Berlin / Lichtenfels, im Januar 2016: Die Industrie braucht Leuchttürme zur Orientierung. Personen und Projekte dienen als Leitbilder für Innovationen, die für Wandel und Veränderungen stehen. Frank Herzog, Gründer und geschäftsführender Gesellschafter des Maschinen- und Anlagenbauers Concept Laser, wurde im Rahmen der Preisverleihung zum „Deutschen Zukunftspreis 2015“ gemeinsam mit seinen beiden Projektpartnern mit der Zugehörigkeit zum „Kreis der Besten“ ausgezeichnet. Die Festveranstaltung für alle drei nominierten Teams fand am 2. Dezember in Berlin mit Bundespräsident Joachim Gauck statt. Im Deutschen Museum in München wird eine Dauerausstellung die Projekte der nominierten Teams thematisieren.
Das Projektteam, bestehend aus Peter Sander, Leiter Emerging Technologies & Concepts bei Airbus, Hamburg, Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO der Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg, und Frank Herzog, Gründer und geschäftsführender Gesellschafter der Concept Laser GmbH, wurden mit dem Projekt „3-D-Druck im zivilen Flugzeugbau – eine Fertigungsrevolution hebt ab“ in den „Kreis der Besten“ aufgenommen. Frank Herzog: „Zum ,Kreis der Besten' zu gehören, ist für unser Team und mich persönlich eine große Ehre. Auch wenn wir den ,Deutschen Zukunftspreis 2015' sehr gerne gewonnen hätten, so ist die Zugehörigkeit zum „Kreis der Besten“ eine außergewöhnliche Anerkennung, insbesondere auch für die Leistung meiner engagierten Mitarbeiter. Zudem hat die öffentlichkeitswirksame Nominierung zu einer weiteren Erhöhung des Bekanntheitsgrades unseres Unternehmens Concept Laser geführt.“
3D-Leichtbau in der Luftfahrtindustrie als „Kreis der Besten“ gewürdigt
Das Projekt mit dem Titel: „3-D-Druck im zivilen Flugzeugbau - eine Fertigungsrevolution hebt ab“ überzeugte die Jury des Deutschen Zukunftspreises 2015 hinsichtlich des Innovationsgrades und der wirtschaftlichen Umsetzung. Im Kern des Projektes geht es um das erste, generativ hergestellte Titan-Bauteil, ein sogenanntes „Bracket“, an Bord des Airbus A350 XWB. Es handelt sich um ein „bionisches“ Halte- und Verbindungselement, welches als wichtiger Beitrag zum Leichtbau von Flugzeugen gilt. Das Team machte den 3D-Druck „flugfähig“.
Bionische, additiv hergestellte Bauteile verändern den Flugzeugbau
Diese industrieübergreifende Entwicklung, bei dem sich ein Team aus Forschung, Anwendung und Anlagenbau zusammen fand, revolutioniert die Art, Flugzeugstrukturelemente zu designen, zu fertigen und somit den „Leichtbau“ bei Zivilflugzeugen zu realisieren. Bislang war das Bauteil ein gefrästes Teil aus Aluminium (Al), nun ist es ein gedrucktes Teil aus Titan (Ti) mit einem Gewichtsersparnis von ca. 30 %. Das Projekt erbrachte auch den Nachweis, dass das Laserschmelz-Verfahren in der Lage ist Bauteile zu erzeugen, die mindestens der Qualität konventionell hergestellter Teile entspricht. Darüber hinaus leistet das additive Verfahren einen entscheidenden Beitrag zur Ressourcenschonung in der Produktion von Bauteilen (Green Technology), da nur eine geringe Menge Metallpulver bei minimalen Abfall benötigt wird, um ein sicherheitsrelevantes Bauteil zu produzieren. Des Weiteren ermöglicht die Umsetzung von Leichtbaustrukturen mittels des additiven Fertigungsverfahrens ein Gewichtsersparnis bisher konventionell zerspante oder gegossene Teile um 30 bis 55 %, so dass die CO2-Bilanz von zivilen Flugzeugen so entscheidend verbessert wird. Ein kleiner, aber wichtiger Nebeneffekt konnte im Rahmen des Projekts auch aufgezeigt werden: Die formungebundene Fertigung von Ersatzteilen verändert das gesamte Ersatzteilmanagement der Luftfahrtbranche. Zukünftig werden Ersatzteile „on demand“ und dezentral ausgedruckt und die Revisionszeiten der Flugzeuge können signifikant gesenkt werden, mit erheblichen, positiven Auswirkungen auf die Kostenstruktur. Resultierend aus den Erfahrungen des Projekts überprüft Airbus alle Bauteile eines Flugzeugs auf „AM-Tauglichkeit“ und Überarbeitung der Geometrie. Airbus spricht hierbei von hohen Potenzialen für Verbesserungen in Fertigung, Wartung und Betrieb von Flugzeugen.
