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Innovationspreis 2011 des Landes Nordrhein-Westfahlen für Generative Verfahren des Fraunhofer ILT

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Die Gruppe des Fraunhofer ILT treibt seit über 20 Jahren die Generativen Fertigungsverfahren, die für eine energie- und ressourceneffiziente Produktion stehen, voran. In diesem Bereich haben die Laserexperten für verschiedene Werkstoffe und verschiedene Anwendungen Laserverfahren systematisch weiterentwickelt und zur industriellen Reife geführt.

Beim Selective Laser Melting SLM, das am Fraunhofer ILT von Anfang an entwickelt wurde, ist die Gruppe weltweit führend. Mit dem SLM können maßgeschneiderte Bauteile wie Implantate oder Funktionsteile für den Werkzeugbau in kleinen Stückzahlen just-in-time und wirtschaftlich in kürzester Zeit auf der Basis von 3D-Computerdatensätzen gefertigt werden. In der industriellen Fertigung werden somit zukünftig ganz neue Geschäftsmodelle wie Mass Customization, Open-Innovation oder Co-Creation, bei denen der Endkunde sein gewünschtes Produkt weitgehend selbst oder mitgestalten kann, Einzug halten.

Das Expertenteam des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University haben die Generative Fertigung in den vergangenen 20 Jahren von einer Nischenanwendung im Bereich Rapid Prototyping zu einer Technologie entwickelt, die die industrielle Produktion in den kommenden Jahren maßgeblich beeinflussen wird. Diese Einstellung treibt Prof. Dr. Reinhart Poprawe voran: »Die Herstellung von Ersatzteilen für einen alt eingesessenen Hydraulikkomponenten-Hersteller wird in wenigen Jahren ganz anders aussehen. Nicht mehr das Vorhalten von Ersatzteilen in mehreren Hundert Varianten steht im Vordergrund, sondern vielmehr die Verfügbarkeit der 3D-CAD-Daten aller in der Vergangenheit hergestellten Bauteile. Im Bedarfsfall werden diese Teile mit dem Selective Laser Melting Verfahren einfach hergestellt und an den Kunden versandt.«

Durch den schichtweisen Aufbau von Bauteilen ergeben sich hinsichtlich Geometriefreiheit und Funktionsintegration vollkommen neue Möglichkeiten in der Produktentwicklung individueller Bauteile. 3D-CAD Daten lassen sich direkt in ein physisches Bauteil umsetzen. Akad. Oberrat Dr. Ingomar Kelbassa, stellvertretender Leiter des mit dem Fraunhofer ILT eng verbundenen Lehrstuhls für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen und Abteilungsleiter am Fraunhofer ILT, sieht die einmaligen Chancen für Produktentwickler: »Der Designer kann nahezu frei von Fertigungsrestriktionen Produkte entwickeln und wird dabei im Wesentlichen nur durch seine Vorstellungskraft begrenzt. Den Rest erledigt unser 3D-Printing Verfahren.« Während vor 20 Jahren die Herstellung von Designmustern aus Kunststoff oder Papier schon möglich war, konnten metallische Bauteile in dieser Art gar nicht erst hergestellt werden.

Erst die Entwicklung des SLM am Fraunhofer ILT in Aachen erweiterte den Horizont für das Rapid Prototyping. »Innerhalb eines Tages konnten nun Designer und Produktmanager ein Anschauungsmuster oder gar ein Funktionsmuster aus Metall nur auf der Basis der Konstruktionsdaten erzeugen. Dies dauerte vorher – beispielsweise bei einem neuen Werkzeugeinsatz - mehrere Tage oder gar Wochen«, so Dr. Wilhelm Meiners, Leiter der Gruppe Rapid Manufacturing am Fraunhofer ILT. Sein Team entwickelte das Selective Laser Melting von metallischen Werkstoffen. Mit seinen Kollegen meldete er das Verfahren 1996 als Patent an. Dieses stand am Anfang einer ganzen Patentfamilie. »Nun folgt aber der nächste Schritt für die generativen Fertigungsverfahren«, ist sich Dr. Wilhelm Meiners sicher »vom Nischeneinsatz des Rapid Prototyping hin zum Rapid Manufacturing, also der schnellen Herstellung individualisierter Produkte in kurzer Zeit in beliebigen Stückzahlen. Und das alles zu vertretbaren Kosten.« Der Einsatz der generativen Verfahren hält Einzug in den Produktionshallen. Dr. Konrad Wissenbach, Leiter des Kompetenzfeldes »Generative Verfahren und funktionale Schichten« am Fraunhofer ILT liefert hierzu das schlagende Argument: »Bedingt durch die schichtweise Aufbautechnik sind die Fertigungskosten bei Generativen Fertigungsverfahren nahezu unabhängig von der gewünschten geometrischen Komplexität eines Bauteils. Ob Hinterschnitte, innen liegende Kühlkanäle, komplexe Stützkonstruktionen - die generativen Fertigungsverfahren benötigen hierfür im Gegensatz zu den abtragenden Verfahren keinen zusätzlichen Aufwand wie beispielsweise teure Werkzeuganpassungen.«

