Werkzeuge erstellt, welche jedoch preislich mit mehreren tausend Euro im Sinne fixer Initialisierungskosten zu Buche schlagen. Aufgrund dessen, dass beim SLM keine Werkzeugkosten anfallen, lassen sich die Fixkosten des SLM–Prozesses auf die Bauteile verteilen, womit der Preis pro Bauteil stark bis in den Bereich von 10% bis 30% des Preises der konventionellen Einzelfertigung sinkt [12]. Schilling [13] hat ein grundsätzlich vergleichbares Kostenverhalten für Laser Sintern anderen konventionellen Verfahren wie Vakuumguss und Spritzguss gegenüber gestellt.

An einem Beispiel kann aufgezeigt werden, dass sich somit aus Kundensicht neben den technischen Vorteilen wie der Möglichkeit von Geometrieänderungen während der Produktionsphase, geringen Initialisierungskosten und optimierten Geometrien auch konkrete preisliche Vorteile bis zu einem Break Even Point ableiten lassen. Der Break Even im aktuellen Beispiel liegt bei rund 5000 Teilen, was einer Produktionsdauer von mindestens 6 Jahren entsprechen würde. Bei den immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen und der immer rascher voran schreitenden Entwicklung ein Zeitraum, der eine Investition in teure Werkzeuge betriebswirtschaftlich nicht mehr rechtfertigt, da diese kaum mehr sinnvoll amortisiert werden können.

Auch wenn dieses Beispiel anhand einer relativ kleinen Geometrie durchgeführt wurde, zeigen die Vorteile der generativen Fertigungstechnologien, dass ein Rapid Manufacturing mittelfristig in gewissen Fällen wesentliche betriebswirtschaftliche und technische Vorteile mit sich bringt. In den nächsten Jahren ist im Bereich der generativen Technologien und insbesondere im SLM mit einer Weiterentwicklung von Software, Prozessen und Materialien zu rechnen, die die Wirtschaftlichkeit, die Qualität und Reproduzierbarkeit der Verfahren wesentlich voran bringen wird. Dies wird, zusammen mit entsprechender Normierung der Verfahren (ASTM-Initiative F42) und Ausbildung in der Industrie, dazu beitragen, dass RM den Weg zu einem etablierten Produktionsverfahren finden wird. Der Blick zurück bestätigt diesen Trend: So ist die Anwendung von RM in zwischen 2004 und 2007 um mehr als das Doppelte gestiegen [11] und hat einen Gesamtanteil an rapid produzierten Bauteilen von gegen 17% erreicht.