Um die Prozesskomponenten besser aufeinander abzustimmen und die Prozesse flexibler zu gestalten, besteht die Anlage aus Handling-Modulen und Bau- beziehungsweise Prozess-Modulen. (Bildquelle: Concept Laser)

Um die Prozesskomponenten besser aufeinander abzustimmen und die Prozesse flexibler zu gestalten, besteht die Anlage aus Handling-Modulen und Bau- beziehungsweise Prozess-Modulen.
(Bildquelle: Concept Laser)

Die bisherigen Lösungen in der Maschinen- und Anlagentechnik zur Additiven Fertigung am Markt setzen bislang unisono auf mehr Laserquellen und Laserleistung, schnellere Aufbaugeschwindigkeiten oder größere Bauräume. Dabei war die Anlage eine Stand-Alone-Lösung, die sich nicht in das Produktionsumfeld integrierte. Das Vorbereiten und Ausführen von Bauaufträgen liefen sequenziell ab. Concept Laser, Lichtenfels, Hersteller von Lasersinter-Geräten, versucht nun mit einer neuen Anlagenarchitektur die meist quantitativen Ansätze durch qualitative Aspekte zu erweitern. Die Zielsetzungen sind unter anderem höhere Aufbauraten und Ausbringungsmengen, kürzere Baujobs und Rüstzeiten sowie große Bauräume und ein höheres Qualitätsniveau der Bauteile. Ende 2016 will das Unternehmen die Geräte unter dem Schlagwort „AM Factory of Tomorrow“ auf den Markt bringen. Dr. Florian Bechmann, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Concept Laser, erläutert den Grundsatz: „Im Kern geht es um eine Aufspaltung von Bauauftragsvor-/Bauauftragsnachbereitung und additiver Fertigung in beliebig kombinierbaren Modulen.“ Mit vergleichsweise großen Bauräumen lassen sich dadurch Aufträge zeitversetzt durchführen. Das soll die Totzeiten bisheriger Stand-Alone-Anlagen reduzieren, was die Wertschöpfung der Prozesskette erhöht. „Im Gegensatz zu rein quantitativen Ansätzen bisheriger Anlagenkonzepte, sehen wir hier einen grundsätzlich neuen Ansatz, um die industrielle Serienfertigung einen Schritt nach vorne zu bringen“, fügt Bechmann hinzu. Denn aktuell entstehen rund um den Globus regionale 3D-Druckzentren als Dienstleister.

Die 3D-Druck-Fabrik der Zukunft soll ein flexibel erweiterbares, automatisiertes und zentral steuerbares Meta-Produktionssystem sein, welches sich an den Produktionsaufgaben ausrichtet. (Bildquelle: Concept Laser)

Die 3D-Druck-Fabrik der Zukunft soll ein flexibel erweiterbares, automatisiertes und zentral steuerbares Meta-Produktionssystem sein, welches sich an den Produktionsaufgaben ausrichtet.
(Bildquelle: Concept Laser)

Vorproduktion, Produktion und Nachbearbeitung entkoppeln

Die Eckpunkte der Anlagenarchitektur betreffen im Wesentlichen die Vorproduktion, Produktion und Nachbearbeitung. Dies beinhaltet unter anderem eine flexible Maschinenbeschickung sowie eine räumliche Trennung der Auf- und Abrüstvorgänge. Das Ziel dabei war, die Prozesskomponenten durch Schnittstellen besser aufeinander abzustimmen und die Prozesse flexibler zu gestalten. Möglich wird dies durch einen modularen Aufbau von Handling-Modulen und Bau- beziehungsweise Prozess-Modulen. Das vereinfacht es auch, die Materialvielfalt durch gezieltes Kombinieren dieser Module besser und letztendlich wirtschaftlicher zu handhaben. So kann der Anwender zukünftig mithilfe der Module die Anlage genau auf die Bauteilgeometrie und den Werkstoff abstimmen. Alles in allem steigen dadurch die Verfügbarkeit und Effizienz. Gleichzeitig sinkt der Flächenbedarf – laut Simulationen verschiedener Produktionsszenarien – um bis zu 85 Prozent. Darüber hinaus steigt die Laserleistung/m2 Produktionsfläche um das Siebenfache. Bechmann erläutert: „Die Aufbaugeschwindigkeiten und die Bauraumgrößen haben deutlich zugenommen. Nun wollen wir durch ein integriertes Anlagenkonzept die Möglichkeiten aufzeigen, wie die Ansätze der Industrie 4.0 das Additive Manufacturing als Fertigungsstrategie der Zukunft verändern können.“ Dadurch verspricht er sich eine höhere Wertschöpfung und dass additive Fertigungsverfahren serientauglich werden.

