Neue Geometrien mit 3D-Metalldruck

Der 3D-Metalldruck hält in den Produktionsalltag Einzug. Damit sind völlig neue Geometrien und Bauteile möglich – auch für die C

  • Es begann mit einer Einspritzdüse für LEAP-Flugzeugtriebwerke. Nun will der US-Konzern General Electric den 3D-Druck von metallischen Gegenständen in die industrielle Breitenanwendung überführen und auf diese Weise auch Katalysatoren für die Chemiebranche oder neuartige Hüftgelenke für die Medizintechnik herstellen. Es begann mit einer Einspritzdüse für LEAP-Flugzeugtriebwerke. Nun will der US-Konzern General Electric den 3D-Druck von metallischen Gegenständen in die industrielle Breitenanwendung überführen und auf diese Weise auch Katalysatoren für die Chemiebranche oder neuartige Hüftgelenke für die Medizintechnik herstellen.
  • Es begann mit einer Einspritzdüse für LEAP-Flugzeugtriebwerke. Nun will der US-Konzern General Electric den 3D-Druck von metallischen Gegenständen in die industrielle Breitenanwendung überführen und auf diese Weise auch Katalysatoren für die Chemiebranche oder neuartige Hüftgelenke für die Medizintechnik herstellen.
  • Blick in das Innere eines 3D-Concept Lasers
  • GE-Manager Matthew Beaumont und Christian Rensch

Mit einem neuen Zentrum für additive Fertigung in Garching bei München will der US-Konzern General Electric den 3D-Druck von metallischen Gegenständen in die industrielle Breitenanwendung überführen. Hervorgegangen aus dem Triebwerksbau für Flugzeuge können auf diese Weise auch Katalysatoren für die Chemiebranche oder neuartige Hüftgelenke für die Medizintechnik hergestellt werden. Ein Blick hinter die Kulissen der additiven Fertigung.

Es begann mit einer Einspritzdüse für LEAP-Flugzeugtriebwerke, einer bei Passagiermaschinen weit verbreiteten Motorenserie mit vergleichsweise niedrigem Spritverbrauch. Die Ingenieure von General Electric (GE) hatten eine klare Vorstellung, wie diese aussehen und funktionieren sollte: mit einer ausgefeilten Innengeometrie und filigranen Kanäle und Düsen, um optimale Wirkung entfalten zu können. Nur bauen konnten sie dieses komplexe Teil auf herkömmliche Weise und mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand nicht.

Da stießen die GE-Leute auf „diese Bude am Ende der Straße“, wie Matthew Beaumont es salopp formuliert. Beaumont ist Leiter des Ende 2017 eingeweihten GE Customer Experience Center für Additive Fertigung in Garching bei München. Der schlanke Mann mit dem gepflegten Bart meint die US Firma Morris Technologies. Statt Material wegzuschneiden, schweißte Firmenchef Greg Morris bereits in den 1990er-Jahren mit Hilfe von Lasern haarfeine Schichten eines Metallpulvers zusammen, um so komplexe Teile direkt aus einer Computerdatei zu produzieren. Da bei dieser Fertigungstechnologie dem Bauteil jeweils Material zugeführt wird anstatt es wegzuschneiden, wird die Methode auch als „additiv“ bzw. Additive Manufacturing (AM) bezeichnet.

GE ließ bei Morris Prototypen der Düse herstellen. Das Ergebnis überzeugte: Die 3D-Düsen vereinten nicht nur alle vorherigen 20 Einzelteile in einer einzigen Einheit, sondern wogen auch 25 % weniger und waren mehr als fünfmal so langlebig.

2012 kaufte der US-Konzern die Firma Morris und stieg damit selbst in den industriellen 3D-Metalldruck ein. „Wir kamen zu dieser Technologie sozusagen wie die Jungfrau zum Kinde“, stellt Beaumont rückblickend fest.

2016 investierte GE zudem mehr als 1 Mrd. USD in den Erwerb von Mehrheitsbeteiligungen an zwei führenden Herstellern von industriellen 3D-Druckern: Arcam in Schweden und Concept Laser im oberfränkischen Lichtenfels. Während die Maschinen von Concept mit Hilfe von Lasern Bauteile aus Metallpulver formen, nutzt Arcam einen leistungsfähigen Elektronenstrahl. Dieser macht es laut GE möglich, schneller zu drucken und Schichten mit einer Dicke von 100 mm zu verschmelzen - doppelt so breit wie mit einem Laserdrucker.

