3D-Druck wird Teil der digitalen Fabrik sein

Additiv Manufacturing als Teil von Industrie 4.0

Nicht ohne den 3D-Druck

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Das Ziel von Industrie 4.0 ist die ganzheitlich digital verknüpfte und intelligente Fabrik. In dieser Produktion der Zukunft spielt der industrielle 3D-Druck eine Schlüsselrolle – neben Technologien wie Sensorik, Robotik und der Maschine-zu-Maschine-zu-Mensch-Kommunikation.

Martin Steuer
Head of Product Management
Software & Service bei EOS, Krailling

Der Markt für industrielle 3D-Druck-Lösungen wächst entsprechend. Bis zum dritten Quartal 2025 wird er bereits eine Umsatzgröße von 15,7 Mrd. US-Dollar erzielen, so die Prognose der Analysten von SmarTech Markets Publishing (wobei Service-Lösungen nicht eingerechnet sind, etwa der Handel mit gedruckten Bauteilen). Dieses starke Wachstum gilt sowohl für Systeme zum Verarbeiten von Metall- als auch von Polymerwerkstoffen und unterstreicht einen immer wichtiger werdenden Aspekt: Der Einsatz von Additive Manufacturing (AM) für die Serienproduktion nimmt zu.

Die Entwicklung geht einher mit dem grundlegenden Wandel, den die industrielle Produktion im Rahmen von Industrie 4.0 durchläuft. Neben immer mehr Kooperationsmodellen entlang der gesamten Prozesskette findet auch eine stetige Digitalisierung der Fertigung statt.

Additive Serienfertigung wird Realität

Der industrielle 3D-Druck hat einen Reifegrad erreicht, der es Kunden ermöglicht, Komponenten und Endteile in Serie herzustellen. Das liegt vor allem an dem inzwischen robusten und stabilen AM-Bauprozess. So lassen sich Bauteile mit einer sehr hohen Qualität additiv fertigen – reproduzierbar und zuverlässig. Der immer schneller werdende Bauprozess und eine zunehmende Automatisierung von vor- und nachgelagerten Prozessschritten sorgen gleichzeitig dafür, dass die Systeme produktiver werden und die Stückkosten sinken.

Gerade mit Blick auf den Serieneinsatz ist die aktuelle Zusammenarbeit von EOS und Airbus Helicopters wegweisend. So plant Airbus Helicopters die additive Fertigung von Verriegelungswellen für die Türen des Passagierflugzeugs A350 und setzt dafür auf EOS-Technologie (siehe Kasten). Das additive Bauteil ist um 45 % leichter und um 25 % günstiger in der Herstellung als das mit traditioneller Zerspanung gefertigte Ebenbild. Die Qualifizierung soll Ende 2018 erfolgen, die Serienfertigung beginnt Anfang 2019 und 2020 sollen die ersten Bauteile zum Einsatz kommen.

Der Serieneinsatz allgemein bringt aber auch neue Kundenanforderungen mit sich und erfordert entsprechende Lösungen. Elementare Anforderungen sind die lückenlose, effiziente Integration des industriellen 3D-Drucks in bestehende Produktionsumgebungen, die Verbindung mit etablierten Fertigungstechnologien und das kontinuierliche Optimieren des Teile- und Datenflusses. Kurz, es geht um die digitale Vernetzung von konventionellen und additiven Fertigungsverfahren wie dem Lasersintern.

Integration in die digitale Fertigungskette

Um 3D-Drucksysteme und Peripheriegeräte in die Fabriksteuerung integrieren zu können, werden Lösungen zur additiven Fertigung zunehmend softwareseitig mit den entsprechenden Schnittstellen ausgestattet, die Industriestandard sind. Diese Verzahnung beginnt bereits bei der Bauteilkonstruktion. Schon in dieser Phase ist es wichtig, ein „Design for Additiv Manufacturing“ (DfAM) zu ermöglichen.

