Druckwelle - ingenieur.de-Podcast zur Additiven Fertigung

Die Theorie ist toll: Der 3D-Druck von Häusern wird das Bauen wieder erschwinglich machen und die vielerorts herrschende Wohnungsnot abmildern. Die Praxis sieht leider anders aus: Bislang stehen in ganz Deutschland vielleicht zehn der schichtweise aufgebauten Unterkünfte. Ein Grund dafür: Der benötigte Beton muss spezielle Eigenschaften haben. Er muss zum Beispiel extrem schnell aushärten, um die nächste Schicht tragen zu können. Erreicht wird das mit Additiven, die in einem genau definierten Verhältnis im Rohmaterial homogen dispergiert sein müssen. Das dazu benötigte Know-how haben bislang nur wenige Hersteller. Dementsprechend wird das spezielle Baumaterial zentral hergestellt und teils über weite Strecken zur Baustelle gefahren. Günstig ist das natürlich nicht ... Abhilfe schaffen will das Liechtensteiner Start-up Medusa AG. Ihr Druckkopf kann Standard¬betone in Form bringen. Wie das möglich ist, lässt sich Geschäftsführer Yannick Maciejewski kaum entlocken. Er verrät nur, dass die Additive vor Ort beigemengt werden. „Der Beton wird außerdem durch unsere Pumpe und den Druckkopf so beeinflusst, dass er sofort zum Stehen kommt.“ Der Druckkopf ist rund 1,5 m hoch. Er lässt sich laut Hersteller in alle gängigen Portalsysteme integrieren. Auch das Anflanschen an Sechs-Achs-Roboter (auf Linearachse) ist möglich. Die Ausbringungsmenge liegt laut Co-Gründer Frank Strietzel bei bis zu 2,5 m3 pro Stunde. Eine 3 m breite und 1,4 m hohe, doppelwandige Mauer ließe sich in rund 30 min aufbauen. Zur Bedienung der Anlage würden zwei Arbeiter genügen. Weitere Details, etwa zu Anlagenkosten und etwaigen Armierungen, verraten die Gründer in dieser Folge.

Stefan Ritt hat so viel Einblicke in die Geschichte der additiven Fertigung, wie kaum ein Zweiter. Er hat sowohl bei weltweit agierenden Unternehmen gearbeitet (etwa SLM Solutions) als auch in in kleinen Firmen (z.B. 3YourMind). Der Norddeutsche berät AM-Start-ups und hat selbst gegründet. In dieser Folge erlaubt das AM-Urgestein unterhaltsame Einblicke in die Anfangsphase des 3D-Drucks in Deutschland. Er verrät aber auch, wohin die Reise führen wird. Interessant sind u.a. seine Ansichten zum Einfluss von KI und zum Fachkräftemangel.

Das Universitätsklinikum Münster ist das weltweit erste Krankenhaus, dem es erlaubt ist, medizinische Produkte in direkter Nähe der Patientenversorgung additiv herzustellen und zu verwenden. Bisher drucken die Fachleute u. a. personalisierte Schablonen zum Schneiden und Bohren. Sie ermöglichen hochpräzise Arbeiten, etwa im Grenzbereich zwischen Karzinom und gesundem Gewebe. Außerdem stellen die Mediziner Knochenmodelle her, an denen Implantate angepasst werden. Ein drittes Einsatzgebiet sind Modelle, anhand derer den Patienten erklärt wird, welche Behandlung geplant ist. Noch setzen die Münsteraner lediglich Kunststoffdrucker ein, darunter einen 1,4 t schweren, großvolumigen SLS-Drucker sowie einen DLP-Drucker. Details zu Anwendungsfällen erklärt in dieser Folge Martin Schulze, promovierter Ingenieur und Oberarzt. Obendrein wagt er eine Prognose, was künftig in der Schnittmenge aus Ingenieurkunst und Hightechmedizin entstehen kann.