Spätestens mit diesen Akquisitionen war laut Beaumont klar, dass GE aus AM einen eigenen Geschäftsbereich macht, der nicht nur für den Eigenbedarf produziert, sondern auch 3D-Drucker an andere Unternehmen verkauft. Der Manager meint damit nicht den 3D-Druck im Bereich Plastik, sondern die deutlich anspruchsvollere Fertigung von Metallteilen. „Hier wollen wir vorne dabei sein“ fügt Christian Rensch, Customer Relationship Manager bei GE Additive, hinzu. Oder wie Mohammad Ehteshami, der bis Ende 2017 den Geschäftsbereich GE Additive leitete, formulierte: „Unsere Vision ist ganz einfach: Wir wollen den Herstellungsprozess demokratisieren.“

Starke Marktposition von Siemens

Mittlerweile bahnt sich die additive Fertigung immer mehr ihren Weg in die Mitte der industriellen Produktion. Und GE ist hier nicht alleine unterwegs. So sieht sich Siemens als weltweit führend in der Industrialisierung der additiven Fertigung, sowohl als Anwender als auch als Zulieferer. Der Münchener Konzern verweist darauf, erste Tests von komplett mit AM gefertigten Gasturbinenschaufeln durchgeführt zu haben. Dank AM sei dabei die Zeit vom Entwurf bis zur Produktion einer neuen Gasturbinenschaufel von zwei Jahren auf zwei Monate reduziert worden. Im Übrigen sei die Fertigung von Gasturbinenschaufeln eine der anspruchsvollsten AM-Anwendungen - Präzision, Oberflächenbeschaffenheit und Materialqualität würden darüber entscheiden, wie leistungsfähig eine Turbine sei. Weitere Unternehmen, die in diesem Bereich tätig sind, sind bspw. die deutsche Trumpf-Gruppe, die britische Renishaw oder die US-Firma Exone.

Für GE ist das neue Customer Experience Center in Garching heute der zentrale Ort, wo Kunden die Möglichkeiten dieser Technologie kennenlernen und ausprobieren können. Der Standort ist strategisch klug gewählt: Die TU München mit ihrem geballten Wissen ist um die Ecke, der Flughafen nur wenige Kilometer entfernt. Deutschland, so Beaumont, sei für GE der globale Innovations-Hub für additive Fertigung und 3D-Metalldruckverfahren. Die Bedeutung des Standortes zeigt sich auch darin, dass Jason Oliver, seit Anfang 2018 Vorstandschef des Bereichs, seinen Sitz in Garching hat.

Dabei erfüllt das Gebäude, in dem rund 30 Mitarbeiter im Bereich AM tätig sind, gleich mehrere Zwecke: Zum einen werden hier die 3D-Maschinen vorgeführt und verkauft. Zum anderen berät der Konzern Kunden, wie sie die Technologie für sich erfolgreich einsetzen können. Und schließlich unterrichten Trainer im Umgang mit den Maschinen.

Leise, unermüdliche Produktion

Im Showroom stehen sie unscheinbar am Rande: Quaderförmige, zwei bis drei Meter lange mannshohe Blöcke, denen man von außen nicht ansieht, was sie im Innern vollbringen. Nur über eine Klappe kann man einen kleinen Blick in das Innere werfen, wo die Maschine auf Grundlage von CAD-Dateien Metallpulverschichten übereinander legt und mit Hilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls bearbeitet. Beinahe lautlos „drucken“ sie unermüdlich vor sich hin – je nach Bauteil und Feinheitsgrad manchmal 24 Stunden lang, manchmal aber auch Tage oder gar Wochen. Während die großen Maschinen ganze Motorblöcke mit einem Volumen von einem Kubikmeter fertigen können, stellen andere filigrane Schädelimplantate her. Menschen werden für den eigentlichen Fertigungsprozess kaum noch gebraucht. „Im Grunde befüllt man die Maschine mit dem entsprechenden Metallpulver, drückt auf Start und kann dann nach Hause gehen“, sagt Beaumont.

Sein Kollege Rensch schwärmt derweil von den Möglichkeiten, die diese seit rund 20 Jahren angewandte Produktionsmethode bietet: „Den Gestaltungsmöglichkeiten der Bauteile sind fast keine Grenzen gesetzt. Es sind Geometrien möglich, die bisher nicht herstellbar waren. Der 3D-Druck ist zudem grundsätzlich gut geeignet, um Flüssigkeiten und Gase zu leiten.“ Das dürfte für die Chemieindustrie und die Medizintechnik von Interesse sein. Darüber hinaus, so Rensch, können mit dieser Technologie die Zykluszeiten für kleine Stückzahlen gesenkt werden. Wo bislang ein aufwändiger Formenbau notwendig war, muss im Fall der 3D-Herstellung nur der Computer mit der entsprechenden CAD-Datei gefüttert werden.