Bei konventionellen, subtraktiven Fertigungsverfahren hat ein Konstrukteur die Fertigungsart für das spätere Bauteil – beispielsweise Gussteil (gleichmäßige Wandstärken) oder Blechteil (Mindest-Biegeradius) – bereits im Kopf und entwirft es entsprechend. Ähnlich ist es auch, wenn er Bauteile für den industriellen 3D-Druck konstruiert. Möglichkeiten wie generatives Design und Topologieoptimierung sollten bereits in der Design-Umgebung auf den AM-Bauprozess ausgerichtet sein, um am Ende die geforderten Materialeigenschaften zu erreichen.

Die meisten CAX-Anbieter stellen heute eine einheitliche Umgebung bereit, in der konstruiert, simuliert und die Fertigungsvorbereitung durchgeführt werden kann. Hinzu kommt, dass sie über Schnittstellen verfügen, um ihre AM-Applikation zu erweitern. Ein Beispiel hierfür ist die Integration der EOS-Software Eosprint 2 in die Siemens-Software NX. Die Vernetzung mit der PLM-Software von Siemens bietet CAD/CAM-Schnittstellen für Konstruktion und Fertigung.

Anwender müssen dadurch auf Basis eines eng verzahnten Prozesses nur noch in einer Software-Umgebung arbeiten – von der digitalen Bauteilkonstruktion bis zum AM-Bauprozess. Durch Integrationen wie diese kann die additive Fertigung noch schneller, einfacher sowie vorhersagbar und damit zuverlässiger erfolgen. Das treibt die Verbreitung des industriellen 3D-Drucks insgesamt voran.

Ein weiterer entscheidender Punkt ist es, die Daten während und nach dem Produktionsprozess zugänglich zu machen und weiterzuverarbeiten. Das gelingt durch die Verbindung der 3D-Drucklösungen mit vorhandenen MES/ERP-Anwendungen, aber auch die Unterstützung von neuen digitalen Marktplätzen und IoT-Plattformen wird immer relevanter. Mit Eosconnect beispielsweise können alle gesammelten Maschinen- und Produktionsdaten in Echtzeit nutzbar gemacht werden.

Dazu bietet EOS eine offene Schnittstelle, die entweder die Integration in intelligente EOS-Anwendungen zur Produktivitätssteigerung oder aber die Nutzung durch Drittanwendungen ermöglicht. Auf diese Weise wird die Grundlage für eine tatsächliche Integration additiver Fertigung in industrielle Produktionsumgebungen geschaffen.

Diese hohe Konnektivität bietet zwei wesentliche Vorteile: Unternehmen können Produktionsdaten nahtlos an ihre CAQ-Systeme (Computer Aided Quality) übergeben für eine sichere und zuverlässige Nachverfolgbarkeit. Dies unterstützt die Unternehmen bei der Validierung ihrer Produktionsprozesse als auch für die Qualitätskontrolle.

Gleichzeitig profitieren die Firmen von der Transparenz, die sich durch die Verfügbarkeit und Visualisierung produktionsbezogener Leistungskennzahlen in Echtzeit ergibt. Letztlich hilft eine solch umfassende Konnektivität den Unternehmen dabei, ihre Produktivität zu steigern.

Automatisierung der kompletten
additiven Prozesskette

Neben der Software-Einbindung wird auch die stetige Automatisierung des Teileflusses immer wichtiger, um den 3D-Druck in industriellem Maßstab einzusetzen. Die Hersteller von 3D-Drucksystemen haben diese Anforderung erkannt und arbeiten an entsprechenden Automationslösungen – von der Zuführung des Werkstoffs über den eigentlichen AM-Bauprozess bis zu nachfolgenden Verarbeitungsschritten.

Wie eine solche Produktion aussehen kann, verdeutlicht die Zusammenarbeit zwischen dem Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec, dem Automobilhersteller Daimler und EOS. Im Zuge des gemeinsamen Projekts NextGenAM arbeiten die Unternehmen daran, den Gesamtprozess des industriellen 3D-Drucks weiter zu optimieren. Das Ziel ist die Entwicklung eines Gesamtsystems zur Herstellung von Bauteilen aus Aluminium für den Automobilbereich sowie die Luft-und Raumfahrt.