Neben dem SLM, das die Aachener Laserexperten von Beginn an entwickelt haben, treibt das Team am Fraunhofer ILT auch das Laserauftragschweißen zur Instandsetzung, Modifikation und Neuteilfertigung konsequent voran. Hauptanwendungen sind zurzeit die Instandsetzung von Flugzeugtriebwerkskomponenten oder Werkzeugen für verschiedene Branchen. »Während beim SLM das Bauteil aus einem Pulverbett heraus, schichtweise durch gezielte Laserbestrahlung jener Stellen, die später als festes Material übrig bleiben sollen, erzeugt wird, entstehen Bauteile beim Laserauftragschweißen durch einen Pulverstrahl aus einer Düse, der punktuell mit einem Laserstrahl aufgeschweißt wird.« erläutert Dr. Andres Gasser, der die Gruppe »Laserauftragschweißen« am Fraunhofer ILT leitet. »Mit SLM lassen sich sehr filigrane und komplexe Bauteile generieren. Während das Laserauftragschweißen besonders für die Herstellung großer Bauteile oder für die Instandsetzung geeignet ist.«

Im über 10 Mio. Euro schweren Fraunhofer-Innovationscluster »TurPro«, in dem führende Unternehmen des Flugzeugbaus und der Energietechnik neben den Aachener Fraunhofer-Instituten für Lasertechnik ILT und für Produktionstechnologie IPT mitwirken, werden kostenintensive Bauteile, beispielsweise sogenannte »Blade Integrated Disks« – auch kurz BLISK genannt - aus Nickelbasislegierungen, generiert. »Das Laserauftragschweißen zeichnet sich als einzigartiges Verfahren zur Instandsetzung und Fertigung von BLISK´s in puncto Präzision und Flexibilität aus«, ist sich Dr. Andres Gasser sicher. Die Kernkompetenzen des Fraunhofer ILT liegen nicht nur in der Verfahrensentwicklung sondern auch in der Systemtechnik. Spezielle Pulverdüsen und Optikköpfe zur effizienten Bearbeitung der Bauteile, Prozesskontrolleinheiten zur qualitätsoptimierten Steuerung der Prozesse und Anlagenkonzepte mit optimierten Bearbeitungsprozessen zählen zu den Leistungen, die die industriellen Partner des Fraunhofer ILT abrufen. Im Rahmen des Aachener Exzellenzclusters »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer« erforscht darüber hinaus Prof. Poprawe gemeinsam mit einem interdisziplinären Team aus Ingenieuren, Materialwissenschaftlern, Physikern und Wirtschaftswissenschaftlern industrielle Produktionssysteme für die individualisierte Produktion der Zukunft.