Hintergrundinformationen zu Frank Herzog und dem LaserCUSING-Verfahren
Erfolg durch Pioniergeist
Frank Herzog gilt als Pionier im Bereich des pulverbettbasierten Laserschmelzens. Die bereits bestehende Kunststoff-Sintertechnologie führte zur Entwicklung des LaserCUSING-Verfahrens im Jahr 1998. Was mit Kunststoffen möglich sei, müsste auch im Metallbereich funktionieren, dachte sich Frank Herzog während seines Studiums. Spannungen im Bauteil und nicht vollständig aufgeschmolzenes Metallpulver stellten anfänglich die größten Herausforderungen bei der Verfahrensentwicklung dar. Doch mit der Entwicklung der stochastischen Belichtung und des Einsatzes eines Festlaserkörpers ließen sich nach harter Arbeit diese Probleme überwinden. Diese Pionierleistung mündete im Jahre 2000 in der Gründung des Unternehmens Concept Laser, welches bereits 2001 auf der Euromold in Frankfurt seine Prototypenmaschine M3 linear öffentlich vorstellte und somit eine Weltpremiere im Bereich des industriellen 3D-Metalldrucks feierte. Ein Jahr später lieferte Concept Laser mit Sitz im oberfränkischen Lichtenfels bereits die weltweit ersten Anlagen aus. Anfangs in einer Exotenrolle, eroberte diese generative Fertigungsstrategie im Laufe der Jahre verschiedenste industrielle Felder und Applikationen. Über 400 installierte Anlagen weltweit sprechen eine eindeutige Sprache. 15 Jahre Concept Laser bedeuten aber auch 15 Jahre erfolgreiche Verfahrensentwicklung mit zahlreichen Innovationen und Patenten. So verfügt das Unternehmen heute über eine eigene Forschungs- und Entwicklungsabteilung mit über 50 Mitarbeitern. Darüber hinaus ist die Concept Laser GmbH Partner zahlreicher Forschungs- und Entwicklungskooperationen mit Universitäten, technisch-wissenschaftlichen Einrichtungen und Industrieunternehmen. Zudem ist das Unternehmen Inhaber von mehr als 50 erteilten Patenten. Die Concept Laser GmbH verfügt gegenwärtig über weitere ca. 100 laufende Patentanmeldungen. Bei einem Großteil davon steht in Kürze die Erteilung eines Patents an. Die Zahl der durch das Unternehmen zum Patent angemeldeten Erfindungen steigt stetig. Das 15-jährige Unternehmensjubiläum von Concept Laser in 2015 zeigt auch den Zahlen nach eine glänzende Performance. Nach einem Wachstum von + 75 % in 2014 konsolidiert Concept Laser das Wachstum auf hohem Niveau. So wurden im Jahr 2014 insgesamt 110 Laserschmelzanlagen ausgeliefert. 2015 sollen es über 150 Anlagen werden. Dies bedeutet ein voraussichtliches Umsatzwachstum von + 35 % gegenüber dem ohnehin schon erfolgreichen Vorjahr.
Das LaserCUSING-Verfahren
Der Begriff LaserCUSING, zusammengesetzt aus dem C von CONCEPT Laser und dem englischen FUSING (vollständig aufschmelzen), beschreibt die Technologie: Das Schmelzverfahren generiert Schicht für Schicht Bauteile unter Verwendung von 3D-CAD-Daten. Das Verfahren ermöglicht es, komplexe Bauteilgeometrien werkzeuglos zu fertigen, um Geometrien als Bauteile zu realisieren, die mit konventionellen Methoden nur sehr schwierig oder überhaupt nicht herstellbar sind. Mit dem LaserCUSING-Verfahren werden mechanisch und thermisch belastbare metallische Bauteile mit hoher Präzision erstellt. Zum Einsatz kommen je nach Anwendung Edel- und Werkzeugstähle, Aluminium- oder Titanlegierungen, Nickelbasierte Superlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen oder auch Edelmetalle wie Gold- oder Silberlegierungen. Beim LaserCUSING wird feines pulverförmiges Metall durch einen hochenergetischen Faserlaser lokal aufgeschmolzen. Nach dem Erkalten verfestigt sich das Material. Die Bauteilkontur wird durch Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit (Scanner) erzeugt. Der Aufbau des Bauteils erfolgt Schicht für Schicht (mit einer Schichtstärke von 15 bis 150 μm) durch Absenkung des Bauraumbodens, Neuauftrag von Pulver und erneutem Schmelzen. Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Das patentierte Verfahren sorgt für eine signifikante Reduktion von Spannungen bei der Herstellung von sehr großen Bauteilen.