Steile These: Philipp Utsch und Jan Gierse behaupten, die „kompromisslosesten Messer der Welt“ herzustellen. Niemand anderes biete eine vergleichbare Kombination aus Stabilität und geringem Gewicht. Möglich macht das ein additiv gefertigter Griff aus Titan, kombiniert mit hochwertigen Klingen aus Solingen. In dieser Folge erklärt das Duo im Detail, wie die Messer hergestellt werden, was mit den scharfen Schätzen alles möglich ist und wie sie es geschafft haben, Geldgeber und Maschinen für ihre UG Tools GmbH zu finden.

Das Direct Manufacturing Research Center (DMRC), angesiedelt an der Universität Paderborn, zählt zu den ältesten und renommiertesten AM-Forschungsinstituten Deutschlands. Dank zahlreicher Kooperationen mit Konzernen und KMU steht die Praxis stets im Vordergrund. Entsprechend umworben sind die AbsolventInnen auf dem Arbeitsmarkt, entsprechend viele Ausgründungen gibt es bereits. In dieser Folge zeigen acht promovierte Alumni auf, was sie gelernt haben und wohin ihr Weg sie führte. Außerdem erklären sie, welche Projekte und Technologien sie am meisten faszinieren. Zuvor skizziert Eric Klemp, Co-Initiator und ehemaliger Geschäftsführer der Einrichtung, wer im sympathischen DMRC-Team mitmachen darf – und wie die Stimmung rund um den Mersingweg 3 in Paderborn ist.

Die Berliner AdditiveStream GmbH haucht verschlissenen Bauteilen neues Leben ein – Sub-Millimeter genau, dutzendfach, individualisiert, in einem einzigen Baujob, per LBPF, basierend auf Multi-Laser-Maschinen. Mit anderen Worten: Falls Sie alternde Turbinenschaufeln reanimieren oder Produkt-Rohlinge in höchster Präzision additiv en gros vollenden wollen: Ohren auf! Mitgründer Simon Feicks erklärt hier die Details. On top: Haben Sie Interesse am Konstruieren? Dann wartet hier ein Bonbon auf Sie – nämlich der kostenlose Newsletter der Fachzeitschrift „Konstruktion“. Interesse? This way: www.ingenieur.de/nl

Ist das der heilige Gral der Produktionstechnik? Eine Maschine, die vollautomatisiert eine Konstruktionsdatei in ein endbearbeitetes Bauteil überführt? Dann hat die toolcraft AG schon eine Hand am Pott! Die Bayern haben nämlich einen 6-Achs-Roboter mit einem Aggregatwechselsystem ausgerüstet. Der Roboter holt sich – je nach Bedarf – eine Laser/Pulver-Auftragsdüse oder eine subtraktiv agierende Spindel aus dem „Bahnhof“ – binnen Sekunden! Und die Spindel holt sich ihrerseits diverse Fräsköpfe oder Bohrer aus einem Magazin. Aber das ist nur der Anfang… Technologievorstand Christoph Hauck erläutert in dieser Folge, wie die Technologie funktioniert – und wie sie erweitert werden kann. Spoileralarm: Auch die Kunststoffverarbeitung ist möglich. Bonbon on top: Wollen Sie regelmäßig Infos zur Additiven Fertigung? Dann schauen Sie doch mal hier: www.vdi-nachrichten.com/lesen. Und hier: www.ingenieur.de/konausgabegratis

Heutzutage genügt eine gewisse Portion Ingenieursgeist und ein wenig Spaß am Konstruieren, um faszinierende Projekte mittels 3D-Druck zu realisieren. Ein perfektes Beispiel dafür liefert Luis Marx. Der Jungingenieur stellt auf seinem Youtube-Kanal „Luisengineering“ Projekte vor, auf welche die Welt gewartet hat – oder auch nicht. In dieser Folge stellt er einige seiner besten Maschinen (und größten Fehlschläge) vor. Vorsicht: Suchtgefahr!

