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(Foto: Siemens)

Additive Fertigung Die Zukunft ist 3D

Immer mehr Industrieunternehmen entwickeln Bauteile und Werkzeuge am Computer, um sie anschließend mit 3D-Druckern zu fertigen. Das sogenannte Additive Manufacturing wird die Industrie in den kommenden Jahren revolutionieren.

In Dortmund-Eving liegen Vergangenheit und Zukunft der Industrie nah beieinander. Der Stadtteil blickt auf eine lange Bergbau-Geschichte zurück, jahrzehntelang prägten die Steinkohlezechen Minister Stein und Fürst Hardenberg das Leben im Viertel. Die Überreste der 1987 stillgelegten Gruben erinnern an die Glanzzeiten der nahezu ausgestorbenen Montanindustrie. Ganz in der Nähe lässt sich dagegen die Zukunft bestaunen: Im Siemens Mobility RRX Rail Service Center, dem ersten digitalen Zentrum zur Instandhaltung von Eisenbahnen. Hier werden monatlich rund 100 Züge gewartet – und benötigte Ersatzteile kommen direkt aus dem 3D-Drucker.

Der weltweite Markt für 3D-Druck boomt, auch bekannt als Additive Manufacturing oder additive Fertigung. Wo Techniker früher in der Regel bohrten oder frästen – also Material von Gussteilen entfernten – nehmen sie heute immer häufiger den 3D-Drucker, der Material nach und nach aufträgt. Erstmals in den achtziger Jahren eingesetzt, um aus Kunststoff Prototypen und Modelle herzustellen, lassen sich mit der Technologie heute auch hochfeste Hightech-Bauteile herstellen: aus Metall, Polymeren oder Keramik. Bei Kunststoffen trägt eine Spezial-Düse das Material Lage für Lage auf, bei Metall funktioniert es beispielsweise mit einem Laser, der Metallpulver aufschmilzt und Schicht um Schicht aufbaut.

Verschiedene Branchen haben die additive Fertigung bereits für sich entdeckt, darunter die Luft- und Raumfahrtbranche, die Fahrzeugindustrie und die Medizintechnik. Auch im Motorsport bauen Mechaniker immer öfter druckfrische Ersatzteile ein. Das zunehmende weltweite Interesse an additiver Fertigung lässt die Nachfrage nach Druckmaterialien, Maschinen, Software und Dienstleistungen rund um den 3D-Druck steigen. Das Marktvolumen dürfte sich von 9,7 Milliarden Euro im Jahr 2017 auf 26 Milliarden Euro im Jahr 2021 vergrößern, erwarten Analysten.

Oft sind die gedruckten Bauteile komplexer und innovativer als bisher genutzte Komponenten und übertreffen sogar deren Leistung. Mittels 3D-Druck lassen sich nahezu beliebig komplexe geometrische Strukturen entwerfen und realisieren, die sich mit bisherigen Verfahren nicht herstellen ließen – sogar künstliche Knochen. 3D-Druck gilt deshalb als industrielle Schlüsseltechnologie der Zukunft.

Im Siemens Mobility RRX Rail Service Center in Dortmund-Eving kommt noch ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks zum Tragen: Er ist schnell. Die Fertigungszeit für ein Bauteil fällt mit der neuen Technologie um bis zu 95 Prozent geringer aus als mit herkömmlichen Verfahren. Im Bahnverkehr ist das ein klarer Vorteil: Denn die Regionalzüge des Rhein-Ruhr-Express, kurz RRX, transportieren täglich viele Tausend Pendler. Fallen sie aus oder müssen in die Wartung, sollen sie idealerweise am nächsten Tag wieder auf der Schiene sein.

Früher hatte Siemens Mobility besonders oft benötigte Ersatzteile in Instandhaltungsdepots auf Halde gelagert. Das war allerdings teuer, zumal viele Teile am Ende doch nicht zum Einsatz kamen. Künftig sollen deshalb 3D-Drucker übernehmen und Ersatzteile bei Bedarf innerhalb weniger Stunden herstellen. Seit seiner Premiere im Frühjahr dieses Jahres hat der 3D-Drucker im Evinger Werk unter anderem dem SkyTrain am Düsseldorfer Flughafen mit frischen Teilen wieder auf die Schiene geholfen. Außerdem druckt das Gerät auch individuelle Werkzeuge.

Der Siemens-Konzern hat schon früh begonnen, in die additive Fertigung zu investieren – nämlich im Jahr 2009. Im Jahr 2013 entstanden in angepassten Druckern der Firma EOS die ersten gedruckten Bauteile für die Brenner von Gasturbinen, 2016 übernahm Siemens 85 Prozent der britischen Additive-Manufacturing-Firma Materials Solutions. Und im vergangenen Jahr druckten und testeten Siemens-Ingenieure erstmals erfolgreich Gasturbinenschaufeln mit innenliegenden Kühlkanälen, die im Betrieb besonders hohen Temperaturen standhalten müssen.

Heute treibt Siemens die Industrialisierung und Kommerzialisierung des 3D-Drucks vor allem im Energiesektor voran. In den kommenden Jahren will der Konzern innovative Additive-Manufacturing-Anwendungen entlang der gesamten industriellen Wertschöpfungskette entwickeln. Doch dafür muss diese erst einmal digitalisiert sein, leistungsstarke 3D-Drucker allein reichen nicht aus. Siemens arbeitet daher an passender Software für die Konstruktion von Bauteilen. Denn alle Gegenstände, die aus einem 3D-Drucker kommen sollen, entstehen dabei zunächst am Bildschirm. Auch Simulationstools für den Druckprozess sind wichtig. Nicht zuletzt braucht es spezielle Programme, um den Druckprozess zu steuern und zu überwachen. „Diese Elemente müssen reibungslos ineinandergreifen“, fordert Ingomar Kelbassa, Leiter des Technologiefeldes Additive Manufacturing bei Siemens in Berlin: „Es ist letztlich weniger die einzelne Technologie, die den Erfolg des 3D-Drucks ermöglicht, sondern das Komplettpaket aus der realen und der digitalen Welt.“

Unternehmen auf der ganzen Welt haben in den vergangenen Jahren angefangen, auf additive Fertigung zu setzen und ihre Produktionsprozesse entsprechend umzustellen. Das Ende der Fahnenstange ist längst nicht erreicht – denn trotz der vielen Möglichkeiten, die additive Fertigung bereits heute bietet, ist die Technologie noch nicht so ausgereift, dass sich auf Knopfdruck jedes gewünschte Bauteil produzieren ließe. Zum Beispiel können Bauteile sich während des Druckprozesses verziehen und verformen, weil die Temperaturen beim Laserschmelzen sehr unterschiedlich sind. Siemens arbeitet daher an einer Erweiterung seiner Simulationssoftware, um das Drucken zu optimieren. Auch müssen Unternehmen ihre Produktionsabläufe anpassen, wenn sie additive Fertigung in ihre Prozesse integrieren wollen. In diesem Zuge müssen sie auch über Datensicherheit nachdenken, damit zum Beispiel digitale Baupläne nicht in fremde Hände gelangen können. 3D-Druck bietet also schon heute jede Menge Möglichkeiten, bringt aber auch ganz neue Fragen und Herausforderungen mit sich. Der Weg in die additive Zukunft hat gerade erst begonnen.