Generelle Aspekte einer additiven Fertigungsstrategie
Eine generative Fertigungsstrategie eröffnet zahlreiche Optionen für Leichtbau und zur Leistungssteigerung von Bauteilen mit neuen Ansätzen einer bionischen Geometrie. Die allgemeinen Schlagworte sind hier: Funktionsintegration, Leichtbaupotenzial, Bionik und Topologie, Ressourcenschonung, Abfallreduktion, Geometriefreiheit, Fertigung in einem Schuss, Reduktion von Montagearbeiten, selektive Dichten, zeitnahe Produktion, auch „on-demand“, und Verbesserung der Kostenstruktur, z. B. durch mannlose Fertigung 24 Stunden täglich. Aktuelle Herausforderungen in der Fertigung lassen das Laserschmelzverfahren in zahlreichen Branchen gegenüber den konventionellen Fertigungsstrategien der Zerspanung zum Verfahren der Wahl werden. Für die Fertigungsexperten zählen Automation, Qualität, Materialvielfalt, Einbindung ins Produktionsumfeld und die möglichen Baugeschwindigkeiten zu den wesentlichen Kennzeichen einer additiven Fertigung im digitalen Zeitalter. Die additive Fertigung in einer digitalen Prozesskette folgt nicht zuletzt konsequent der „Industrie 4.0“-Strategie.
Hintergrundinformationen zur Bedeutung des Laserschmelzens für den Flugzeugbau
Bedeutung des Laserschmelzens für den Flugzeugbau
Laserschmelzen mit Metallen gewinnt im Flugzeugbau im Rahmen einer additiven Fertigungsstrategie zunehmend an Bedeutung. Schnellere Durchlaufzeiten, günstigere Bauteile und eine bislang unbekannte Freiheit in der Formgebung sind auch hier klassische Argumente für das Verfahren der Wahl. Als neue Schlagworte tauchen nun „Leichtbau“ und „Bionik“ auf. Ein Trend wird erkennbar: Ein generatives Verfahren verändert das konstruktive Denken der Entwickler im Flugzeugbau. Bei Flugzeugkonstruktionen können zukünftige Bauteile gezielt die Kraftlinien auffangen und dabei auch noch dem Ansatz des Leichtbaus gerecht werden. Generell ist die Laserschmelz-Technologie in der Lage, sicherheitsrelevante Bauteile herzustellen, die noch besser, leichter und langlebiger sind als die konventionell gefertigten Bauteile von heute. Leicht unterschiedlich sind außerdem die Materialeigenschaften. Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO der Laser Zentrum Nord GmbH, Hamburg: „Laseradditiv gefertigte Werkstoffe weisen eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig geringerer Duktilität auf, die aber durch die richtige Wärmebehandlung auch wieder gesteigert werden kann.“ Darüber hinaus kennzeichnet sich das Verfahren durch Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Verbesserungen der Kostenstruktur aus.