Das Jungunternehmen Quantica kombiniert die Möglichkeiten der Stereolithografie (SLA) mit denen des Material Jettings (MJ). Die Berliner können also fein strukturierte Bauteile aus Hochleistungskunststoffen erstellen – im mehrfarbigen Multimaterialmix. Selbst vor der Nutzung gefüllter Harze schrecken die Hauptstädter nicht zurück: Ihre Drucker verdauen problemlos Metall-, Glas oder Keramik-Partikel. Möglich wird dadurch beispielsweise der additive Aufbau von fotorealistischen Dentalprothesen oder von elektronischen Leiterplatten. Details zur Technologie und zu Nutzungsmöglichkeiten erklärt Quantica-COO Marcel Strobel in dieser Folge.

Auftragsverfahren gibt es in der Additiven Fertigung viele. Einige wurden in diesem Podcast schon intensiv beleuchtet: Laser trifft auf Pulver (Folge 3), Lichtbogen trifft auf Draht (Folge 26), Elektronenstrahl trifft auf Draht (Folge 31) sowie das Kaltgasspritzen (Folge 4). Beinahe erstaunlich ist, dass die Kombination aus Draht und Laser bisher kaum eine Rolle spielt. Dabei hat sie durchaus einige Vorteile zu bieten. So ist das Rohmaterial vergleichsweise günstig und unkompliziert in der Handhabe. Weitere Details erklärt in dieser Folge einer der Pioniere der drahtbasierten Laser Metal Deposition (LMD): Rainer Beccard, Geschäftsführer und Gründer der Herzogenrather Lunovu GmbH.

Damit Maschinen und Werkzeuge fit sind für die Industrie 4.0, müssen sie kontinuierlich Zustands- und Belastungsdaten übermitteln. Dazu braucht es Sensoren mit Sendern. Bislang werden die Sensoren meist manuell auf die zu überwachenden Komponenten aufgebracht, beispielsweise geklebt. Das Problem daran: Die manuelle Applikation ist oft nicht präzise genug – schließlich arbeiten die Sensoren im µm-Bereich, um Vibrationen, Beschleunigungen oder kleinste Verformungen zu registrieren. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT umgehen das Problem, in dem sie das Messgitter der Sensorik auf die Bauteile aufdrucken – oder sogar in die Bauteile eindrucken. Das passiert mittels Material-Jetting. Zum Einsatz kommen dabei spezielle, leitfähige Tinten. Details zu diesem Ansatz erklärt Samuel Moritz Fink, ILT-Gruppenleiter Dünnschichtverfahren, im Podcast „Druckwelle“, Folge 73.

Optische Systeme sind teuer, weil Linsen geschliffen, aufeinander abgestimmt und montiert werden müssen. Die Printoptix GmbH ändert das gerade. Das Stuttgarter Jungunternehmen erzeugt ganze Baugruppen in optischer Qualität in einem Schritt. Nacharbeiten und Montage entfallen. Möglich machen das die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) sowie proprietäres Prozesswissen. In dieser Folge erklärt Geschäftsführer Nils Fahrbach die Details, in verständlichen Worten. Anwendungsfelder der Innovation finden sich in der Laser- und Medizintechnik sowie im Bereich Augmented Reality. Eine Serienfertigung ist bereits realisiert, eine Massenfertigung – etwa für Smartphones – zumindest denkbar.

Der Leichtbau gehört zweifelsohne zu den Megathemen in der Produktionstechnik – schließlich verspricht er Ressourceneffizienz und Energieersparnis. Gerne genutzt werden in diesem Zusammenhang Faserverbundwerkstoffe, also etwa CFK oder GFK. Problematisch dabei: Meist müssen zunächst mit großem Aufwand Formen geschaffen werden, in denen sich Fasern und Matrixmaterial verbinden können. Dass es auch anders geht, beweist die AMC GmbH (Automotive Management Consulting). Die Oberbayern haben die „xFK in 3D“-Technologie entwickelt. Kernidee: Roboter legen vorimprägnierte Fasern im Raum aus. Möglich machen das geschickt positionierte Umlenkkörper, die später aus dem Bauteil entfernt werden können. Ergebnis sind ultraleichte und hochfeste Bauteile. In der Produktion eingesetzt werden neben Kohle- und Glasfasern auch verschiedene Naturfasern – denn Nachhaltigkeit ist für AMC-Chef Rainer Kurek eine Herzensangelegenheit. Details zum Verfahren erklärt er in dieser Folge.

