Additive Fertigung: Trends und Chancen

Als Direktor des CSIRO Lab 22, Australiens Zentrum für additive Innovation, habe ich das schnelle und beeindruckende Wachstum der additiven Fertigungsindustrie (AM) miterlebt.

Autor: Dr. Daniel East – Gruppenleiter, Advanced Manufacturing and Metals, CSIRO

Als wir Lab 22 im Jahr 2015 gründeten, bestand unser Hauptziel darin, australischen Unternehmen die bahnbrechende Technologie des 3D-Drucks vorzustellen und ihre potenziellen Vorteile zu demonstrieren.

Seitdem hat sich AM zu einer ausgereiften und florierenden Branche entwickelt, die von australischen Unternehmen aus verschiedenen Sektoren wegen ihrer Effizienz und Effektivität in der Produktion geschätzt wird.

Luft- und Raumfahrtunternehmen nutzen AM, um leichte und komplizierte Teile herzustellen, wodurch Kosten gesenkt und die Kraftstoffeffizienz verbessert werden. Im Gesundheitswesen hat AM maßgeblich zur Herstellung personalisierter Implantate und Prothesen beigetragen und zu besseren Patientenergebnissen geführt. Automobilunternehmen haben AM für die schnelle Prototypenerstellung und Teilefertigung eingeführt und so den Designprozess beschleunigt.

Und Konsumgüterunternehmen haben AM genutzt, um einzigartige und anpassbare Produkte anzubieten und sich so auf überfüllten Marktplätzen zu differenzieren.

Alle diese Unternehmen haben von der Fähigkeit der additiven Fertigung profitiert, komplexe Geometrien herzustellen, Durchlaufzeiten zu verkürzen, Abfall zu minimieren und Massenanpassungen zu ermöglichen, wodurch die Effizienz gesteigert, Innovationen gefördert und die Kundenzufriedenheit erhöht werden.

Diese Prozesse öffnen auch das Designfenster für Komponenten, die mit anderen Prozessen möglicherweise nicht herstellbar oder wirtschaftlich gewesen wären.

Ein gutes Beispiel hierfür ist die metallische additive Fertigung, die sich eine eigene Marktnische mit geometrisch komplexen Kleinteilen wie Wärmetauschern, biomedizinischen Implantaten, kundenspezifischen Sportartikeln, Mischern und Produktionsformen mit konformen Kühlkanälen geschaffen hat.

In den letzten Jahren hat sich das Wachstum von AM noch weiter beschleunigt, beschleunigt durch Störungen durch COVID-19, die Schwachstellen in herkömmlichen Lieferketten aufgedeckt haben.

Inmitten des Chaos entwickelte sich AM zu einem vielseitigen und modularen Produktionssystem und erlangte Anerkennung für sein Potenzial in der verteilten Fertigung und der Point-of-Use-Fertigung, mit der einzelne Fehlerquellen eliminiert werden können. Hier bietet AM Widerstandsfähigkeit, verringert die Abhängigkeit von globalen Lieferketten und wird zunehmend als Schlüsseltechnologie geschätzt.

Dieses dezentrale Arbeitsmodell ist für australische Unternehmen besonders vorteilhaft, da wir von den großen Produktionszentren in Asien und Europa entfernt sind. Besonders abgelegene Sektoren wie Verteidigung, Bergbau, Rohstoffe und Landwirtschaft dürften davon profitieren. Diese Branchen stehen häufig vor logistischen Herausforderungen beim Zugriff auf traditionelle Fertigungsressourcen und Ersatzteile.

Das Wachstum von AM wurde durch technologische Verbesserungen und die Fähigkeiten der verfügbaren Ausrüstung unterstützt. Bemerkenswert ist die Erweiterung der Fähigkeiten größerer Formatdrucker – insbesondere derjenigen, die Robotertechniken nutzen. Dieser Fortschritt hat sich erheblich auf die Größe und Komplexität der herstellbaren Teile ausgewirkt und viele neue Anwendungen und Vorteile eröffnet.

Großformatdrucker mit Roboterarmaturen und Ablageköpfen ermöglichen uns die Herstellung wesentlich größerer Bauteile als herkömmliche AM-Systeme. Dadurch sind Strukturen möglich, die bisher nicht in einem Stück hergestellt werden konnten.

Das Ergebnis ist eine Erhöhung der strukturellen Integrität und kürzere Montagezeiten.

Allerdings kommt es nicht nur auf die Größe an. Diese Drucker eignen sich ideal zum Erstellen weniger geometrisch komplexer Teile, was von Vorteil sein kann, wenn Funktionalität und strukturelle Festigkeit wichtiger sind als kompliziertes Design.

Wir haben auch eine bemerkenswerte Ausweitung festkörperbasierter Techniken erlebt – also solcher, die Materialien von einer festen Form in das Endteil umwandeln, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen. Zu den Vorteilen gehören geringere thermische Spannungen, weniger Verformung und die Möglichkeit, Materialien zu verarbeiten, die schwer zu schmelzen oder zu mischen sind.

Der Fused-Filament-Druck ist ein sehr interessantes Festkörperverfahren. Dabei wird ein dünner Strang erhitzten Kunststoffs, ein sogenanntes Filament, durch eine Düse gedrückt, um Objekte Schicht für Schicht aufzubauen. Diese Technik wird häufig zur Herstellung komplizierter Modelle, Funktionsteile und detaillierter Prototypen eingesetzt.

Eine weitere innovative Festkörpertechnik ist die Reibrühr-AM, die die Prinzipien des Reibrührschweißens und der AM kombiniert, um starke und fehlerfreie Metallstrukturen zu erzeugen.