Die generativen Fertigungsverfahren, ob Selective Laser Melting SLM oder auch das Laserauftragschweißen LMD eröffnen der Industrie ganz neue Geschäftsmodelle wie Mass Customization, Open-Innovation oder Co-Creation, bei denen der Endkunde sein gewünschtes Produkt weitgehend selbst oder mitgestalten kann. Dabei ist die große Materialvielfalt ausschlaggebend dafür, dass unterschiedliche Branchen aus der neuen Technologie Nutzen ziehen. Bereits im Jahr 1996 konnte das Team um Prof. Poprawe erstmalig den generativen Aufbau von metallischen Bauteilen im Labor zeigen. Die bahnbrechende Neuerung bestand damals in der Nutzung von handelsüblichen Pulverwerkstoffen und dem vollständigen Aufschmelzen der Pulverpartikel mit dem Laserstrahl. Daher der von den Aachener Wissenschaftlern geprägte Name »Selective Laser Melting SLM«. Mit dem Verfahren konnte eine Bauteildichte von nahezu 100 Prozent erreicht werden. Aufgrund dieser Merkmale entsprechen die mechanischen Kennwerte der SLM-Bauteile weitgehend den Spezifikationen des verwendeten Serienwerkstoffes. Inzwischen wird das SLM unter teilweise anderen, firmenspezifischen Markennamen angeboten. Die Materialauswahl hat sich im Laufe der Jahre erweitert und reicht von Edel- und Werkzeugstahl über Aluminium und Kupfer bis hin zu Keramik und bioresorbierbaren Werkstoffen in der Medizin. Die Meilensteine, die mit dieser Vielfalt am Fraunhofer ILT erzeugt wurden, sprechen für sich:

• Die industrielle Anwendung von Generativen Fertigungsverfahren im Werkzeug- und Formenbau und die Realisierung von konturnahen Kühlkanälen. Die dadurch verbesserte Werkzeugtemperierung verringert signifikant die Zykluszeiten beim Kunststoff-Spritzguss und erhöht die Teilequalität. (2001)

• Die Herstellung von metallischen Dentalrestaurationen mit Generativen Fertigungsverfahren. Erstmalige Realisierung eines Mass Customization Konzeptes mit metallischen Bauteilen aus Generativer Fertigung. (2002)

• Die Qualifizierung von Aluminium Serienbauteilen im Fahrzeugbau. (2006)

• Die im Patienten implantierte, generativ gefertigte Hüftpfanne. (2008)

• Der Einsatz von bioresorbierbaren Werkstoffen für generativ gefertigte Knochenimplantate. (2009)

• Die Realisierung einer Brücke aus Vollkeramik im Dentalbereich mit Generativen Fertigungsverfahren. (2010)

Mit der Steigerung der Fertigungsgeschwindigkeit bei Generativen Fertigungsverfahren um den Faktor 10 gegenüber den ersten Verfahrensvarianten eröffnen sich nun weitere völlig neue Anwendungsfelder. Diese deutliche Effizienzsteigerung ermöglicht die Nutzung von Generativen Fertigungsverfahren zur Realisierung von funktional optimierten Strukturbauteilen beispielsweise im Automobilbau sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik. Die Anwender versprechen sich davon vor allem eine deutliche Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz während des gesamten Lebenszyklus eines Produktes.

Ansprechpartner im Fraunhofer ILT und am Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen University:

Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:

Dr. Wilhelm Meiners
Leiter der Gruppe »Rapid Manufacturing« am Fraunhofer ILT
Tel. +49 241 8906-301
wilhelm.meiners@ilt.fraunhofer.de

Dr. Andres Gasser
Leiter der Gruppe »Laserauftragschweißen«
am Fraunhofer ILT
Tel. +49 241 8906-209
andres.gasser@ilt.fraunhofer.de

Dr. Konrad Wissenbach
Leiter des Kompetenzfeldes »Generative Verfahren und funktionale Schichten« am Fraunhofer ILT
Tel. +49 241 8906-147
konrad.wissenbach@ilt.fraunhofer.de

Akad. Oberrat Dr. Ingomar Kelbassa
Stellvertretender Leiter des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT
der RWTH Aachen University
Leiter der Gruppe »Generative Verfahren« am Fraunhofer ILT
Tel. +49 241 8906-143
ingomar.kelbassa@ilt.fraunhofer.de

Prof. Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.
Leiter des Fraunhofer ILT und Inhaber des Lehrstuhls für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen Universtity
Tel. +49 241 8906-109
reinhart.poprawe@ilt.fraunhofer.de

Die Portraitbilder der Ansprechpartner finden Sie zum Herunterladen unter: http://www.ilt.fraunhofer.de/de/publikationen-und-presse/pressemitteilungen.html

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel. +49 241 8906-0
Fax. +49 241 8906-121

Axel Bauer | Quelle: Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen: www.ilt.fraunhofer.de

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