Der Anwender kann zukünftig mithilfe der Module die Anlage genau auf die Bauteilgeometrie und das Material abstimmen. Dadurch steigen die Verfügbarkeit und Effizienz. (Bildquelle: Concept Laser)

Der Anwender kann zukünftig mithilfe der Module die Anlage genau auf die Bauteilgeometrie und das Material abstimmen. Dadurch steigen die Verfügbarkeit und Effizienz.
(Bildquelle: Concept Laser)

Das Prozessmodul

Das Prozessmodul verfügt über einen Bauraum von 400 x 400 x >400 mm. Die Laserquellen, das Prozessgas-Management und die Filtertechnik sind im Modul integriert, die Schichtstärken liegen zwischen 15 und 150 μm. Zudem verfügt die Anlage über einen variablen Fokusdurchmesser und ist mit 1-, 2- oder 4-Laser-Optiken mit Laserleistungen zwischen 400 und 1.000 W erhältlich. Die Variante mit vier Lasern hat den Vorteil, dass der Bauauftrag auch dann fertiggestellt werden kann, wenn ein Laser ausfällt. Die verbleibenden drei Laser decken immer noch die gesamte Bauplatte ab. Bechmann wendet allerdings bezüglich der Fertigungsgeschwindigkeit ein: „Immer mehr Laserquellen erhöhen nur bedingt die zu erwartenden Geschwindigkeiten. Sie erhöhen aber letztlich die Komplexität und Abhängigkeiten, was zu Anfälligkeit führen kann, und somit den gewünschten positiven Effekt ins Negative umschlagen lässt.“

Das Handlingmodul

Das Handlingmodul besteht aus einer Siebstation und dem Pulver-Management. Dies ersetzt einen Container für den Transport zwischen Maschine und Siebstation. Entpacken, Vorbereitungen für den nächsten Bauauftrag sowie das Sieben finden somit in einem geschlossenen System statt, ohne dass der Bediener in Kontakt mit dem Pulver gerät. Der Reiz einer modularen Handling-Station liegt aber auch in den spezifischen Konfigurationen: Sie lässt sich mit zwei Prozessmodulen zu einer Fertigungszelle verbinden. Außerdem ist es möglich, mehrere Handlingmodule zu einer Materialaufbereitungsanlage an einer zentralen Position zusammenzufassen und damit räumlich von Produktionsstationen zu trennen.

„Zukünftig“, fasst Bechmann zusammen, „denken wir an weitgehend automatisierte Additive-Manufacturing-Fabriken. Den Transport von Material oder ganzen Modulen kann man sich mit fahrerlosen Transportsystemen vorstellen. Das könnte dann der nächste Schritt der Weiterentwicklung sein. Die AM-Fertigung wäre dann vollständig automatisiert.“

Schnellerer Schichtaufbau durch zwei Achsen

Das Anlagenkonzept verfügt über ein Zweiachsen-Beschichtungssystem, welches es ermöglicht, den Beschichter parallel zur Belichtung zurückzufahren. Dies verkürzt den Prozess. Zudem lassen sich die Beschichterklingen, wahlweise aus Gummi, Stahl oder Carbon, während des Bauauftrags auswechseln. Dies führt zu mehreren Vorteilen, so Bechmann: „Ein automatisiertes Werkzeugwechselsystem, wie in der CNC-Maschinentechnik, verspricht hohe Flexibilität, Zeitvorteile beim Rüsten der Maschine und reduziert den manuellen Eingriff des Bedieners. Wir sprechen hier bewusst von einer robusten Produktion.“

Über den Autor

Guido Radig

ist Inhaber des Redaktionsbüros Provvido in Bergkirchen.