Wer eine klassisch hergestellte – also gefräste – Spritzgießform will, muss regelmäßig rund acht Wochen darauf warten. Deutlich schneller geht es mit einer Technologie, die gerade in Rostock entwickelt wurde. Sie verspricht aber nicht nur eine Zeitersparnis – sondern obendrein bessere Produkte für weniger Geld. Wie das möglich ist? Natürlich per additiver Fertigung! Sie erlaubt die Integration konturnaher Kühlkanäle, also kürzere Zykluszeiten. Beim Drucken setzen sie die Hansestädter aber nicht auf das pulverbettbasierte Laserschmelzen – was teure Anlagen und hochpreisige Materialien voraussetzen würde. Ihre Zauberformel heißt „Composite Extrusion Modeling“. Dabei wird MIM-Granulat (Metal Injection Molding) per Schmelzschichtung in Form gebracht, dann entbindert und abschließend gesintert. Verarbeitet wird das vergleichsweise günstige MIM-Material auf Druckern des Rostocker Jungunternehmens AIM3D. Details zum Verfahren erläutert in dieser Folge Hermann Seitz, Inhaber des Lehrstuhls für Mikrofluidik an der Universität Rostock.

Die Traditions-Konditorei „Café Baumann“, gegründet 1908, setzt auf die additive Fertigung. Ihr Ziel: individualisierte Objekte aus Schokolade. Die süße Köstlichkeit wird bei den Koblenzern allerdings nicht unmittelbar per Schmelzschichtung in Form gebracht – das wäre bei dreistelligen Losgrößen unwirtschaftlich und zu langwierig. Gedruckt wird stattdessen zunächst eine Positivform des Zielobjekts. Diese wird anschließend in einer Vakuum-Tiefziehmaschine zur Negativform umgewandelt. Es wird also eine erwärmte Folie an die Positivform gezogen. Damit dabei alle Feinheiten des Originals im Kunststoff abgebildet werden, müssen winzige Luftkanäle in die Positivform integriert werden. Diese Erfahrung jedenfalls hat der Geschäftsführer der Confiserie, Konditor-Meister Felix Warnecke-Brühl gemacht. Er erläutert in dieser Folge außerdem, wie die Druckdateien entstehen, wie die fertigen Formen gefüllt werden, was die Schokoladen-Objekte kosten, wie man sie ordert, welche Variationen möglich sind und – last but not least – wie sie schmecken.

Der große Vorteil des klassischen, filigranen Metalldrucks im Pulverbett (Selective Lasermelting, SLM) ist die hohe Auflösung und die daraus resultierende Endkonturnähe der Bauteile. Möglich machen das feine Pulverschichten (30 µm bis 50 µm) und winzige Laserspots. Unter diesen Voraussetzungen dauert der Herstellungsprozess allerdings stets sehr lange – und trotzdem müssen die Bauteile regelmäßig nachbearbeitet werden, etwa an Funktionsflächen. Forschende des Laserinstituts der Hochschule Mittweida (LHM) haben sich deshalb überlegt, alles zwei bis drei Nummern größer zu machen: Ihre Pulverpartikel können einen Durchmesser von mehreren Millimetern haben, ihre Laserspur kann auf bis zu 6 mm verbreitert werden. Entsprechend stark muss die Strahlenquelle natürlich sein: Bisher sind 4 kW erprobt, 16 kW sollen es vielleicht werden. Ziel sind Aufbauraten von bis zu 10 kg/h im Stahlbereich – pro Laser. Die Sachsen arbeiten gerade an einem Drucker mit einem 4 m3 großen Bauraum. Was in diesem Giganten entstehen kann, wie die Schutzgasführung gelingt und welche Kosten bei Hardware und Materialien anfallen, erklärt in dieser Folge André Streek, Professor für die lasergestützte additive Fertigung und die Digitalisierung von Laserprozessen.

