„Mit den immer weiter verbreiteten 3D-Druckern für Heimanwender hat das wenig gemeinsam“, sagt augenzwinkernd Sebastian Greco, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Anwendungszentrum für additive Fertigung (AAF) an der TU Kaiserslautern, wenn es um die Anlagen und Techniken geht, mit denen er sich tagtäglich beschäftigt. Gemeinsam mit seinen Kollegen vom AAF geht er der Frage nach, wie sich metallische Bauteile dreidimensional herstellen lassen, die dann etwa beim Maschinen- und Anlagenbau oder beim Fahrzeug- und Nutzfahrzeugbau zum Einsatz kommen können. Als Teil des Lehrstuhls für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation der Uni Kaiserslautern wurde das AAF Ende des Jahres 2020 gegründet. Gefördert wird es aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und aus Mitteln des Landes Rheinland-Pfalz. Eine erste Anlage für besonders schnellen 3D-Druck von Metallen gibt es vor Ort bereits. Mit der neuen Bewilligung soll das Zentrum bald eine weitere Anlage ihr Eigen nennen können – und so die Kompetenzen der TUK im Bereich der additiven Verfahren weiter ausbauen.

Zwei unterschiedliche Methoden der additiven Fertigung sollen genutzt werden 

„Wir haben dann zwei Anlagen, die völlig verschiedene Methoden anwenden“, ordnet es Sebastian Greco ein. Um zu erfahren, was das Besondere an der neuen Anlage sein wird, muss man sich etwas genauer mit additiven Verfahren an sich beschäftigen. Denn unter dem Begriff werden gleich mehrere Methoden der 3D-Produktion zusammengefasst. 

Beim sogenannten Laserauftragschweißen etwa wird eine Bauteiloberfläche mithilfe eines Lasers aufgeschmolzen, gleichzeitig bringt eine Düse Metallpulver ein. Dieses schmilzt – und verbindet sich mit der Oberfläche des Bauteils. Schichten mit einer Dicke von 0,01 bis 1,5 Millimeter lassen sich so aufbauen. Die Technik kann auch bei hybriden Verfahren eingesetzt werden: Also, wenn etwas abgetragen und neu aufgetragen wird. Die Technik, mit der sich dieses Verfahren besonders schnell anwenden lässt, ist am AAF in Form einer Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißanlage bereits verfügbar.

Das zweite Gerät, das am AAF bald ebenfalls den Betrieb aufnehmen soll, beruht indes auf der sogenannten Pulverbett-Technologie: „Hierbei werden dünnen Metallpulverschichten auf eine Bauplattform aufgebracht und zur gewünschten Geometrie verschmolzen“, erklärt der AAF-Mitarbeiter Marc Schmidt. Basierend auf einem digitalen Modell (CAD-Modell) des Bauteils fährt ein Laser das Pulverbett ab und verschmilzt das Metall zur vorgegebenen Form. Die Bauplattform wird anschließend abgesenkt, eine weitere Pulverschicht wird aufgetragen. Der Laser erarbeitet erneut die Konturen - und lässt die neu entstandene Schicht mit der vorherigen verschmelzen. Nach und nach entsteht das dreidimensionale Bauteil. 
„Ist das Bauteil so weit fertig, dann erfolgt gegebenenfalls eine Wärmebehandlung oder Nachbearbeitung“, ergänzt Jacques Platz, der ebenfalls als wissenschaftlicher Mitarbeiter am AAF tätig ist. Das Bauteil könne beispielsweise spannungsarmgeglüht werden. So lässt sich der Bauteilverzug reduzieren. „Oder es wird spanend nachbearbeitet“, sagt Platz, – so könnten Polieren und Schleifen den Gesamtprozess abrunden. Warum sollte man sich als Anwender für das eine – oder das andere Verfahren entscheiden? Das hänge von vielen Faktoren ab, meint Sebastian Greco, „beispielsweise von der geforderten Genauigkeit oder auch davon, welches Material verwendet werden soll.“

Im Rahmen der Forschung werden die Prozesse optimiert

Doch bevor an Produktionen mit hoher Stückzahl zu denken ist, wollen die Mitarbeiter – im Rahmen ihrer Forschung – zunächst einige Vorarbeiten leisten. Marc Schmidt: „Wir erarbeiten zunächst geeignete Prozessparameter und Fertigungsstrategien. Diese sind für das neuartige Verfahren des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißens noch relativ wenig erforscht.“ Auch mit anderen Wissenschaftlern an der TUK arbeiten sie daran, den Prozess insgesamt zu verbessern.