Eine dafür jüngst errichtete Pilotanlage besteht aus Maschinen zur additiven Fertigung, zur Nachbearbeitung und zur Qualitätssicherung. Das Besondere: Der Großteil der einzelnen und das Zusammenspiel aller additiven und konventionellen Prozessschritte erfolgt nun vollautomatisiert und integriert – manuelle Schritte wurden eliminiert. Im Ergebnis werden so komplexe sowie leichte und gleichzeitig stabile Bauteile gefertigt, der hohe Automatisierungsgrad ist Basis für eine wirtschaftliche Produktion.

Kern der Pilotproduktionskette ist das Vier-Laser-System EOS M 400-4 zum metallbasierten industriellen 3D-Druck. Das System wird in Kombination mit den Peripherielösungen des Shared-Modules-Konzepts von EOS eingesetzt. So ist das System mit einer Pulverstation ausgestattet und mit einer allein stehenden Rüst- sowie Auspackstation verbunden.

Im Ergebnis können das Befüllen und Entleeren des Systems mit dem Werkstoff, das Rüsten für einen neuen Bauauftrag sowie das Auspacken der gefertigten Bauteile aus dem Pulverbett unabhängig vom eigentlichen AM-Bauprozess durchgeführt werden – und damit parallel dazu. Das steigert die Produktivität deutlich. Der Transport der additiv gefertigten Bauteile zwischen den einzelnen Stationen erfolgt dabei vollautomatisiert und unter Schutzgas in einem Container, den ein fahrerloses Transportfahrzeug befördert.

Auch bei der anschließenden Nachbearbeitung gibt es bereits eine umfangreiche Automatisierung: Ein Roboter nimmt die Bauplattform mit den Bauteilen aus der Rüststation und legt sie zur Wärmenachbehandlung in einen Ofen. Derselbe Roboterarm entnimmt die Bauplattform anschließend wieder und bringt sie für die Qualitätssicherung zu einer 3D-Vermessungsstation. Abschließend gelangt die Bauplattform zu einer Säge, welche die Teile von der Plattform trennt. Damit sind die Bauteile vorbereitet für die weitere Nutzung.

3D-Druck bringt die agile Produktion

Durch Maßnahmen wie diese wird der 3D-Druck schrittweise in digitale Produktionsketten integriert. Die konsequente Weiterentwicklung und das Einbinden der Technologie in Produktions- und Lieferketten ermöglicht es, heutige Fertigungsstrategien umzukehren und Produktionsplattformen agil miteinander zu verknüpfen.

Die derzeit etablierten Fertigungsketten sind auf Auslastung und Effizienz hin optimiert, hohe Warenwerte werden über Lieferketten weltweit versendet. Demgegenüber ermöglicht AM mehr Flexibilität und Agilität für intelligente Produktions- und Lieferketten im Rahmen von Industrie 4.0. Es entsteht eine hochgradig agile Fabrik der Zukunft, die sich an verändernde Marktanforderungen und -schwankungen sehr viel besser anpassen kann.


Airbus Helicopters plant die additive Fertigung von Bauteilen für den A350 in Großserie. Dabei kommt EOS-Technologie zum Einsatz. Bild: Airbus Helicopters

Airbus druckt in Serie

Lasersintern | Jüngst hat Airbus Helicopters den Startschuss für die Produktion von Bauteilen im industriellen 3D-Druck bekannt gegeben. Es geht um Verriegelungswellen für die Türen des Passagierflugzeugs A350. Gefertigt werden die Teile aus Titanpulver mit einem EOS-System M 400-4. Vier Laserstrahlen schmelzen den Werkstoff und bauen daraus Schicht für Schicht die gewünschten Teile auf. Auf diese Weise lassen sich Formen erzeugen, die aus wesentlich weniger Material bestehen und damit leichter sind – aber dennoch genauso stabil wie das ursprüngliche Bauteil. Bis zu 28 Verriegelungswellen können in einem Druckvorgang hergestellt werden. Bei dieser Überarbeitung der Baugruppe für die additive Fertigung handelt es sich um die erste metallische 3D-Druck-Großserie im Airbus-Konzern.

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