Schicht nach Schicht

Die Teile in Strahltriebwerken müssen enormen Kräften und Temperaturen standhalten und möglichst leicht sein, um Treibstoff zu sparen. Das bedeutet, dass ihre Herstellung komplex und kostspielig ist: Techniker bei General Electric schweißen bis zu 20 separate Metallteile zusammen, um eine Form zu erhalten, die Kraftstoff und Luft in einem Kraftstoffinjektor effizient mischt. Aber für einen neuen Motor, der nächstes Jahr auf den Markt kommt, glaubt GE, dass es eine bessere Möglichkeit gibt, Einspritzdüsen herzustellen: indem man sie druckt.

Dazu zeichnet ein Laser die Form des Injektorquerschnitts auf einem Bett aus Kobalt-Chrom-Pulver nach und verschmilzt das Pulver zu einer festen Form, um den Injektor jeweils in einer ultradünnen Schicht aufzubauen. Dies verspricht weniger Kosten als herkömmliche Herstellungsmethoden und sollte zu einem leichteren – also besseren – Teil führen. Die ersten Teile werden in Düsentriebwerke fließen, sagt Prabhjot Singh, der bei GE ein Labor leitet, das sich auf die Verbesserung und Anwendung dieses und ähnlicher 3D-Druckverfahren konzentriert. Aber er fügt hinzu: „Es vergeht kein Tag, an dem wir nicht von einem der anderen Bereiche bei GE hören, der an der Nutzung dieser Technologie interessiert ist.“

Diese Innovationen stehen an der Spitze eines radikalen Wandels in der Fertigungstechnologie, der besonders in fortschrittlichen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt und Automobilen attraktiv ist. Die 3D-Drucktechniken werden nicht nur die Herstellung bestehender Teile effizienter machen. Sie werden es auch ermöglichen, Dinge herzustellen, die vorher nicht einmal vorstellbar waren – etwa Teile mit komplexen, ausgehöhlten Formen, die das Gewicht minimieren, ohne Einbußen bei der Festigkeit hinnehmen zu müssen. Im Gegensatz zu Bearbeitungsprozessen, bei denen bis zu 90 Prozent des Materials auf dem Boden verbleiben können, hinterlässt der 3D-Druck praktisch keinen Abfall – ein wichtiger Aspekt bei teuren Metallen wie Titan. Die Technologie könnte auch die Notwendigkeit reduzieren, Teile im Lager zu lagern, da es genauso einfach ist, zehn Jahre nach der Herstellung des ersten Teils ein weiteres Teil – oder eine verbesserte Version davon – zu drucken. Ein Automobilhersteller, der Berichte über einen Fehler in einem Sicherheitsgurtmechanismus erhält, könnte innerhalb weniger Tage eine neu konfigurierte Version auf dem Weg zu den Händlern haben.

Die additive Fertigung, wie der 3D-Druck auch genannt wird, entstand Mitte der 1980er Jahre, nachdem Charles Hull die sogenannte Stereolithographie erfand, bei der die oberste Schicht eines Harzpools durch einen ultravioletten Laser gehärtet wird. Verschiedene Methoden des 3D-Drucks erfreuen sich bei Ingenieuren großer Beliebtheit, die Prototypen neuer Designs erstellen oder einige hochgradig individuelle Teile herstellen möchten: Sie können in einem computergestützten Designprogramm einen 3D-Entwurf eines Teils erstellen und dann einen erstellen Drucker, um es Stunden später auszuspucken. Dieser Prozess vermeidet die Vorlaufkosten, langen Vorlaufzeiten und Designbeschränkungen herkömmlicher Massenfertigungstechniken wie Spritzgießen, Gießen und Stanzen. Die Technologie wurde jedoch nur an eine begrenzte Anzahl von Materialien angepasst, und es gab Fragen zur Qualitätskontrolle. Auch die Herstellung von Teilen auf diese Weise war langsam – es kann einen Tag oder länger dauern, bis das erledigt ist, was die herkömmliche Fertigung in Minuten oder Stunden leisten kann. Aus diesen Gründen wurde der 3D-Druck bisher nicht für sehr große Stückzahlen von Produktionsteilen eingesetzt.

Mittlerweile ist die Technologie jedoch weit genug fortgeschritten, um in Nischenmärkten wie medizinischen Geräten Serien produzieren zu können. Und es ist bereit, in den nächsten Jahren in mehrere größere Anwendungen vorzudringen. „Wir sind an einem Punkt angelangt, an dem genügend entscheidende Fortschritte erzielt werden, um die Technologie für die Herstellung von Endverbrauchsteilen wirklich nützlich zu machen“, sagt Tim Gornet, der das Rapid Prototyping Center an der University of Louisville leitet.

