In den Frankfurter Messehallen wird die Fachmesse für Werkzeug- und Formenbau, Design und Produktentwicklung, Euromold vom 25. bis 28. November 2014 wieder zahlreiche Besucher aus den wichtigsten Industriebereichen die gesamte Prozesskette industrieller Produktion auftischen. Erwartet werden 1.000 Aussteller aus etwa 32 Ländern und cirka 50.000 internationale Besucher. In diesem Jahr wurde ein neues Hallenkonzept ausgearbeitet, welches den Besuchern Kooperationsmöglichkeiten, Innovationen und Zukunftsperspektiven der gesamten Prozesskette noch deutlicher vor Augen führen soll.

Die neue Struktur der Messehallen 8.0, 9.0 und 11.0 soll die Synergieeffekte und die zukünftigen Möglichkeiten der Bereiche Werkzeug- und Formenbau und additive Fertigung auch räumlich widerspiegeln. Die Messehalle 8.0 bildet dann das Herzstück Messe. Sie wird durch die Sonderschau „Additive Fertigung und Werkzeugbau“ Beispiele der lohnenden Zusammenarbeit beider Branchen aufzeigen. Dies wird in gleicher Weise der Themenpark „Stark im Formenbau mit additiver Fertigung“ anschaulich thematisieren. Darüber hinaus werden der Thermoform-Bereich und die Themenforen „Werkstoffe“ und „Leichtbau“ in Halle 8.0 ihren Platz finden.

Abgerundet wird das Angebot durch das Design & Engineering Forum zusammen mit dem CAE-Forum, welches neueste Technologien des rechnergestützen Design- und Engineeringbereiches zum Thema hat. Die Messehalle 9.0 wird ganz im Zeichen der asiatischen Aussteller, unter anderem aus dem Bereich Werkzeug- und Formenbau, stehen. In Halle 11.0 liegt der Fokus auf additiven Fertigungsverfahren, Rapid Prototyping/Rapid Tooling sowie 3D-Druck. Ein besonderes Highlight wird die 3D-School sein, die Schülern die Möglichkeiten des 3D-Drucks vorführt. „Mit der neuen Aufteilung der Messehallen werden wir den Wünschen von Ausstellern und Besuchern gerecht“, so Messeleiter Dr.-Ing. Eberhard Döring. „Darüber hinaus ist dieses Jahr auch der starke Trend zu Gemeinschaftsständen eine erfreuliche Entwicklung. Eine Vielzahl von Verbänden, Ländern, Regionen und Forschungsinstituten präsentieren sich zusammen.“

Weiterentwicklungsschritte notwendig

Das Forum „Generative Fertigung und Werkzeugbau“ in Halle 8.0 soll aufzeigen, welche Potenziale entstehen, wenn neue Technologien intelligent in die bestehende Prozesskette integriert werden. Gerade die Vorteile generativer Fertigungsverfahren bei den immer komplexeren Aufgabenstellungen im Werkzeugbau, können hilfreich sein. Die Wirtschaftlichkeit additiv hergestellter Bauteile steigt mit der Komplexität ihrer Geometrie, die Form folgt hier der Funktion. Aktuell bewegt sich das weltweite Marktvolumen von Maschinen, Produkten und Dienstleistungen generativer Fertigung in etwa bei 1,3 Mrd. EUR.

Konservative Schätzungen rechnen mit einem Marktvolumen von 2,8 Mrd. EUR in 2015 und 5 Mrd. in 2019. Basierend auf der aktuellen Marktdurchdringung von nur ein bis acht Prozent lässt sich ein Gesamt-Marktpotenzial von bis zu 130 Mrd. EUR ableiten. Wie schnell dies voran gehen kann, hängt zum einen davon ab, wie schnell die notwendigen Weiterentwicklungsschritte hin zu einer deutlichen Kostensenkung und Verbesserung der Reproduzierbarkeit vonstattengehen. Zum anderen muss um die Vorteile wirksam in den Produktentwicklungsprozess einfließen lassen zu können, bei den Produktentwicklern und Konstrukteuren in der Industrie ein fundiertes Wissen über generative Fertigungsverfahren geschaffen werden.

Bereits seit einigen Jahren gibt es erste generativ gefertigte Serienprodukte wie zum Beispiel ein Patienten-individuell gefertigtes In-Ohr-Hörgerät-Gehäuse oder Luftführungs-Systeme in Flugzeugen, die mittels Lasersintern aus Polyamid gefertigt wurden. Neben diesen Kunststoffprodukten gibt es auch bereits generative Serienfertigung metallischer Produkte, zum Beispiel Zahnersatzteile wie Kronen und Käppchen oder spezielle Hüftpfannen-Implantate. Außerdem wird beispielsweise die Kraftstoff-Einspritzdüse für das neue LEAP-Triebwerk von GE Aviation generativ als integrales Komplexteil gefertigt. Vorher war dies eine zwanzigteilige Baugruppe mit 19 Lötoperationen. Das integrale Komplexteil ist nun 25 Prozent leichter und fünfmal langlebiger.