Geometriefreiheit und Leichtbaupotenziale als treibende Faktoren
Die Argumente für das Laserschmelzen mit Metallen im Flugzeugbau sind Geometriefreiheit und Gewichtsreduzierung. Der Ansatz „Leichtbau“ soll den Airlines helfen, ihre Flugzeuge ökonomischer zu betreiben. Die erzielbare Gewichtsreduktion wirkt sich in tendenziell niedrigerem Treibstoffverbrauch oder einem Potenzial für erhöhte Flugzeugzuladungskapazitäten aus. Eine neue Flugzeugkonstruktion erfordert tausende von sogenannten FTI (Flight Test Installations)-Brackets mit Kleinststückzahlen. Das additive „Layer Manufacturing“ ermöglicht es den Konstrukteuren, neue Strukturen zu entwerfen. Die generativ hergestellten Bauteile sind faktisch um mehr als 30 % leichter als konventionelle Gieß- oder Frästeile. Hinzu kommt, dass die CAD-Daten unmittelbar Grundlage eines additiven Baujobs sind. Der Entfall von Werkzeugen reduziert die Kosten und beschleunigt die Zeit bis zur Bauteilverfügbarkeit um bis zu 75 %. Durch die werkzeuglose Natur des Verfahrens ist es nun möglich, bereits früh Funktionsmuster mit seriennahem Bauteilcharakter herzustellen. Dies geschieht ohne Vorlaufkosten für Werkzeuge. So können bereits im frühen Stadium der Konstruktion Fehlerquellen identifiziert und Projektabläufe optimiert werden. Peter Sander, Leiter Emerging Technologies & Concepts, Airbus, Hamburg: „Früher veranschlagten wir für eine Bauteilentwicklung rund sechs Monate – heute ist daraus ein Monat geworden.“
Bionik in der Bauteil- oder Produktauslegung
Durch das Laserschmelzen mit Metallen werden feinste, sogar knochenartige, also poröse Strukturen herstellbar. „Zukünftige Flugzeugbauteile werden daher 'bionisch aussehen', schätzt Peter Sander. Nicht umsonst hat die Natur Funktions- und Leichtbauprinzipien über Millionen von Jahren optimiert und den Ressourceneinsatz clever minimiert. Diese Naturlösungen werden bei Airbus derzeit hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit strukturiert analysiert. Mittels „intelligenter Belichtungsstrategien“ des Lasers kann dieser ein Bauteil gezielt beaufschlagen, sodass es in Struktur, Festigkeit und Oberflächengüte maßgeschneidert werden kann. Peter Sander: „Erste Prototypen zeigen große Potenziale einer bionisch motivierten Vorgehensweise. Das Verfahren dürfte eine Art Paradigmenwechsel in Konstruktion und Fertigung auslösen.“
Qualität als wichtiger Parameter
Für Flugzeugbauer ist die Kontrolle während der Aufbauphase des Bauteils einer der wichtigsten Industrialisierungsbausteine. Peter Sander: „Das Inline Process Monitoring mit dem QM-Modul QMmeltpool von Concept Laser bedeutet in der Praxis: Auf einer sehr kleinen Fläche von 1x1 mm² überwacht das System mittels Kamera und Foto-Diode den Prozess. Anschließend wird der Prozess dokumentiert.“ Ab 2016 wird dieses Modul um das QMmeltpool 3D erweitert. Dabei wird die bisherige, zeitbezogene 2D-Überwachung des Bauprozesses zur positionsbezogenen 3D-Landkarte. Statt ausschließlich zeitbezogener Daten liefert das System nun, der Computer-Tomografie (CT) vergleichbar, zusätzlich positionsbezogene Signale zur eindeutigen Zuordnung. Diese Signale ermöglichen die Generierung von 3D-Datensätzen des Bauteils bzw. dessen Aufbaus. Damit entsteht eine sehr genaue 3D-Landkarte des Bauteils. QMmeltpool 3D kann so lokale Hinweise auf fehlerhafte Stellen im Bauteil liefern. Nachgelagerte Prüfungen und Tests können somit minimiert werden. Zudem stehen die Daten unmittelbar nach Bauprozess zur Verfügung, sodass sich auch Einsparungen in zeitlicher Hinsicht ergeben. Weitere QM-Module zur aktiven Qualitätssicherung sind QMcoating, QMatmosphere, QMpowder und QMlaser. Sie messen bzw. überwachen z.B. die Laserleistung oder auch den optimalen Schichtaufbau des Metallpulvers und dokumentieren den gesamten Herstellprozess lückenlos. Ein weiteres Kennzeichen in puncto Qualitätssicherung ist das Arbeiten im geschlossenen System, um einen staub- und kontaminationsfreien Prozess zu gewährleisten. Alle Störeinflüsse, die sich auf den Prozess negativ auswirken könnten, sollen so ausgeschaltet werden. Frank Herzog dazu: „Wir können heute von einem geregelten, wiederholgenauen und prozesssicheren Herstellverfahren sprechen.“ Prof. Dr.-Ing. Emmelmann unterstreicht: „Die QS-Software ermöglicht es uns, wichtige Daten wie Laserparameter, Schmelzepool-Verhalten sowie die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre zu überwachen und zu dokumentieren. Störgrößen durch Kontaminierung können ausgeblendet werden.“
Auch auf diesem Gebiet kann sich Concept Laser als Pionier bezeichnen, arbeitet das Unternehmen schon seit 2004 an verschiedenen Modulen zur Qualitätsverbesserung/-überwachung.
