Lasersinteranlagen, Lasersintern

Echter Wettbewerbsvorteil

Am 27. November ist es wieder soweit: Die Weltmesse für Werkzeug- und Formenbau, Design und Produktentwicklung - kurz Euromold - öffnet in Frankfurt am Main ihre Tore. Einmal mehr werden die additiven Schichtbauverfahren das Interesse vieler Besucher wecken. SCOPE-Redakteur Michael Stöcker stellt anhand verschiedener Anwendungsbeispiele die zwei wichtigsten Verfahren dieser technischen Disziplin vor.

Alle Jahre wieder bilden auch dieses Mal die additiven Schichtbauverfahren einen Schwerpunkt auf der Euromold. Neben vielen anderen Playern dieses international heiß umkämpften Marktes zeigen auch die beiden Platzhirsche der Branche in Halle 11 ihre Maschinen, Werkstoffe und Lösungen. Gemeint sind das US-amerikanische Unternehmen 3D Systems und der deutsche Hersteller Electro Optical Systems (EOS). Beide gehören zu den Pionieren der additiven – oder auch generativen – Schichtbau-Technologien. Beide haben diese Verfahren als Methoden des Rapid Prototyping etabliert. Beide treiben seit Jahren die Weiterentwicklung der Werkstoffe und Anlagen in Richtung Serienfertigung (Rapid-/ E-Manufacturing) voran. Und beide Firmen stehen für die zwei maßgeblichen Verfahrenstechniken: Stereolithographie (3D Systems) und Lasersintern (EOS). Da aber gerade der amerikanische Anlagenbauer sein Portfolio in den letzten Jahren erheblich erweitert hat, erscheint die Grenze zwischen den beiden „Lagern“ inzwischen eher verschwommen.

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Keineswegs verschwommen ist allerdings die Erfolgsspur der Schichtbauverfahren, zu denen über diese beiden Verfahren hinaus der 3D-Druck, das Laminated Object Modeling (LOM), das Fused Deposition Modeling (FDM) und weitere Nischenverfahren zählen. Wer dazu einen kompletten Überblick wünscht, dem sei der alljährlich erscheinende Report des Technologieexperten Terry Wohlers empfohlen. Das Werk gilt seit vielen Jahren als Bibel der Branche.

Weil aber SCOPE keine Bibel ist, wollen wir Ihnen hier – sozusagen als Euromold-Appetithappen – an einigen Praxisbeispielen darstellen, für welche Anwendungen die Lösungen beider Unternehmen derzeit genutzt werden. Ein Bereich, der bei den Schichtbauern sehr beliebt ist – gerade weil er die zwei strategisch wichtigen Anwendungsfelder (Modellbau, Serie) abdeckt – ist der Rennsport. Bei der Entwicklung und Realisierung von Fahrzeugen für die Hochschul-Rennserie Formula Student 2012 kam beispielsweise die Lasersinter-Technik von EOS zum Einsatz. Das Rennteam Stuttgart fertigte damit einen stabilen Leichtbau-Radträger aus Aluminium, während Global Formula Racing für sein Elektroauto ein modulares Batteriesystem aus Polyamid mit komplexer Formgebung herstellte.

Design-Spielräume genutzt
Die Konstruktion des Batteriebehälters konnte mit Hilfe des Lasersinterns erheblich optimiert werden. Salvatore Decker von Global Formula Racing berichtet: „Wir konnten das Volumen um die Hälfte, das Gewicht um 40 Prozent senken. Der Aufbau der Batterie erfolgt nun modular aus acht Batterie-Packs, was die Wartung des Batteriesystems vereinfacht. So konnten wir das Design an unsere Ansprüche anpassen. Zudem war es möglich, Kabelschächte und Kühlsystem in das Design zu integrieren. Darüber hinaus ist das Material feuerfest.“

Ähnliche Vorteile erzielt das Team der Uni Stuttgart bei der Realisierung des Radträgers. Das Gewicht konnte um 660 Gramm gesenkt, die Steifigkeit hingegen um 20 Prozent erhöht werden – das ist wichtig, da der Radträger als ungefederte Masse leicht sein muss. „Für uns war außerdem die kurze Entwicklungs- und Produktionszeit ein wichtiger Faktor. Die Konstruktionsräume, die das Laser-Sintern ermöglicht, haben dazu einen wichtigen Teil beigetragen“, sagt Yannick Löw vom Team Uni Stuttgart.

Nicht unerwähnt soll bleiben, dass die Verbesserung der Bauteileigenschaften des Radträgers auch durch eine speziell für die additive Fertigung entwickelte Software des Unternehmens Within – einem Partner von EOS – erreicht wurde. Damit können genau definierte Anforderungen (Festigkeit, Gewicht, Volumen etc.) erfüllt und das Bauteil im Laser-Sintern hergestellt werden.

Ein Produktbeispiel aus dem Sondermaschinenbau präsentierte EOS bereits vor einigen Wochen auf der Motek. Der Anlagenbauer zeigte am Stand des Unternehmens Kuhn-Stoff, wie sich durch das Lasersintern ein Greifer auf Kundenbedürfnisse zuschneiden lässt und wie sich dabei die Produktivität erhöhen und Kosten- und Materialeinsparungen erzielen lassen. Der Greifer ist mit seinen etwa 60 Gramm ein Leichtgewicht und wurde auf einem EOS-System (ohne Nachbearbeitung) aus Kunststoff gefertigt. Er hat in einem Dauerversuch fünf Millionen Testzyklen überstanden. Im praktischen Einsatz nimmt er ein 200 Gramm schweres Teil auf und kann durch die Leichtbauweise schnell beschleunigen, abbremsen und positionieren.

Der Sondermaschinenbau ist ideal für den Einsatz additiver Fertigungsverfahren. Denn rund zwanzig Prozent einer Sondermaschine sind Schnittstellen-Komponenten, die oft zeit- und kostenintensiv konstruiert werden müssen und sich selten mit Normteilen abdecken lassen. Sie müssen auf den Prozess des Kunden und die Sondermaschine angepasst werden; die Stückzahl ist meist klein. Wird laser-sintergerecht konstruiert und gefertigt, kann die Technologie ihre Stärken gegenüber konventionellen Prozessen in Konstruktion und Produktion ausspielen: Hohe Wirtschaftlichkeit bei kleinen Losgrößen. Nikolai Zaepernick, Business Development Manager bei EOS meint: „Im Sondermaschinenbau geht es um kosteneffiziente Komponenten bei kleinen Serien bis hin zu Losgröße eins. Hier sind innovative Produktionsprozesse und Prozesse gefragt. Das Laser-Sintern gibt hier Antworten. Unabhängig von den Einschränkungen der konventionellen Fertigung können 3D Daten mit diesem Verfahren direkt in Bauteile umgesetzt werden. Konventionelle Verfahren können ergänzt, in einigen Fällen eventuell sogar ersetzt werden.“

Die Lasersinter-Technik ist es auch, diesmal auf Anlagen von 3D Systems, die die Designer des hessischen Konsumgüter-Herstellers Koziol bei der Entwicklung neuer Produkte nutzen. Bis zu 30 Kunststoffprodukte bringt das Designer-Team des Unternehmens jährlich auf den Markt. Dabei kann die Zeitspanne von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt drei Monate betragen oder – bei kniffligeren Produkten – über ein Jahr. Genauso variabel sieht es bei den Prototypen-Iterationen aus. Manche Produkte kommen mit zwei Prototypen aus, bei anderen führt erst das volle Dutzend zum endgültigen Design.

Im Fall einer igelförmigen Käsereibe – entworfen vom Design-team Pink Eye in Antwerpen – wurde der Entwurf von Koziol-Designerin Sandra Weber aufgegriffen und an die Formsprache des Unternehmens angepasst. Im Anschluss an das sogenannte Designfreeze musste rasch ein Prototyp her. Herkömmliche Methoden wären bei diesem Design äußerst zeitraubend gewesen und auch das im Haus eingesetzte FDM-Verfahren schied angesichts der geometrischen Komplexität der Reibefläche aus. So entschied man sich für die Zusammenarbeit mit dem Team 3D Proparts von 3D Systems. Schnell stand fest, dass ein lasergesinterter Prototyp, gefertigt auf einer Anlage des Typs S Pro SLS die Anforderungen am besten erfüllt. Die Materialwahl fiel auf ein robustes Polyamid mit feiner Oberfläche und hoher Detailgenauigkeit. Nach zwei Tagen hielt Designerin Weber die neue Käsereibe in ihren Händen. „Besonders die feine Auflösung an unserem Prototypen hat mich beeindruckt. So waren wir in der Lage realitätsnahe Reibetests durchzuführen“, berichtet die Designerin.

In der Praxis konkurriert das Lasersintern häufig mit der Stereolithographie, die in Fachkreisen lange Zeit als Mutter aller Schichtbauverfahren gehandelt wurde. Ein keineswegs ganz alltägliches Anwendungsbeispiel für diese Technik ist ihr Einsatz zur Herstellung großer Urmodelle für den Turbinenbau bei Tushino Power Maschine Tools. Das Moskauer Unternehmen ist spezialisiert auf den Entwurf und die Fertigung von kleinen bis mittleren Wasserkraftwerken. Bei Tushino Power Machine Tools wird jede Turbine unter Berücksichtigung von Wasserdruck, Fallhöhe und Durchflussrate von einem Team aus Mathematikern konstruiert. Auf einer Anlage des Typs iPro SLA 9000 entstehen anschließend aus dem Kunststoff Accura 60 im Quick Cast-Baustil die Urmodelle für den Guss – zum Beispiel für eine Francis-Turbine mit 14 Schaufeln und 150 cm Durchmesser. Das Urmodell wiegt 70 kg, der Abguss hingegen bringt 1990 kg auf die Waage. Der Quick Cast-Baustil ist ein wabenähnliches Hohlbauverfahren. Der Vorteil: Im Ausbrennverfahren in der Gießerei wird die thermische Dehnung verhindert und mögliche Rückstände werden minimiert.

Die russischen Ingenieure betonen, dass die Fertigung der kundenspezifischen Turbinen mit konventionellen Techniken nahezu unmöglich wäre. Der Zeitaufwand und die Kosten beim Fräsen wären enorm. Erst durch die Fertigung der Urmodelle per Stereolithografie lassen sich die Turbinen wirtschaftlich fertigen. Farkhat Ashrapov, Generaldirektor von Tushino Power Machine Tools, sagt: „Auf unserem iPro 9000 SLA Center fertigen wir Quick Cast-Urmodelle und reduzieren so Zeit und Kosten der Turbinenfertigung für unsere kundenspezifischen Wasserkraftwerke. Durch die individuelle Auslegung der Turbinen erreicht Tushino Power Machine eine Effizienzsteigerung von 20 Prozent.“

Den gleichen Kunststoff und das gleiche Verfahren setzt die Darmstädter Firma Akasol Engineering – ein Unternehmen der Schulz Group – zur Strömungsoptimierung ein. Seit über 20 Jahren beschäftigt man sich hier mit dem Thema Elektrofahrzeuge. Die Entwickler einer neuartigen Lithium-Ionen-Batterie haben die Fertigung von großen Stückzahlen im Blick. Statt Hunderte von Zellen in einem Gesamtsystemgehäuse mechanisch, elektrisch und thermisch zu verbinden, entschieden sie sich für Module, die in wenigen Schritten zum System werden. Jedes Modul wird mit Flüssigkeit gekühlt. Das spart Volumen, galt aber bisher als aufwändig.

Das Ziel der richtigen Auslegung der Strömungsgeometrie ist es, einen hohen Wärmeübergang von Kühlstruktur zum Kühlmedium bei gleichzeitig geringem Druckabfall zu erreichen. Auf dem Weg dorthin hat Akasol viel eigenes Know-How in die Kühlgeometrie gesteckt und auch mit externen Strömungskoryphäen zusammengearbeitet. Nachdem man sich auf eine Geometrie festgelegt hatte, nahm das Team die Überprüfung des Strömungsverhaltens in Angriff. Am Ende aller Strömungssimulationen stand dabei das greifbare Modell. Als Partner für dessen Realisierung wählte man den 3D Proparts Teileservice von 3D Systems und das Stereolithografie-Verfahren mit dem Kunststoff Accura 60 (transparent). Den Entwicklern kam es darauf an, am Modell die Gleichmäßigkeit der Verteilung des Kühlmediums zu betrachten. Es zeigte sich, dass sich die berechneten Geometrien zu 90 Prozent bestätigen ließen. Die fehlenden 10 Prozent Optimierungsmöglichkeit waren mit Hilfe eines CAD-Programms rasch umgesetzt. Die Tests am zweiten Stereolithografie-Modell stellten das Team dann zufrieden. Auch für den nächsten Schritt, die Fertigung der Gehäusebauteile für die erste Prototypenserie (20 Stück), hat das Unternehmen auf ein Stereolithografie-Urmodell für den Vakuumguss zurückgegriffen. „Die 3D Proparts Spezialisten haben uns bei der Wahl des richtigen Werkstoffs und der effektivsten Technologie geholfen. So konnten wir schnell die Strömung überprüfen und optimieren“, so das Fazit von Felix von Borck, dem Geschäftsführer von Akasol.

Neben dem Lasersintern und der Stereolithografie werden auf der Euromold auch andere Schichtbau-Verfahren vertreten sein. Dabei sei hier vor allem auf eine sehr preiswerte Technik hingewiesen, die sich gerade bei der Erstellung von Konzeptmodellen in frühen Phasen einer Produktentwicklung wachsender Beliebtheit erfreut: Das 3D-Printing. Anlagenbauer 3D Systems hat hierzu seit einiger Zeit seine Projet-Drucker im Portfolio.

Druck in der dritten Dimension
Das in Kalifornien ansässige Unternehmen Medtronic fertigt damit nicht nur Konzeptmodelle, sondern auch Prototypen, Trainingshilfen und Verpackungen. Es gilt als Pionier des Diabetes-Managements und stellt Insulinpumpen und Glukose-Monitoringsysteme her. Als seine Entwickler vor zwei Jahren feststellten, dass sich im Medizintechnik-Markt der Aspekt Time-to-Market zum entscheidenden Erfolgsfaktor entwickelt, entschied es, die bisher extern bezogenen Prototypen selbst zu fertigen. Nach der Beurteilung der verfügbaren 3D Druck Technologien fiel die Wahl auf einen Projet HD 3000 Drucker. Er bot die beste Kombination aus Detailauflösung, Genauigkeit und Materialauswahl. Die Anlage ist fast rund um die Uhr im Einsatz. Das Team fand zudem heraus, dass die „Prints“ nicht nur als Konzeptmodelle und Prototypen dienen, sondern auch in Produktschulungen und bei der Gestaltung der Verpackung sowie direkt als Verpackungseinsätze eine gute Figur machen. „Für unsere Trainingsveranstaltungen drucken wir hochskalierte Querschnittsmodelle besonders kleiner Produktbestandteile, damit die Teilnehmer die Details erkennen können“, sagt Orian Price, Solid Works Super User bei Medtronic.

Inzwischen wurde ein zweiter Projet angeschafft. Das Team hat sogar ein Profit-Center angelegt, um anderen Abteilungen des Unternehmens Modelle anzubieten. „Unsere Projet 3D Drucker sind aus unserer Produktenwicklung nicht mehr wegzudenken. Eine virtuelle Simulation kann nicht die Aussagekraft eines greifbaren Modells erreichen. Im Bezug auf Time-to-Market haben wir jetzt einen echten Wettbewerbsvorteil“, meint Orian Price.

Michael Stöcker

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