Vordringen

Mehrere Techniken können verwendet werden, um ein festes Objekt Schicht für Schicht zu „drucken“. Beim Sintern wird eine dünne Schicht aus pulverisiertem Metall oder Thermoplast einem Laser- oder Elektronenstrahl ausgesetzt, der das Material an bestimmten Stellen zu einem Feststoff verschmilzt; Anschließend wird eine neue Pulverschicht darauf aufgetragen und der Vorgang wiederholt. Teile können auch aus erhitztem Kunststoff oder Metall aufgebaut werden, das durch eine Düse extrudiert oder gespritzt wird, die sich bewegt, um die Form einer Schicht zu erzeugen, woraufhin eine weitere Schicht direkt darauf aufgetragen wird usw. Bei einem anderen 3D-Druckverfahren wird Klebstoff zum Binden von Pulvern verwendet.

Luft- und Raumfahrtunternehmen stehen bei der Einführung dieser Technologie an vorderster Front, da Flugzeuge häufig Teile mit komplexen Geometrien benötigen, um schwierige Luftstrom- und Kühlanforderungen in überfüllten Räumen zu erfüllen. Laut Terry Wohlers, einem auf additive Prozesse spezialisierten Fertigungsberater, fliegen bereits etwa 20.000 durch Lasersintern hergestellte Teile in Militär- und Verkehrsflugzeugen von Boeing, darunter 32 verschiedene Komponenten für die 787 Dreamliner-Flugzeuge. Dabei handelt es sich nicht um Artikel, die in Massenproduktion hergestellt werden müssen; Boeing könnte das ganze Jahr über ein paar Hundert davon herstellen. Sie sind auch nicht flugkritisch; Darunter befinden sich aufwändig geformte Luftkanäle zur Kühlung, die bisher in mehreren Teilen gefertigt werden mussten. „Jetzt können wir das Design dieser Teile im Hinblick auf das Gewicht optimieren und Material und Arbeit einsparen“, sagt Mike Vander Wel, Leiter der Strategiegruppe für Fertigungstechnologie bei Boeing. „Theoretisch ist das für uns die ultimative Fertigungsmethode.“ Obwohl die Geschwindigkeitsbeschränkungen des 3D-Drucks die Herstellung der meisten Boeing-Teile möglicherweise unmöglich machen, sagt Vander Wel, wird dieser Ansatz wahrscheinlich bei einem wachsenden Anteil davon zum Einsatz kommen.

Boeings Hauptkonkurrent, die European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), nutzt die Technologie zur Herstellung von Titanteilen in Satelliten und hofft, sie für Teile zu nutzen, die sie in größeren Mengen für Airbus-Flugzeuge herstellt. „Wir wissen noch nicht, wie groß der Einsatz der additiven Schichtfertigung dort sein wird, aber wir sehen keine Showstopper“, sagt Jon Meyer, der die Forschung zum 3D-Druck bei EADS Innovation Works leitet Teilung in England.

Die Triebwerksabteilung von GE ist möglicherweise näher als jeder andere daran, 3D-gedruckte Teile in die kommerzielle Großserienproduktion zu bringen. Zusätzlich zum Kraftstoffinjektor sintert GE auch Titan in komplexe Formen für 120 cm lange Streifen, die auf die Vorderkante von Lüfterblättern geklebt werden. Diese Streifen lenken Schmutz ab und sorgen für einen effizienteren Luftstrom. Bisher waren für jedes einzelne zig Stunden Schmieden und Bearbeiten erforderlich, wobei 50 Prozent des Titans verloren gingen. Durch die Umstellung auf 3D-Druck wird das Unternehmen bei jedem Motor etwa 25.000 US-Dollar an Arbeitsaufwand und Material einsparen, schätzt Todd Rockstroh, der beratende Ingenieur von GE, der die Bemühungen leitet. Die Schaufelschneide und die Kraftstoffeinspritzdüse werden bereits ab 2013 in Motoren zum Einsatz kommen und bis etwa 2016 in tausenden Serien in Großserienfertigung integriert werden.

In der Zwischenzeit, sagt Rockstroh, hofft das Unternehmen, durch den Einsatz des 3D-Drucks für mehr Teile Designflexibilität zu gewinnen. Als kürzlich festgestellt wurde, dass ein Schaft im Einspritzventil einer übermäßigen Hitzebelastung ausgesetzt war, kam innerhalb einer Woche eine neu gestaltete Version aus dem Drucker. „Früher hätten wir 20 verschiedene Teile mit allen dazugehörigen Werkzeugen neu konstruieren müssen“, sagt Rockstroh. „Vielleicht wäre es gar nicht möglich gewesen.“ Und durch die Verwendung von 3D-Druck zur Wellung der Innenseiten einiger Teile kann deren Gewicht um bis zu 70 Prozent reduziert werden, wodurch eine Fluggesellschaft jedes Jahr Millionen Gallonen Treibstoff einsparen kann. Diese Aussicht veranlasst GE dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, alles zu drucken, von Getriebegehäusen bis hin zu Steuermechanismen. „Nächstes Jahr gehen wir auf große Schnitzeljagd zur Gewichtsreduzierung“, sagt Rockstroh.