„Grüne Technologie“ schont Ressourcen
Beim Fräsen von Flugzeugteilen entsteht bis zu 95 % recyclingfähiger Abfall. Beim Laserschmelzen erhält der Anwender ein sogenanntes „endkonturnahes Bauteil“, dessen Abfall bei ca. 5 % liegt. „Wir sprechen im Flugzeugbau von der 'buy to fly ratio' und da sind 90 % ein fantastischer Wert. Dieser spiegelt sich natürlich auch in der Energiebilanz wider“, so Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann. Das macht das Verfahren speziell bei hochwertigen und teuren Flugzeugmaterialien wie Titan überaus interessant. Eine werkzeuglose Fertigungsstrategie spart Zeit und verbessert die Kostenstruktur. Gezielter Energieaufwand und Ressourcenschonung sind Merkmale des Laserschmelzens. Frank Herzog: „LaserCUSING ist eine 'Green Technology' und verbessert den viel zitierten ökologischen Fußabdruck in der Fertigung.“
Ersatzteilversorgung 2.0: zeitnah, dezentral und „on demand“
Eine neue Gedankenspielwiese der „generativen Aeronauten“ sind Ersatzteile. Diese werden zukünftig dezentral und verwendungsnah „on demand“, dazu noch werkzeuglos, herstellbar sein. Im Falle eines Bauteilversagens kann das Ersatzteil direkt vor Ort gefertigt werden. Dezentrale Fertigungsnetzwerke können entstehen – globale und regionale Strategien sind möglich. So können Transportwege und vor allem die Lieferzeiten minimiert werden. Als Folge reduzieren sich die wartungsbedingten Stand- und Revisionszeiten der Flugzeuge. Große Ersatzteillager mit selten gebrauchten Teilen, wie sie angesichts der langen Lebenszyklen von Flugzeugmodellen heute unabdingbar sind, könnten zukünftig deutlich verkleinert werden. Eine reduzierte Kapitalbindung erhöht die Flexibilität und vor allem die zeitliche Verfügbarkeit sicherheitsrelevanter Bauteile. Angesichts des Kostendrucks der Luftfahrtbranche liegt hier ein besonderer Charme.
Ausblick
Das Laserschmelzen als 3D-Drucktechnologie führt zu „intelligenteren Bauteilen“, die die Leistungscharakteristika konventionell hergestellter Bauteile in nahezu allen Ausprägungen übertreffen. Speziell in der Luft- und Raumfahrt sprechen Fertigungsexperten bereits von einem Paradigmenwechsel. Zwar bildet die Luft- und Raumfahrt derzeit aufgrund der Losgrößenstrukturen die Avantgarde einer generativen Fertigung, Zunahme der Aufbaugeschwindigkeiten und Bauraumgrößen lassen aber eine Initialwirkung auf nahezu alle Industriezweige erwarten. Schwerpunkte bilden hier die Automobilindustrie, die Dental- und Medizintechnik sowie Werkzeug- und Werkzeugmaschinenindustrie. Nicht zuletzt entstehen neue Geschäftsmodelle durch dezentrale Fertigungsdienstleiter, wie es das Laser Zentrum Nord beispielhaft repräsentiert. Damit wird es auch möglich, die Wertschöpfung der Fertigung aus Billiglohnländern an klassische Entwicklungs- und Industriestandorte in Europa oder den USA zurückzuführen, um somit die Innovationskraft und -geschwindigkeit dort zu stärken.
Hintergrundinformation „Deutscher Zukunftspreis 2015“
Der „Deutsche Zukunftspreis“ ist der Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation. Ausgezeichnet werden Entwickler aus Industrie und Wissenschaft, die sich durch Projekte und Initiativen in besonderer Weise für den Standort Deutschland als Innovationsstandort verdient gemacht haben. Der Bundespräsident der Bundesrepublik Deutschland ehrt mit der Auszeichnung seit 1997 alljährlich Forscher und Entwickler, die ihre Innovationen erfolgreich in marktfähige Produkte umsetzen und damit Arbeitsplätze schaffen. Der Preis ist mit 250.000 Euro dotiert. Die Verleihung des „Deutschen Zukunftspreises 2015“ fand am 2. Dezember 2015 in Berlin statt.In einem strengen, mehrstufigen Verfahren werden die Einreichungen der vorschlagsberechtigten Institutionen von zehn Experten aus Wissenschaft und Wirtschaft begutachtet und letztlich die drei oder vier Projekte ausgewählt, die dann als Nominierungen in die Endauswahl und damit in den Fokus der Öffentlichkeit gestellt werden. Die drei nominierten Teams des Jahres 2015 zählen zum „Kreis der Besten“ des Preises des Bundespräsidenten für Technik und Innovation.
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