Ein weiterer Vorteil von AM ist laut Rensch, dass bei der Produktion wesentlich weniger Abfall als in einer herkömmlichen Fertigung anfällt und die Ersatzteillagerung drastisch reduziert werden kann – bspw. für Werkzeuge, die nur selten gebraucht und im Bedarfsfall gedruckt werden. Schließlich biete die additive Fertigung die Möglichkeit der Teilekonsolidierung: Gegenstände, die bislang aus mehreren hundert Teilen bestehen, werden zu wenigen oder gar nur einem Teil zusammengefasst. Rensch verweist auf Wärmetauscher für die Chemieindustrie – die heute vielfach aus zahlreichen Einzelteilen bestehenden Geräte könnten per 3D-Druck aus einem Guss gefertigt werden. Damit könne auf diese Weise auch die Zulieferkette deutlich kleiner ausfallen.

Schließlich bietet die 3D-Methode laut Rensch die Möglichkeit, durch neue Designs und Eigenschaften komplett neue Produkte zu erschaffen – Sensoren für die Chemieindustrie z.B., die innerhalb einer Struktur über unterschiedliche Festigkeiten bzw. Gradienten verfügen. Das macht sich bspw. die Medizintechnik zunutze. Rensch nimmt ein metallisches Hüftgelenk in die Hand, das aus dem 3D-Drucker stammt. Obwohl in einem Stück gefertigt, verfügt das Teil neben glatten Oberflächen auch über eine mehrere Zentimeter lange poröse Schicht. Sie soll ermöglichen, dass der Knochen nach der Transplantation in das künstliche Gelenk hineinwächst und sich so besser mit dem Fremdling verbindet.

Umsatzziel eine Milliarde Dollar

Bei allen Möglichkeiten, die die 3D-Metallproduktion bietet, stellt sich aber auch die Frage der Wirtschaftlichkeit. „3D wird nie die Produktion simpler Stanzteile, die in Massen gefertigt werden, ersetzen“, stellt Beaumont fest. Der Metalldruck sei vielmehr eine Nischenanwendung für spezielle Bauteile mit vergleichsweise geringen Stückzahlen oder komplexen Geometrien.

Dennoch ist das wirtschaftliche Potenzial enorm. Würde man nur 0,5 % der gesamten globalen Metallverarbeitung auf 3D-Druck umstellen, entspräche das einem jährlichen Umsatz von 75 Mrd. EUR, rechnet der GE-Standortleiter vor.

Für GE selbst stellt der Bereich Additive Fertigung in diesen Zeiten eine Art Insel der Erholung dar. Während der Konzern mit massiven Problemen in der Kraftwerkssparte sowie im Altgeschäft mit Pflegeversicherungen kämpft und der Aktienkurs sich mehr als halbiert hat, läuft es in den Bereichen Aviation und Additive Fertigung gut. Vor diesem Hintergrund hat der Konzern global bislang rund 3 Mrd. USD in die additive Fertigung investiert, in den Aufbau des Standortes Garching flossen rund 15 Mio. EUR und nach Lichtenfels, zu Concept Laser, gehen über 100 Mio. EUR. Gleichzeitig ist der Bereich in den vergangenen 20 Monaten von weltweit 400 auf mittlerweile rund 1500 Mitarbeiter gewachsen.

Entsprechend ambitioniert sind die Verkaufsziele: 2017 hat das Unternehmen von Garching aus rund 100 3D-Drucker verkauft. Künftig sollen es jährlich mehrere hundert Maschinen sein. Für 2020 peilt der Konzern mit seiner 3D-Sparte einen Umsatz von erstmals einer Milliarde Dollar an. Wieviel die Kunden dabei für eine Maschine bezahlen müssen, verrät Beaumont nicht. Das hänge zu sehr von der Größe und der Spezifikation ab. Doch mit einem sechs- bis siebenstelligen Betrag müsse man rechnen.

Von 855 Teilen auf nur ein Dutzend

Vor Beaumont liegt auf dem Tisch die Einspritzdüse, mit der alles anfing. Sie misst zirka 30 mm im Durchmesser und wird mittlerweile rund 40.000-mal im Jahr „gedruckt“. Doch die Ingenieure haben bereits das nächste Triebwerksteil aus dem Drucker entwickelt, für einen Turboprop-Antrieb. Mit Hilfe der additiven Fertigung konsolidierten sie dabei die bislang 855 Komponenten zu nur einem Dutzend Teile. Die Ergebnisse können offenbar überzeugen: Das einfachere Design reduziert das Gewicht, soll den Kraftstoffverbrauch um bis zu 20 % senken und 10 % mehr Leistung erzielen, teilt GE mit. Außerdem habe man die Entwicklungszeit um ein Drittel verkürzen können.

Rensch ist sich sicher, dass dies erst der Anfang ist: „In der Zukunft werden wir wilde Geometrien erleben. Gelenke bspw., die aus einem Stück sind und keine Montageschwachstellen mehr aufweisen.“

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