Pkw-Hersteller und deren Zulieferer stehen unter Zugzwang: Die EU plant einen Grenzwert für Feinstaub-Emissionen aus Bremsabrieb von 7 mg/km. Die tatsächlichen Werte liegen aktuell aber zwischen 10 mg/km und 40 mg/km. Helfen will die HPL Technologies GmbH. Das Aachener Jungunternehmen stellt Bremsscheiben her, die fast gar keinen Feinstaub mehr verursachen. Außerdem rosten die Bauteile angeblich nie. Und sie senken – dank einer Gewichtsreduktion – den CO2-Ausstoß bzw. den Energiebedarf jedes Fahrzeugs. Wie das möglich ist? Mit einem speziellen Schichtsystem, erzeugt per 3D-Druck. Details dazu verraten in dieser Folge die Gründer des Unternehmens: Johannes Henrich Schleifenbaum und Phillip Utsch.

Klingt fast zu gut, um wahr zu sein: Ein komplett CO2-neutrales Polymerpulver für die additive Fertigung!? Das Unternehmen Eos hat es entwickelt! Gewonnen wird es aus Rizinusbohnen. Und die klimaschädliche Konsequenzen von deren Anbau werden durch Investitionen in Umweltprojekte kompensiert. Der Name des Materials: „Eos PA 1101 ClimateNeutral“. Auch im Metallbereich haben die Bayern Innovationen am Start, die den CO2-Fußabdruck der Produktion verkleinern: Ein Beispiel ist die Software-Lösung „SmartFusion“. Sie erlaubt es, deutlich weniger Stützstrukturen drucken zu müssen. Ergebnis: Es wird sowohl Material als auch Energie gespart! Wie das möglich ist, erklärt in dieser Folge die Eos-Regionaldirektorin für die DACH- und Benelux-Region: Tina Schlingmann. Sie gibt außerdem eine Überblick über sonstige Material- und Maschinen-Innovationen des Unternehmens.

Bislang konnte Glas nur 3D-gedruckt werden, wenn am Ende gesintert wurde – bei weit über 1000 °C. Das schränkte die Wahl der möglichen Substrate deutlich ein. Computerchips beispielsweise halten solche Temperaturen nicht aus. Forschende aus Karlsruhe haben nun eine Lösung gefunden, mit der Quarzglasstrukturen bei nur 650 °C entstehen. Möglich macht das ein hybrides organisch-anorganisches Polymerharz, dass mittels Zwei-Photonen-Polymerisation in Form gebracht wird. Mit dem neuen Verfahren können u.a. winzige Sensoren, Linsen oder 3D-Lichtleiterbahnen gebaut werden. Details verrät in dieser Folge Forschungsleiter Jens Bauer vom Institut für Nanotechnologie (INT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).

Die Bundeswehr sieht in den aktuellen Nachrichten oft nicht gut aus: Da ist die Rede von veraltetem Material, mangelnder Motivation, überbordender Bürokratie... In der Praxis ergibt sich ein anderes Bild – zumindest, wenn es um die additive Fertigung geht. Der Moderator dieses Podcasts – Stefan Asche – der nicht an der Waffe, sondern im Behindertenwohnheim gedient hat, durfte mit Kapitänleutnant Sascha Hartig und dem Bundesbeamten Dr. Felix Zimmer darüber reden, was auf See, an Land und in der Luft in Sachen 3D-Druck passiert. Spoiler-Alarm: Das ist weit mehr, als Sie denken… Deshalb: Reinhören!