Automobile könnten ebenfalls von leichteren Teilen profitieren, und Gornet von der University of Louisville stellt fest, dass Druckverfahren das Gewicht von Ventilen, Kolben und Kraftstoffeinspritzdüsen um mindestens die Hälfte reduzieren könnten. Einige Hersteller von Luxus- und Hochleistungsautos, darunter Bentley und BMW, nutzen den 3D-Druck bereits für Teile in Hunderten von Stücken.

Herausforderungen, die es zu meistern gilt

Ohne die Einschränkungen der Technologie wäre der 3D-Druck bereits viel weiter verbreitet. „Die Geschwindigkeiten sind derzeit furchtbar langsam“, sagt Singh von GE. Todd Grimm, der ein Beratungsunternehmen für additive Fertigung in Edgewood, Kentucky, leitet, schätzt, dass sich die Zeit, die zur Herstellung eines Teils benötigt wird, um das Hundertfache verkürzen muss, wenn der 3D-Druck in den meisten Anwendungen direkt mit herkömmlichen Fertigungstechniken konkurrieren soll . Das wird in den nächsten Jahren nicht passieren.

Ein weiteres Problem: Im 3D-Druck können derzeit nur eine Handvoll Kunststoff- und Metallverbindungen verwendet werden. Beim Lasersintern beispielsweise muss das Material in der Lage sein, ein Pulver zu bilden, das beim Auftreffen mit einem Laser sauber schmilzt und anschließend schnell erstarrt. Die Verbindungen, die die erforderlichen Kriterien erfüllen, können gewichtsmäßig das 50- bis 100-fache der in herkömmlichen Herstellungsprozessen verwendeten Rohstoffe kosten, auch weil die Nachfrage nach ihnen so gering ist, dass sie nur von kleinen Spezialanbietern erhältlich sind.

Da die Nachfrage durch neue Anwendungen jedoch steigt, dürfte der Anbieterwettbewerb die Preise drastisch senken. Und die Liste der verfügbaren Materialien wird langsam erweitert. GE versucht, Keramik einzusetzen, was unter anderem in Motoren und medizinischen Geräten neue Möglichkeiten eröffnen würde.

Auch einfache Erfahrungen werden viel zur Verbesserung der Technologie beitragen. Bisher verfügen die Hersteller nicht über genügend Daten, um genau vorherzusagen, wie ein Teil hergestellt wird und wie es sich hält, oder wie sich Produktionsvariablen – einschließlich Temperatur, Materialauswahl, Teileform und Abkühlzeit – auf die Ergebnisse auswirken. Das kann frustrierend sein, sagt Singh: „3D-Druck ist oft eine schwarze Kunst. Ein Teil besteht aus Tausenden von Schichten, und jede Schicht stellt eine potenzielle Fehlerquelle dar. Wir verstehen immer noch nicht, warum ein Teil auf einer Maschine etwas anders herauskommt als auf einer anderen oder sogar auf derselben Maschine an einem anderen Tag.“ Der Schichtungsprozess neigt beispielsweise dazu, Spannungen zwischen den Schichten auf unvorhersehbare Weise aufzubauen, sodass einige Teile letztendlich verzogen werden. Auch die Porosität kann innerhalb der Teile variieren, was zu Bedenken hinsichtlich Ermüdung oder Sprödigkeit führen kann. Bei Flugzeugtriebwerken oder Flügelstreben könnte das ein großes Problem sein. „Wir wissen, wie man die Metalle stark genug macht“, sagt Vander Wel von Boeing. „Aber wir machen uns Sorgen wegen der Unvorhersehbarkeit. Können wir ein Ergebnis wiederholen, um 100 Teile zu erhalten, die genau gleich sind? Wir sind uns noch nicht sicher.“

Trotz dieser Herausforderungen drängt die Zeit auf Seiten des 3D-Drucks, sagt Vander Wel, und das nicht nur, weil sich die Prozesse verbessern. Ingenieure zögern verständlicherweise, eine neue Technologie für kritische Teile einzuführen, wenn ihre Fristen und ihr Ruf auf dem Spiel stehen, ganz zu schweigen vom Leben von Menschen in Flugzeugen. „Jüngere Designer passen sich jedoch schneller an“, sagt er. „Sie sagen nicht so schnell: ‚So kann man das nicht bauen.‘“

David H. Freedman, ein in Boston ansässiger Wissenschaftsjournalist, schrieb in der November/Dezember-Ausgabe 2010 von TR über Optogenetik. Sein neuestes Buch ist „Wrong: Why Experts Keep Failing Us“.

Diese Geschichte war Teil unserer Januar/Februar-Ausgabe 2012.

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