Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU ist kompetenter Partner für anwendungsorientierte Forschung im Automobil- und Maschinenbau an den Standorten Chemnitz, Dresden, Zittau unter dem Leitthema „Ressourceneffiziente Produktion“. Die Kernkompetenzen des Instituts in der Werkzeugmaschinenentwicklung, der Umform- und Zerspanungstechnik, der Mechatronik, dem Funktionsleichtbau sowie der Systemtechnologie werden durch den Einsatz generativer Fertigungs-verfahren ergänzt und unterstützt. Dabei steht moderne Anlagentechnik für den „3D-Druck“ von Metallen und Kunststoffen zur Verfügung.
Die Fertigung metallischer Komponenten mit Hilfe des Laserstrahlschmelzverfahrens ermöglicht es dem Fraunhofer IWU, seinen Industriepartnern neue Wege in der Entwicklung und Fertigung innovativer Bauteile aufzuzeigen. Das Laserstrahlschmelzen gehört zur Gruppe der generativen Fertigungsverfahren. Die Bauteile werden direkt auf Basis von 3D-CAD-Daten aus pulverförmigen Serienwerkstoffen wie zum Beispiel Edel- oder Warmarbeitsstahl, Aluminium, Titan, Kobalt-Chrom oder Nickel-Basis-Legierungen schichtweise aufgebaut („generiert“). Das Pulver wird dabei durch einen Laser lokal vollständig aufgeschmolzen und erhält nach der Erstarrung ein zu 99,5 bis 100 Prozent dichtes Gefüge (s. Abb. 1).
Aufgrund des schichtweisen, werkzeuglosen Aufbaus der Bauteile bietet dieses Verfahren eine nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheit und ermöglicht dadurch die Fertigung beliebig komplexer Geometrien und Strukturen aus metallischen Werkstoffen. Die Anwendungen des Laserstrahlschmelzens reichen von der Herstellung von Ur- und Umformwerkzeugen mit konturnahen Kühlkanälen über die Fertigung hochkomplexer und -beanspruchter Komponenten in Kleinserie oder als Prototyp bis hin zur Fertigung patientenspezifischer Implantate. Entwicklungsseitig sind kunststoffverarbeitende generative Fertigungsverfahren aber deutlich weiter ausgereizt als metallverarbeitende Verfahren. Moderne Konstruktionsmethoden wie die Topologieoptimierung erlauben neben verbesserter Funktionalität der Bauteile eine signifikante Gewichtsreduzierung und Ressourceneffizienz im Fertigungsprozess. Partielle Gitterstrukturen in Bauteilen ermöglichen Lösungen mit lokal unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften bei hohen Anforderungen an den Leichtbau auch bei zukünftigen Gusswerkzeugen.
Wissenschaftliche Studien renommierter Wirtschaftsberatungsunternehmen zeigen ein stetiges Wachstum für den 3D-Druck von Metallen in den Branchen Konsumgüterproduktion, Automotive, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt und insbesondere auch dem branchenübergreifenden Werkzeugbau bei sinkenden Stückkosten in den nächsten Jahren. Die Forschungsschwerpunkte des Fraunhofer IWU reflektieren diese Entwicklung. Im Werkzeugbau steht die Entwicklung und Auslegung innovativer, konturnaher Werkzeugtemperiersysteme für Anwendungen im Spritzguss, Druckguss, Schmieden und der Warmumformung von Blechen im Vordergrund. Ziel ist dabei auch die Integration weiterer Zusatzfunktionen in Werkzeuge und Formen wie Aktorik und Sensorik und die gezielte Medienzuführung an Funktionsflächen wie z.B. die Schmierung bei der Blechumformung. Mit den gefundenen Lösungen stehen zum Beispiel im Druckguss neuartige Möglichkeiten zur Verfügung, technologisch bedingte Problemstellen wie lokale Porositäten in Gussteilen zu reduzieren (s. Abb. 2).
Im Bereich der Medizintechnik stehen patientenindividualisierte und funktionalisierte Implantate im Mittelpunkt der Forschung. Auch hier erfolgt die Integration innovativer Funktionen mit den Möglichkeiten des 3D-Drucks.
Der Ausgangspunkt der Technologie lag im „Rapid Prototyping“ von Komponenten. Diese Stufe hat die Technologie längst verlassen und heute erfolgt auf dem Gebiet der Komponentenfertigung die zielstrebige Umsetzung von „Rapid Manufacuring“ mit der Fertigung von Bauteilen im metallischen Serienwerkstoff und der Fertigung für den Serieneinsatz. Innovative Produkte wie miniaturisierte Wärmetauscher lassen sich ausschließlich mittels 3D-Druck fertigen (s. Abb. 3). In der nahen Zukunft wird diese Technologie den Ersatzteil-Prozess in wichtigen Branchen des Maschinenbaus, der Automobilindustrie und der Luftfahrt revolutionieren und die Kosten für Lagermanagement signifikant senken.
Innovationsschübe, auch hinsichtlich Produktivitätssteigerung und Kostensenkung, sind für die Metallverfahren als ergänzende Technologie bei der Herstellung von Gussteilen in den nächsten Jahren zu erwarten, auch dank der engen Forschungszusammenarbeit in Gremien wie dem Netzwerk Strahlschmelzen und der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung.
Das Netzwerk Strahlschmelzen bündelt auf einzigartige Weise Know-how zur Strahlschmelztechnologie und deckt dabei die gesamte Prozesskette von der Pulverherstellung, Anlagenentwicklung und -herstellung, Technologieentwicklung und Prozessoptimierung bis hin zur Anwendung des Verfahrens in mehreren Schlüsselbranchen (Werkzeugbau, Automobilbau, Landtechnik) ab. Ziel des Netzwerks ist es, im Verbund KMU-Großunternehmen-Forschungseinrichtungen die Strahlschmelztechnologie einschließlich peripherer Prozesse weiterzuentwickeln und neue Anwendungsfelder für strahlgeschmolzene Komponenten zu erschließen. In diesem Zusammenhang steht die Bearbeitung von F&E-Projekten im Mittelpunkt der Netzwerkarbeit.
Die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung integriert deutschlandweit fünfzehn Fraunhofer-Institute, die sich – fokussiert auf unterschiedliche Schwerpunkte – mit der Thematik der generativen Fertigung befassen und bildet damit die gesamte Bandbreite des 3D-Drucks hinsichtlich Werkstoffen, Verfahren und Anwendungen ab. Im Zweijahresrhythmus lädt die Allianz zum eigenen Fachkongress, der Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference DDMC ein. Der nächste Kongress findet am 14. und 15. März 2018 in Berlin statt.
Prozessdarstellung Laserstrahlschmelzen
Konturnahe Kühlung eines Druckgießwerkzeugeinsatzes (links), laserstrahlgeschmolzener Einsatz mit konturnaher Kühlung im Druckgießwerkzeug
3D-CAD-Ansicht eines hochleistungsfähigen Miniatur-Wärmetauschers
laserstrahlgeschmolzener Miniaturwärmetauscher