Der Anbieter für Fabrik- und Prozessautomatisierung Festo verwendet für die Klein-Serienfertigung seiner industriellen Applikationen das Laser-Sinter-Verfahren. Das Unternehmen stand vor der Herausforderung ein bionisches Greiforgan, das Gegenstände sanft, flexibel und dennoch kraftvoll greifen und sicher absetzen kann, herzustellen. Die Umsetzung gelang und 2010 wurde der Bionische Handling-Assistent mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet. Der Automatisierungsspezialist hat seit 1995 Erfahrung in der generativen Fertigung und stellt mit dieser Technologie mittlerweile mehrere tausend Teile jährlich her. Was einst mit Konzeptmodellen und Funktionsprototypen begann, ist inzwischen in der Klein-Serienfertigung angekommen. Dafür war auch das 2006 vom Unternehmen gegründete Bionic Learning Network, ein Verbund mit Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen, ein wichtiger Wegbereiter. Denn Produkte, deren technische Grundprinzipien aus der Natur abgeleitet sind, weisen nicht selten ein komplexes Design auf. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden kann das nicht oder nur schwer und kostspielig umgesetzt werden. Dabei bestimmt das Herstellungsverfahren das Produktdesign, was dadurch oft Einschränkungen erfährt. Die rationell konstruierende Natur hingegen kennt diese Restriktionen nicht. Ihr kann also nur mit einer Technologie nachgeeifert werden, bei der das Design die Produktion bestimmt und die im Idealfall auch in Serie funktioniert.

Fischflossen und Elefantenrüssel

Ein Beispiel für die realisierte Produktentwicklung und Fertigung mittels Laser-Sintern ist der adaptive Greifer DHDG. Er ist mittlerweile fester Bestandteil des Produktprogramms und wird auf einer Formiga P 100 des Unternehmens EOS gefertigt. Seine Struktur ist einer Fischflosse nachempfunden. Diese verfügt über zwei flexible Bänder, die wie ein Dreieck in der Spitze zusammenlaufen. In regelmäßigen Abständen werden Zwischenstege über Gelenke mit den Bändern verbunden. Durch diesen flexiblen, zugleich aber festen Verbund passen sich die Greiffinger der Kontur des Werkstücks an. Auch empfindliche Objekte oder Objekte mit voneinander abweichenden Konturen werden festgehalten und transportiert. Das Besondere daran ist, dass die Greifelemente diese Funktionalität bereits direkt nach der Herstellung aufweisen und nicht erst nach aufwändiger Montage. Laser-Sintern ist damit die alternativlose Fertigungsvoraussetzung für dieses Design und diese spezielle Anwendung.

Ein zweites Beispiel ist der Bionische Handling-Assistent. Das bewegliche Assistenzsystem nach dem Vorbild eines Elefantenrüssels besteht aus drei Grundelementen zur räumlichen Bewegung sowie einer Handachse und einem Greifer mit adaptiven Fingern. „Der Hightech-Arm wäre aufgrund seiner Funktionalität sowie des Aufbaus aus komplexen Kunststoff-Teilen ohne Laser-Sintern nicht realisierbar gewesen“, sagt Klaus Müller-Lohmeier, Leiter Advanced Prototyping Technology bei Festo. Schon vier Bauprozesse auf der Sinter-Maschine reichen aus um einen kompletten Handlings-Assistent zu fertigen.

Laser-Sintern reduziert Aufwand

Das Verfahren ermöglicht von Beginn an das Fertigen von mehreren Funktionen, die das Endprodukt später zu erfüllen hat. Das ist von Vorteil, weil sich so die Anzahl an Einzelteilen verringert und ein nachträglicher Montageaufwand reduziert wird. „Das Laser-Sinter-Verfahren gibt uns die gestalterische Freiheit bewegliche, flexible, aber auch gezielt steife Formen herzustellen – gerade so, wie sie in der Natur vorkommen. Unsere Konstrukteure sind nicht wie bei herkömmlichen Fertigungstechnologien beschränkt und können sich auf das Umsetzen des analysierten natürlichen Prinzips konzentrieren“, fügt Müller-Lohmeier an.

So ist beispielsweise der adaptive Greifer DHDG ökonomisch, weil er im Vergleich zu den herkömmlichen Greifern aus Metall rund 80 Prozent leichter ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Greifelemente mehr als 5 Millionen Biegewechsel standhalten.

Generativ Fertigen heißt immer auch werkzeuglos produzieren. „Wie kosteneffizient das sein kann, zeigt ein Kundenprojekt, bei dem wir 12.000 Bauteile mittels Laser-Sintern als Alternativ-Technologie hergestellt haben: Die werkzeuglose Fertigung sparte 40 Prozent der Stückkosten im Vergleich zum Spritzguss. Alle Teile waren in nur vier Bauaufträgen innerhalb einer Woche produziert. Die konventionelle Fertigung hätte zwei Monate gedauert.“ erklärt Müller-Lohmeier. Folgekosten für Hilfsmittel und Vorrichtungen entfallen. So kann Festo seine Produkte schnell am Markt einführen.

Der Hightech-Roboterarm ist ein Beispiel für die Umsetzung einer weitgehend digitalen Prozesskette im Bereich der industriellen Fertigung. Müller-Lohmeier fügt hinzu: „Gegenwärtig nutzen wir das Laser-Sintern zusätzlich vermehrt für Projekte, bei denen jährlich nur begrenzte Stückzahlen eines komplexen Teils benötigt werden. In diesen Fällen ist es für uns eine echte Alternative zu bestehenden, oft werkzeuggebundenen, Verfahren.

 

Neue Technologien

Laser-Sintern

Mit dem Verfahren lassen sich räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herstellen. Das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, zum Beispiel Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen. Grundvoraussetzung ist, dass die Geometriedaten des Produktes dreidimensional vorliegen und als Schichtdaten verarbeitet sind. Beim Herstellen von Gießformen muss zuerst aus den Geometriedaten ein Gussmodell hergestellt werden, das unter aanderem das Schwinden des abkühlenden Metalles und andere gießereitechnische Anforderungen berücksichtigt. Aus den vorliegenden CAD-Daten des Bauteils (üblicherweise im STL-Format) erzeugt man durch sogenanntes „Slicen“ zahlreiche Schichten.

 

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Nikolai Zaepernick