Ansprechpartner und Unterstützer für Unternehmen aus der Region

Sind die grundlegenden Fragen geklärt – und der Prozess so weit optimiert, dann möchten die AAF-Mitarbeitenden auch Unternehmen aus der Region ihre Hilfe anbieten. Greco, Schmidt und Platz sehen sich dabei als eine Art verlängerte Werkbank. Interessierte Betriebe, die beispielsweise mit komplexen Bauteil-Geometrien arbeiten und entsprechende Teile herstellen, sind eingeladen, mit ihnen ins Gespräch zu kommen. Sebastian Greco: „Zunächst analysieren wir, ob ein Bauteil aus wirtschaftlicher und technischer Sicht lukrativ für die additive Fertigung ist.“ Dabei orientieren sie sich an einem einfachen Grundsatz: Je komplexer ein Bauteil, desto eher ist es für die additive Fertigung geeignet. „Ein großer Vorteil der additiven Verfahren ist es, dass sich Geometrien produzieren lassen, die sich mithilfe anderer Techniken nicht oder nur mit erheblichem Aufwand herstellen lassen.“ 

Erst nach dieser ersten Einordnung erfolge die eigentliche Entwicklung, Fertigung und Qualitätssicherung eines Prototyps. „Wir würden das jeweilige Unternehmen dann auch beraten, welches additive Verfahren für ein spezifisches Produkt am besten geeignet wäre.“ Und sie wollen die jeweils am besten geeigneten Parameter für einen spezifischen Herstellungsprozess herausfinden. „Eine Besonderheit der Technik ist auch, dass sich im Herstellungsprozess geometrische Details unkompliziert ändern lassen.“ Bei anderen Herstellungsmethoden, die nicht auf additiven Verfahren beruhen, sei das mit mehr Aufwand verbunden, sagt Sebastian Greco.

Insbesondere in der Anfangsphase und bei kleiner Stückzahl kann das AAF ein Unterstützer sein: „Wir könnten für ein Unternehmen eine gewisse Produktzahl herstellen. Stückzahlen ab einem 3- bis 5-stelligen Bereich ließen sich von uns dann aber nicht mehr realisieren.“ Würde sich ein Unternehmen entscheiden, additiv in großen Mengen produzieren zu wollen, dann müsse über die Anschaffung einer eigenen Anlage – oder industrielle Kooperationspartner – nachgedacht werden. Aber auch hierbei könnte das AAF beratend zur Seite stehen.  

Das Ziel: Einen Wissenschaftsstandort für additive Techniken aufbauen

Und wie soll sich das Anwendungszentrum entwickeln? Sind möglicherweise weitere Anlagen in Planung? „Für den Standort des Anwendungszentrums ist es denkbar und wünschenswert, weitere additive Fertigungsanlagen zu integrieren, um unser Spektrum an Technologien und Möglichkeiten weiter auszubauen“, sagt Marc Schmidt. Die Mitarbeitenden denken dabei in die Zukunft – haben Vorteile für die ganze Region im Blick: „Unser großes Vorhaben ist es, einen Wissenschaftsstandort für additive Fertigungstechnologien aufzubauen.“ Tatsächlich spielen Branchen wie der Maschinenbau, die Fahrzeugindustrie oder auch die Medizintechnik in Rheinland-Pfalz eine große Rolle. In diesen Industriezweigen werden oftmals individuell erarbeitete Produktlösungen in kleinen Stückzahlen hergestellt. Hier gebe es also Potenzial für die Anwendung additiver Fertigungsverfahren.

Doch die AAF-Forscher wissen auch, dass es gegenüber additiven Verfahren noch Vorbehalte gibt: „Unter anderem gelten sie als sehr teuer“, meint Sebastian Greco. Bislang sei vor allem das sogenannte 5-Achs-Fräsen das Fertigungsverfahren der Wahl, wenn es um die Herstellung von Werkstücken mit definierter Geometrie gehe. Doch die jungen Wissenschaftler möchten sich dafür einsetzen, dass ihre Technik an Bedeutung gewinnt: „Es wäre begrüßenswert, wenn die nächste Generation an Entwicklern auch die additive Fertigung berücksichtigen würde.“ Erste Anfragen von Unternehmen mit Anwendungsfällen liegen dem AAF vor. „Diese werden wir im Jahr 2022 angehen, sobald die neuen Anlagen erfolgreich in Betrieb genommen wurden“, ergänzt Marc Schmidt. Gemeldet haben sich Werkzeugmacher oder auch Unternehmen aus dem Bereich Modellbau. Das Interesse für additive Verfahren scheint bei Betrieben aus der Region also geweckt zu sein. Die neue Anlage wird schon bald einiges zu tun bekommen.