Mit den Fortschritten in der AM haben wir einen Anstieg des Interesses an Simulations- und Qualitätssicherungsmethoden festgestellt. Diese sind von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die mittels AM hergestellten Teile die erforderlichen Leistungs- und Sicherheitsstandards erfüllen, insbesondere in hochriskanten Branchen wie der Verteidigung und für biomedizinische Anwendungen.

Techniken wie die Echtzeitüberwachung des AM-Prozesses und fortschrittliche Softwaretools für die Simulation werden immer häufiger eingesetzt, was für das weitere Wachstum der AM-Technologien vielversprechend ist.

CSIRO treibt weiterhin Innovationen voran

Hier bei CSIRO haben wir maßgeblich dazu beigetragen, die Einführung von AM in Australien voranzutreiben, und wir setzen unser Engagement für Innovationen in der Branche bis heute fort.

Im Forschungsbereich leitet CSIRO verschiedene Initiativen. Unsere großformatigen AM-Arbeiten könnten es beispielsweise Bergbauunternehmen ermöglichen, Teile vor Ort herzustellen und so Produktivitätssteigerungen durch reduzierte Ausfallzeiten zu erzielen. Wir arbeiten außerdem an einer Reihe von Softwaretools, die den AM-Prozess rationalisieren und optimieren könnten.

Ich bin besonders begeistert von der Software, die wir entwickeln, um Roboter-Werkzeugpfade für die Reparatur und Teilefertigung zu generieren. Bemerkenswert ist auch unsere Arbeit zur In-situ-Messung, da diese ein unmittelbares Feedback zum AM-Prozess liefern und Echtzeitanpassungen und -verbesserungen ermöglichen könnte, um Ergebnisse höchster Qualität sicherzustellen.

Neben Metallteilen erforscht CSIRO auch die Grenzen funktional abgestufter Materialien. Hierbei handelt es sich um Teile, die aus einer Kombination verschiedener Legierungen oder Metalle und Keramik innerhalb desselben Bauteils bestehen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für AM, da es uns ermöglicht, Teile mit Eigenschaften zu erstellen, die je nach den spezifischen Anforderungen verschiedener Abschnitte des Teils variieren können.

Wir freuen uns, ein Hauptpartner des staatlich finanzierten Trailblazer Universities Program zu sein, einer Initiative, die darauf abzielt, sechs australische Universitäten und ihre Partner dabei zu unterstützen, führend in der Kommerzialisierung von Forschung zu werden.

Hier wird CSIRO eine entscheidende Rolle spielen, indem es Universitäten Zugang zu spezialisierter AM-Ausrüstung und Fachwissen verschafft, die für ihre Projekte unerlässlich sind.

Für den von der Curtin University geleiteten Resources Technology and Critical Minerals Trailblazer werden wir beispielsweise Binderjet-Drucker erwerben, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, hochauflösende Ergebnisse in der Massenproduktion zu erzielen. Diese Maschinen zeichnen sich im Vergleich zu anderen AM-Prozessen durch eine schnellere Produktionsrate aus.

Das erste Trailblazer-Projekt umfasst die Herstellung von Teilen für die bei Curtin entwickelte SpiroPak-Technologie. SpiroPak steigert die Effizienz chemischer Prozesse durch die Verwendung von Teilen mit einer einzigartigen, von der Natur inspirierten Geometrie, die den Stofftransfer verbessert und den Energieverlust reduziert.

CSIRO wird diese Arbeit durch die Erforschung von Methoden zur Reduzierung der Herstellungskosten von Teilen unterstützen, die mit dem Binderjet-Verfahren zuverlässig hergestellt werden können.

Eine weitere Technologie, die CSIRO mit dem Defence Trailblazer – Concept to Sovereign Capability erhalten wird, das von der University of Adelaide in Zusammenarbeit mit UNSW geleitet wird, ist die robotergestützte Laserdrahtabscheidungsausrüstung, die große Strukturen mit höherer Auflösung als Drahtbogen-AM erzeugen kann, während sie noch verwendet wird Kostengünstige Drahtzuführung statt teurer Metallpulver.

Laserprozesse bieten eine bessere Kontrolle über den Wärmeeintrag und ermöglichen so eine bessere Kontrolle der Materialeigenschaften. Das erste Projekt wird sich auf die Herstellung von Luft- und Raumfahrtteilen aus Titanlegierungen konzentrieren.

Unsere Forschung wird die Herstellung von Teilen mit einer Größe von mehr als einem Meter untersuchen und dabei Materialien verwenden, deren Herstellung mit anderen Techniken traditionell schwierig ist.

CSIRO wird außerdem über den iLAuNCH Trailblazer für die Weltraumforschung ein Material-SLM-Laserpulverbett für die Zusammenarbeit mit der University of Southern Queensland erwerben. Dieses Instrument eignet sich besonders für Teile, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, da es die Einbindung von Kühlkanälen in die Struktur mithilfe einer Kupferoberfläche für eine effiziente Wärmeleitung ermöglicht.

Strukturelle Abschnitte des Teils können mit einem anderen Metall mit höherer Festigkeit verbunden werden. Die Ausrüstung wird für die Prototypenfertigung von Komponenten verwendet, die in extremen Umgebungen eingesetzt werden.

Diese Akquisitionen sowie andere spannende Geräte versprechen, komplexere und vielfältigere Anwendungen von AM zu erschließen und die Grenzen des Machbaren zu erweitern. Wir freuen uns, an der Spitze dieser Bemühungen zu stehen, Innovationen voranzutreiben und die Branche in eine vielversprechende Zukunft zu führen.