Scheibchenweise zu neuen Produkten

Knochen, Motoren oder Schuhsohlen aus dem Drucker: Wie generative Fertigung unsere Produktionswelt verändert.

Generative Fertigung

Mittels generativer Verfahren, scheint das Reich der Fantasie die Produktionswelt zu erobern. Was davon ist Realität – in den industriellen Anwendungen und in den Fraunhofer-Labors? Was der Endverbraucher 3D-Druck nennt, findet heute selten in seinem Arbeitszimmer statt, sondern vielfach bereits in der industriellen Produktentwicklung und mündet in Endprodukte im Maschinenbau sowie in Luftfahrt und Medizintechnik.

Eine verlockende Vorstellung: Statt sich lange zu ärgern, weil der Lampenhalter des Fahrrads bei einem Sturz zu Bruch gegangen ist, lädt man sich die Daten für einen neuen Halter einfach beim Hersteller herunter und schickt sie an den 3D-Drucker im Arbeitszimmer. Kurze Zeit später montiert man das selbstgefertigte Ersatzteil, und schon ist das Rad wieder verkehrssicher. Solche Szenarien werden zwar vielfach in den Medien beschrieben, aber bisher nur von wenigen Endverbrauchern genutzt. Im industriellen Umfeld hingegen fassen die 3D-Druckverfahren nach und nach Fuß.

Das Marktvolumen steigt

»Das weltweite Marktvolumen von Maschinen, Produkten und Dienstleistungen für generative Fertigung wird – konservativ geschätzt – 2015 bei knapp drei Milliarden Euro liegen und 2019 bei rund fünf Milliarden Euro«, prognostiziert Dr. Bernhard Müller, Sprecher der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung und Gruppenleiter für generative Verfahren am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Seit 2008 bündelt die Fraunhofer-Allianz die Aktivitäten der Fraunhofer-Institute. »Aufgrund der hohen Medienpräsenz gehen bei uns immer mehr Kundenanfragen ein. Viele befürchten, eine wichtige Entwicklung zu verpassen, wenn sie sich nicht rechtzeitig damit befassen«, berichtet Müller.

Auch die Expertenkommission Forschung und Innovation (EFI) der deutschen Bundesregierung prognostiziert eine steigende Bedeutung des 3D-Drucks. Sie hat der neuartigen Fertigungsmethode ein eigenes Kapitel in ihrem Jahresgutachten 2015 gewidmet.

»Fraunhofer, ein hervorragender Partner«

Ein von der Allianz gemeinsam gewonnener Industriepartner ist der Landmaschinenhersteller John Deere, der vor allem bei Werkzeugen, Bauteilen mit Funktionsintegration und Ersatzteilen großes Zukunftspotenzial im Bereich der generativen Fertigung sieht. »Fraunhofer arbeitet neutral zwischen Hochschule und Industrie und ist somit ein hervorragender Partner für uns in dieser Entwicklung«, kommentiert Steffen Fischer, Manager Manufacturing Innovation bei John Deere. Das Unternehmen verspricht sich Unterstützung im Bereich Design, aber auch im Rahmen von Fallstudien oder bei der Bewertung von Werkstoffen.

3D Revolution

The New Flexibility of Production

Tintenfisch als Schlüssel
© Foto Fraunhofer IGD

Tintenfisch als Schlüssel

Forscher am Fraunhofer IGD haben die Software "Cuttlefish" (zu deutsch: Tintenfisch) entwickelt, um Druckergebnisse der 3D-Drucker zu verbessern.

Angetrieben wie der Oktopus
© Foto Fraunhofer IPA

Angetrieben wie der Oktopus

Beim Bau eines lautlosen Antriebssystems für Boote und Wassersportgeräte diente der Oktopus Forschern als Vorbild. Der Antrieb stammt aus dem Drucker.

Komplexe Keramik
© Foto Fraunhofer IKTS

Komplexe Keramik

Durch Additive Fertigungsverfahren werden Bauteilgeometrien möglich, die zuvor nicht realisierbar waren. Zudem werden Ressourcen geschont.

Paßgenaue Schuhsohle mit dem Laser sintern

Laufschuh aus Polyurethan
© Foto Fraunhofer UMSICHT

Die Außensohle des Laufschuhs ist aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) gesintert und extrem abriebfest.

Ein aktuelles Beispiel aus den Aktivitäten der Allianz sind Kunststoff-Schuhsohlen. »Profifußballer erhalten maßgefertigte Schuhe, bei denen auch die Sohlen der individuellen Fußform angepasst werden«, erklärt Dr. Jan Blömer, Gruppenleiter generative Fertigung am Fraunhofer UMSICHT. Blömer entwickelt feinkörnige Kunststoffpulver für das selektive Lasersintern, ein mittlerweile weit verbreitetes generatives Verfahren. »Damit können wir innerhalb weniger Stunden flexible, hoch belastbare Bauteile herstellen.«

Die Produktion der Schuhsohle funktioniert in etwa so: Zuerst wird die Sohle vom Computer in 1/10-Millimeter dünne Schichten zerlegt. In der Anlage streicht ein Schieber eine ebenso dünne Pulverschicht auf eine Plattform, das sogenannte Pulverbett. Entsprechend den Computerdaten erhitzt ein Laser punktuell das Pulver über die Schmelztemperatur – dort, wo innerhalb der Schicht das Bauteil entstehen soll. An den nicht erhitzten Stellen bleibt das Pulver lose als Stützmaterial liegen. Danach senkt sich die Plattform um eine Schichtstärke nach unten, die nächste Schicht Pulver wird aufgetragen, wieder selektiv aufgeschmolzen und so fort. Kooperationspartner war in diesem Fall die Bayer AG, die das thermoplastische Polyurethan (TPU) für die Schuhsohle herstellt. »Wir erhielten die Anfrage, ob sich TPU auch lasersintern ließe«, berichtet Blömer. »Bayer liefert das Material an verschiedene Schuhhersteller, die in Zukunft ihre Prototypen über 3D-Druck fertigen möchten.«

Generative Verfahren in der Medizin

Die Kombination aus 3D-Scanner, CAD-Technologie und generativen Fertigungsverfahren bildet einen neuen, von der Natur inspirierten, digitalen Arbeitsprozess für neue, zukunftsweisende Produkte.

Vor allem im medizinischen Bereich werden viele individuelle Lösungen benötigt, etwa für Prothesen. Das Fraunhofer IPA in Stuttgart hat ein generatives Verfahren weiterentwickelt, das eine preiswerte Herstellung passgenauer Prothesen erlaubt. Bei der Fertigung per Schmelzschichtung werden die Patientenmaße in eine CAD-Software eingegeben, anschließend wird das Druckmaterial – ein preislich attraktiver Kunststoff – mit einer frei beweglichen Heizdüse lokal geschmolzen und schichtweise aufgetragen. Neben der medizinischen Anwendung entwickelt das Team um Steve Rommel unter anderem das Verfahren der Schmelzschichtung (Fused Layer Modeling, FLM) weiter, um es für technische Kunststoffe unter industriellen Anforderungen einsetzen zu können. In den letzten Jahren entstand der Druckkopf Fibre PrinteR, der die Herstellung von Strukturbauteilen ermöglicht. Er erlaubt es, dem Kunststoff bei Bedarf gezielt Endlosfaser zuzuführen.

Sogar künstliches Gewebe  wollen Fraunhofer-Wissenschaftler künftig drucken: Der Aufbau mehrlagiger Zellschichten mit einem Versorgungssystem aus Adern beschäftigt seit 2011 ein Konsortium von 16 europäischen Partnern aus Industrie und Forschung. Federführend ist das Fraunhofer ILT, beteiligt sind auch Fraunhofer IAP, IGB, IPA und IWM. »Bisher kann Haut, die auf eine solche Vaskularisierung verzichten kann, lediglich mit einer Fläche kleiner als ein Quadratzentimeter und einer Dicke von ein bis zwei Millimetern gezüchtet werden«, erklärt Dr. Arnold Gillner, Kompetenzfeldleiter Abtragen und Fügen am ILT. Technologien der generativen Fertigung, eine durch Simulation berechnete optimale Gefäßgeometrie, angepasste biofunktionale Materialien und eine gleichzeitige Kultivierung von relevanten Zelltypen werden in einem Prozess kombiniert, der den Aufbau von vaskularisiertem Fettgewebe und schließlich von künstlicher Haut erlaubt.

Gefäßstruktur für ein Hautmodell
© Foto Fraunhofer ILT

Gefäßstruktur für ein Hautmodell, das mit Blut versorgt werden soll.

Mit der generativen Herstellung von Knochenimplantaten befassen sich mehrere Institute, darunter der Dresdner Teil des Fraunhofer IWU. Eine große Herausforderung in der Chirurgie besteht im Wiederherstellen der Orbita: Zersplittert die knöcherne, filigrane Augenhöhle bei einem Unfall, muss sie aufwendig rekonstruiert werden. »In der Regel schneiden Chirurgen im OP eine Lochfolie von Hand zu und setzen diese ein«, schildert Christian Rotsch, Abteilungsleiter für Medizintechnik. Mit dem Industriepartner Alphaform Claho führt das IWU ein neues Verfahren ein: Zunächst wird die deformierte Gesichtshälfte virtuell in 3D modelliert.

Auf dieser Datenbasis produziert Alphaform Claho Orbitaimplantate binnen zwei, drei Tagen. Fünf bis zehn solcher Implantate liefert das Unternehmen derzeit pro Monat aus. Auch das Hüftimplantat MUGETO wurde am IWU entwickelt. In dessen integrierten »Hohlräumen« lassen sich zum Beispiel Medikamente deponieren und über die Implantat-Knochen-Schnittstelle zuführen. Das begünstigt den Genesungsprozess des Patienten und kann ihm zugleich Austausch-Operationen ersparen – ein Schritt hin zu lebenslangen Implantaten. MUGETO-Implantate werden per Laserstrahlschmelzen hergestellt – ein Verfahren, dem Studien von Roland Berger oder vom Automobilentwicklungsdienstleister EDAG branchenübergreifend eine besondere Eignung für den industriellen Einsatz zusprechen. »Hier ist Fraunhofer führend«, wie Allianz-Sprecher Müller berichtet.

Hüftimplantat MUGETO
© Foto Franhofer IWU

Die Herstellung medizinischer Implantate aus biokompatiblen Materialien wie Titan, Kobalt-Chrom oder Edelstahl sind heute möglich. Ein Beispiel, das Hüftimplantat MUGETO mit integrierten Hohlräumen für Medikamentendepots.

Laserstrahlschmelzen und -auftragsschweißen

Das Laserstrahlschmelzen von Metallpulver funktioniert ähnlich wie das oben beschriebene Lasersintern, allerdings wird hier statt Kunststoff Metall verarbeitet und mit dem Laser richtiggehend geschmolzen. Wieder wird Schicht für Schicht aufgebaut, bis das fertige Bauteil aus dem Pulver gezogen werden kann. Dabei ist das zurückbleibende Pulver wiederverwertbar. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung komplexer Bauteile, die wesentlich leichter konstruiert werden können als Standardmetallbauteile.

Das macht die Technologie so interessant für die Luftfahrt. »Hier ist jedes eingesparte Kilogramm bares Geld wert. Auch die vergleichsweise geringen Stückzahlen kommen der generativen Fertigung entgegen«, erläutert Müller. »Deshalb ist die Luftfahrtindustrie zurzeit der größte Treiber, um Metallverfahren der generativen Fertigung zu etablieren.«

Das ILT repariert beispielsweise für Rolls-Royce Deutschland Bauteile aus unterschiedlichen Triebwerken, zum Beispiel Gehäuse und diverse Labyrinth-Dichtungen. »Dafür sind wir entsprechend zertifiziert«, berichtet Dr. Andres Gasser, Gruppenleiter Laserauftragschweißen am ILT. »Für Turbinenschaufeln haben wir einen automatisierten Prozess entwickelt, der dieses Jahr in einer Kleinstserie umgesetzt werden soll.« Beim Laserauftragschweißen wird das Metallpulver direkt über eine Düse mit dem Laser auf ein Werkstück aufgebracht. Anders beim Laserstrahlschmelzen gibt es hier kein Pulverbett. Dafür lassen sich verschiedene Pulver innerhalb einer Schicht oder von Schicht zu Schicht verarbeiten, sodass Werkstoffkombinationen oder -gradienten hergestellt werden können. Um in Zukunft auch großflächige Beschichtungen zum Schutz gegen Korrosion und Verschleißerscheinungen durchführen zu können, hat das ILT jüngst das »Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen« entwickelt. »Damit sind wir um den Faktor 200 schneller als bisher und können zum Teil galvanische Verfahren oder thermisches Spritzen ersetzen«, so Gasser.

Wissenschaftler am Fraunhofer IWS entwickelten eine Technologie für Anwendungen im Hochtemperaturbereich, das beispielsweise bei stationären Gasturbinen eingesetzt werden kann. Hier müssen die Bauteile auch bei über 700 Grad stabil und korrosionsbeständig bleiben. »Wir können selbst schwer bis nicht schweißbare Legierungen mithilfe eines angepassten Temperaturregimes in höchster Qualität verarbeiten«, hebt Dr. Frank Brückner hervor.

Rapid Prototyping

Am Beginn der generativen Fertigung stand das Rapid Prototyping. Dessen Verfahren wurden mittlerweile in Richtung Serienproduktion ausgebaut. Doch der Prototypenbau ist damit nicht von der Bildfläche verschwunden, im Gegenteil. »In der Automobilbranche braucht man durch die immer höhere Produktentwicklungsfrequenz – mittlerweile kommt alle vier Jahre ein neues Modell heraus – ständig und schnell funktionsfähige Prototypen«, erklärt Müller. »Hier ist die generative Fertigung ein fester Bestandteil der Produktentwicklung geworden. « So konnte das ILT zum Beispiel in Kooperation mit der BMW Group in kurzer Zeit den funktionalen Prototypen eines Karosserieteils per Laserstrahlschmelzen herstellen.

Neue Lösungen möglich, nicht nur billigere Fertigung

»Die Fragestellung lautet nicht: Kann ich mein Produkt mit 3D-Druck billiger fertigen?«, ist Müller überzeugt. »Sondern: Welche komplett neuen Produkte und Verfahren könnten zu meinem Portfolio passen? Generative Fertigung ermöglicht Lösungen, von denen wir bisher dachten, sie lassen sich gar nicht realisieren.« Die Fraunhofer-Institute haben eine gute Ausgangsposition, um zur treibenden Kraft einer Technologie zu werden, die eine Vielfalt neuer Produkte und Prozesse ermöglicht.