Mitteilungen aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin
FUTUR
Vision Innovation Realisierung
Additive Fertigung
Cross Technology AM 4.0
Neues Kompetenzteam »Additive Fertigung« am Fraunhofer IPK
Mobile App für die Qualitätssicherung
Inhalt Impressum FUTUR 2/2018 20. Jahrgang ISSN 1438-1125
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Cross Technology – Neues Kompetenzteam »Additive Fertigung« am F raunhofer IPK
Herausgeber Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
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Mitherausgeber Prof. Dr.-Ing. