Additive Fertigung – die Zukunft der Fertigungsverfahren?

Am 22. Oktober 2019 veröffentlicht von Jekaterina Stael von Holstein

Als Ingenieur oder Ingenieurin hat man Einblick in die verschiedensten Gebiete der Ingenieurwissenschaften. Angefangen bei Elektrotechnik über Thermodynamik bis zum Maschinenbau und Sprachen gibt es viele Sachgebiete. Nebenbei können Studierende auch als Hilfswissenschaftler im Rahmen einer Nebentätigkeit in die neuste Forschung der Institute reinschnuppern. So kann einerseits ein wenig Geld verdient werden und andererseits steigen die eigenen Weiterbildungsmöglichkeiten stark an.

Katja beim Clausthaler Zentrum für Materialtechnik

So war ich fast ein Jahr im Institut für Schweißtechnik und trennende Fertigungsverfahren der TU Clausthal als sogenannter “HiWi” beschäftigt. Die Aufgabengebiete waren sehr vielfältig, teils führte ich Versuche durch, teils betreute ich internationale Gruppen und so kam es auch dazu, dass ich eine ausführliche Literaturrecherche zum Thema additive Fertigung anfertigen sollte. Natürlich geht es bei so einer Aufgabe nicht nur darum irgendwelche Quellen herauszufinden, sondern zielgerichtet nach guten aktuellen Veröffentlichungen zu suchen. Aus diesem Grund muss man sich stark mit dem Thema auseinandersetzen und so erfuhr ich was lichtbogenbasierte additive Fertigung ausmacht. Auch bekam ich so einen Einblick in die Schweißrobotik und Forschung am CZM. Im Folgenden möchte ich kurz erklären was additive Fertigung ist und was sie ausmacht und einen kleinen Einblick in aktuelle Forschungsthemen geben. Dafür war ich extra meine Kollegen am Institut besuchen und schaute nochmal dem MAG-Schweißroboter bei der additiven Fertigung zu.

Was ist additive Fertigung?

Die Herstellung von gezielten geometrischen Formen und Maßen wird als Fertigung bezeichnet. Diese erreicht man mit der Anwendung der Fertigungsverfahren. Die bekanntesten Fertigungsverfahren sind Fräsen, Schmieden, Gießen und Schweißen. Es kann sich dabei um sogenannte Halbzeuge handeln wie Bleche oder sogar Barren, die umgeformt werden, oder Fertigprodukte, die weiterverarbeitet werden. Soweit so gut…doch warum ist „additive Fertigung“ etwas Besonderes?

Für den Begriff „additive Fertigung“ existieren verschiedene Synonyme wie „3D-Druck“, „additive Manufacturing“, „generative Fertigung“ oder „rapid prototyping“, doch vor allem das erste der vier Synonyme beschreibt anschaulich wofür additive Fertigung steht. Schichtweise wird das Material von unten nach oben aufgetragen und so können dreidimensionale Strukturen erzeugt werden. Für qualitativ hochwertige Erzeugnisse muss additive Fertigung computergesteuert erfolgen, um einerseits die Reproduktion des Erzeugnisses zu sichern und um andererseits zu verhindern, dass Fehler beim Auftragen des Materials entstehen.

Produkt einer additiven Fertigung

Anschauliche Beispiele für additive Fertigung in Anwendung ist zum einen der 3D-Drucker, welcher seit den 90er Jahren beliebige Kunststoffmodelle produzieren kann. So gibt es auch Prothesen für Mensch und Tier aus dem 3D-Drucker, die Lebensqualität und Mobilität verbessern können. Auch existieren bereits 3D gedruckte Häuser aus Zement. Zu den Materialien, die in der Industrie für den 3D-Druck gebraucht werden, gehören ebenfalls Kunstharze, Keramiken und Metalle. Vor allem der 3D-Druck von Metallen spielt eine große Rolle in der Industrie, da insbesondere mechanische Teile, ob in der Automobilindustrie oder im Maschinenbau, in kleinen Stückzahlen und als komplexe Modelle reproduziert werden können.

Additive Fertigung mit Lichtbogenverfahren – große Perspektiven, viel Forschungsarbeit

Beim metallischen 3D-Druck haben sich Laser-basierte Fertigungsstrategien durchgesetzt. In der aktuellen Entwicklungsphase, aber mit hohem Potential, ist außerdem die additive Fertigung in der Schweißtechnik, wie das Metall-Schutzgasschweißen und Wolframschutzgasschweißen, da diese besonders gut für Werkzeugbau und zum individuellen Einsatz in der Werkstatt geeignet sind. Die Begriffe „wire arc additive manufacturing“ oder kurz „WAAM“ sind am meisten im Gebrauch, wenn es um Lichtbogen basierte Verfahren im 3D-Druck geht. Die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber anderen Verfahren sind günstige Herstellungskosten, geringe Werkstoffverluste, hohe Konturgenauigkeit (insbesondere bei kleinen Bauteilen) und hohe Aufbauraten (also Zeiteinsparungen während der Fertigung). Vorstellbare Einsatzgebiete sind die Fertigung von großvolumigen Bauteilen und/oder von komplexen Bauteilen z.B. mit Wabenstrukturen, Reparaturen, individuelle Ersatz- oder Einzelteilfertigung, Fertigung von Halbzeugen und Prototypenfertigung. Da Hersteller immer gerne an Kosten sparen, könnten dank der additiven Fertigung, die Transport- und Lagerkosten verringert werden. Ziel ist es additive Fertigung mit Schweißrobotern in der Industrie zu Standardverfahren für kleine und große Serienfertigungen zu etablieren.

Katja schaut sich die additive Fertigung ganz genau an

Interessante Schwerpunkte der aktuellen Forschung sind die Erstellung von Bahnlinien bei computergesteuerten Systemen, Materialieneinsatz für verschiedene Anwendungen sowie Kombination von Materialien bei der additiven Fertigung zur Erzeugung gewünschter Materialeigenschaften, z.B. in der Daueranwendung oder mit einer geforderten Härte.

Mein Besuch im Clausthaler Zentrum Materialtechnik

Das Clausthaler Zentrum Materialtechnik, kurz CZM, ist ein Kompetenzzusammenschluss verschiedener Institute der TU Clausthal sowie der Universitäten Braunschweig und Hannover zur gemeinsamen Forschung der Materialtechnik. Einer der vielen Forschungsschwerpunkte liegt auch in der lichtbogenbasierten additiven Fertigung, in die ich ein wenig Einblick bekommen durfte.

Bevor das Schweißen überhaupt anfangen kann, muss das Modell des gewünschten Körpers mit Hilfe eines CAD (computer aided design)-Programms am Computer abgebildet werden. Danach wird die Bahn der Schichten bestimmt und mit entsprechenden Koordinaten programmiert. Erst jetzt kann der MAG-Schweißroboter mit Hilfe von ihm gegebenen Daten den Fertigungsprozess beginnen (MAG steht für Metallschutzgasschweißen mit aktiven, reaktionsfähigen Gasen). Die kreisförmige Bewegung des Roboterarms formt auf einem unbenutzten Stück Blech von unten nach oben die Form des Volumens nach. Dabei ist der Ablauf nicht durchgängig, denn beim Schweißen, insbesondere von kleinen Körpern, entsteht viel Wärme und das Werkstück muss zum gleichmäßigen Auftrag der Schmelze sowie zur Vermeidung von Wärmespannungen eine Abkühlzeit durchlaufen. Erst nach einer kleinen Pause wird am zuletzt angefahrenen Punkt weiter die vorgegebene Bahn entlang geschweißt. So können komplizierte Strukturen schnell und einfach gefertigt werden. Wenn der Körper fertig aufgebaut wurde und abgekühlt ist, kann dieser zum Nachbearbeiten weitergeleitet werden.

Für die Forschung werden verschiedene Materialien bei gleicher Struktur oder gleiche Materialien bei unterschiedlichen Konturen genommen und mit einander verglichen. Es wird ebenfalls auf die Einsparung der Zeit während der Fertigung eingegangen.

Mein Fazit zur additiven Fertigung

Die additive Fertigung bietet viele Vorteile gegenüber den üblichen Fertigungsverfahren. Da individuelle, komplexe Strukturen ohne Gussformen und ohne Formwerkzeug auf Abruf angefertigt werden können, gibt es großes Potential Kosten zu minimieren und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit zu steigern. Darüber hinaus können Ressourcen dank additiver Fertigung eingespart werden. Die Einsatzgebiete erstrecken sich von großer serieller Fertigung bei Konzernen bis hin zu kleinen Autowerkstätten. Der Ideenreichtum als auch die Einsparmöglichkeiten für die Wirtschaft und die Umwelt sind enorm. Und genau deswegen ist additive Fertigung das Fertigungsverfahren der Zukunft, auf dessen wachsenden Einsatz wir uns in den nächsten Jahren freuen können.


Quellen: Wesling 2015, Skript Fertigungstechnik, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld

Bergmann et al. 2018, Grundlegende wissenschaftliche Konzepterstellung zu bestehenden Herausforderungen und Perspektiven für die additive Fertigung mit Lichtbogen, Schweißen und Schneiden 70 (2018), Heft 5, S322-325, DVS Media

Persönliche Gespräche mit den Mitarbeitern des CZM, Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren, TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld

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