Während es schwierig ist, großangelegte Serienanwendung mittels generativer Fertigungsverfahren vorherzusagen, kann man jedoch einige Fakten nennen. Vorerst sind noch relativ niedrige Produktions-Stückzahlen (bis zu Stückzahl eins) möglich. Aber komplexe Formen und geometrische Elemente können realisiert und mehrere Einzelteile in ein Komplexteil integriert werden. Integration zusätzlicher Funktionen und Mehrwerte in die Bauteile. Gewichtsreduzierung der Bauteile durch einen Topologieoptimierung. Zudem ist ein bionisches Design oder die Integration belastungsoptimierter Regelgitter-Strukturen möglich. Und man kann auf Werkzeuge und Formen verzichten, was wiederum Kosten spart. Ebenso Fügeoperationen und eine aufwändige Lagerhaltung.

Erfolgversprechende Anwendungen

Zwei besonders aussichtsreiche Anwendungsgebiete stellen die Endo- und Exoprothetik (Implantat- und Prothesenfertigung) und der Werkzeug- und Formenbau dar. Doch auch hier gibt es noch Hindernisse, die den Markt ausbremsen. Der interessante Wachstumsmarkt der Fertigung individualisierter, patientenangepasster Endo- und Exoprothesen wird derzeit noch weitgehend von den gesundheitspolitischen Rahmenbedingungen ausgebremst (Stichwort Fallpauschalen der Krankenkassen). Und im Werkzeug- und Formenbau hat sich die Erkenntnis,  dass sich die Mehrkosten eines generativen Fertigungswerkzeuges sehr schnell amortisieren noch nicht durchgesetzt. Was die Messe Euromold nun voranbringen will.

Kosten- und Ressourcen-Einsparungen und eine gesteigerte Bauteilqualität sprechen klar für generative Fertigungsverfahren. Im Rahmen der Innovationsallianz „Green Carbody Technologies“ konnten Forscher des Fraunhofer-Instituts in Zusammenarbeit mit Industriepartnern diese Vorteile nachweisen. Durch generativ gefertigte, serientaugliche Werkzeugeinsätze mit konturnahen, geometrisch komplexen Kühlkanälen können in der Blech-Warmumformung über 20 Prozent Zykluszeit und 715 MWh Energie pro Jahr eingespart werden. Im Kunststoffspritzguss und im Leichtmetall-Druckguss ermöglichen generativ erzeugte  Werkzeug- und Formeinsätze ähnliche Verbesserungen und Einsparungen. Ralph Mayer, Verkaufsleiter der LBC Engineering in Pliezhausen, einem Geschäftsbereich von Reni-shaw, „Lasergenerieren bietet beinahe unbegrenzte Möglichkeiten.

So lassen sich Temperierkanäle fast beliebig an die Kontur einer Kavität anpassen“. Dieser Geschäftsbereich von Renishaw hat im Lauf der vergangenen Jahre viel Erfahrung mit dieser Technik im Werkzeugbau gesammelt. Im Vergleich zu Werkzeugen, deren Kühlkanäle konventionell mittels Tieflochbohren hergestellt werden, könne, so Mayer, die Zykluszeit um bis zu 60 Prozent schrumpfen, abhängig von der Komplexität der Form. „Noch wichtiger als der Produktivitätsgewinn ist jedoch die bessere Bauteilqualität, die sich im Spritzguss erzielen lässt.

In 99 Prozent der Anwendungen steht die Teilequalität im Vordergrund. Beim Lasergenerieren wird ein metallischer Pulverwerkstoff schichtweise aufgeschmolzen. Jede Schicht ist zwischen 40 und 80 µm dick. Am Ende des Prozesses entstehen Bauteile mit fast 100-prozentiger Gefügedichte.“ Zu 95 Prozent werden so Werkzeugeinsätze mit konturnaher Temperierung hergestellt. Diese bieten Vorteile: Wird das Werkzeug nicht nur gekühlt, sondern variotherm temperiert, verbessert das – neben der Zykluszeit – vor allem die Homogenität des Kunststoffgefüges und damit die Qualität der Spritzgussteile. Davon profitieren in der Medizintechnik zum Beispiel Hersteller von kleinen Teilen wie Kanülen. Daher wird die Technik in diesem Umfeld auch schon häufig genutzt. Aber das Potenzial ist noch lange nicht erschöpft.

Qualitätsprüfung ein wichtiger Baustein

Um die hohen Anforderungen vor allem der Luftfahrt- und Automobilindustrie an die systematische Qualitätsüberwachung für generativ gefertigte Bauteile zu erfüllen, müssen Qualitäts-Managementsysteme zum Einsatz kommen. Prüfprozeduren  sollten eine verlässliche Qualität der generativ gefertigten Bauteile sicherstellen. Daneben stellt die Echtzeit-Prozessüberwachung des Fertigungsprozesses einen wichtigen Baustein für das Qualitätsmanagement dar. So könnte der Fertigungsprozess vollständig dokumentiert, Unregelmäßigkeiten erkannt und unmittelbar regelnd in den Prozess eingegriffen werden.

Das Senken der Kosten generativer, laserbasierter Verfahren hängt vor allem maßgeblich von der Steigerung der Produktivität des generativen Fertigungsprozesses ab. So wird zur Zeit beim Laserstrahl-Schmelzverfahren (SLM, Selective Laser Melting) eine Steigerung der Laserleistung von derzeit 100 bis maximal 400 Watt (bei kommerziell verfügbaren Anlagen) auf 1 oder gar 2 Kilowatt erforscht. Erste Anlagen mit 1 Kilowatt Laserleistung, entwickelt mit Beteiligung  des Fraunhofer-Instituts (ILT), konnten bereits vorgestellt werden und werden derzeit bei Beta-Testern installiert.

Anwender sind heute überwiegend die großen Erstausrüster (OEM) der Automobilindustrie, der Konsumgüter- und Elektronikindustrie sowie die Flugzeug- und Triebwerkshersteller. Praktisch alle großen Konzerne haben bereits eigene generative Fertigungsanlagen in Betrieb und wenden die Verfahren meist für Konzeptstudien, Prototypen und Vorserienteile, aber auch für erste Serienteile im Interieur- und Luftführungsbereich an. Im Medizinbereich sind es hauptsächlich Implantat-Hersteller und Dentallabors. Aber auch kleiner Spezialfirmen bieten die  Fertigungstechnik an. Die Nachfrage der OEM nach generativ gefertigten Bauteilen hat aber auch dazu geführt, dass sich zunehmend Rapid-Prototyping-Dienstleistern etabliert.

In bestimmten Nischenbereichen beginnt sich die direkte generative Fertigung von Serienbauteilen und Endprodukten, das sogenannte Rapid Manufacturing oder Direct Digital Manufacturing, durchzusetzen. Serientypische Bauteil-Eigenschaften, steigende Produktivität und Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit unterstützen dies.

Beratungsbörse auf der Euromold

Das Thema entwickelt sich schnell weiter und bietet sowohl im Prototyping, als auch in der Serienfertigung großes Potenzial für die produzierende Industrie. Die schnelle Entwicklung führt allerdings auch dazu, dass die 3D-Druck-Landschaft unübersichtlich geworden ist: Es existiert eine Vielzahl grundlegend unterschiedlicher Technologien mit denen sich eine Vielzahl von Materialien verarbeiten lassen. Daneben gibt es einen lebhaften Dienstleister-Markt mit unterschiedlichen Geschäftsmodellen und Industriespezialisierungen. Vielen Firmen fällt es angesichts dieser Komplexität schwer, die richtige Lösung für ihre 3D-Druck-Projekte zu finden. Die Euromold begegnet dieser Schwierigkeit mit einer 3D-Druck Beratungsbörse in Zusammenarbeit mit dem ETH Zürich Spin-off Additively.

Interessierte Besucher können ihr 3D-Druck-Projekt vorab oder während der Messe mit den Spezialisten der Börse diskutieren. Diese evaluieren, ob und mit welcher 3D-Druck- Technologie sich das Projekt umsetzen lässt. Basierend darauf empfehlen sie geeignete Dienstleister, welche die Teile produzieren können. Besucher können so gezielt das Gespräch mit diesen Dienstleistern suchen. Prof. Dr. Gideon Levy, einer der Spezialisten der Beratungsbörse und Experte im 3D-Druck (170 Publikationen, 30 Patente), ist davon überzeugt, dass Besucher dank des Angebots mehr aus ihrem Messebesuch herausholen können. Anstelle von langwierigem Herumfragen kann die Börse sie direkt an die richtigen Ansprechpartner für ihr 3D-Druck-Projekt verweisen.

 

Konferenz im Detail

Terry Wohlers: „The Truth Behind the Additive Manufacturing Supply Chain“

Datum und Uhrzeit: Donnerstag, 27. November 2014, 09:30 – 17:00 Uhr

Ort: Portalhaus, Frequenz 2, Halle 11, Messegelände Frankfurt/Main

Teilnahmegebühr: Ganztags:  Aussteller 300 EUR + MwSt,
Nicht-Aussteller 390 EUR + MwSt
Halbtags:  Aussteller 160 EUR + MwSt,
Nicht-Aussteller 220 EUR + MwSt
Autor

Harald Wollstadt ist Chefredakteur Plastverarbeiter.
harald.wollstadt@huethig.de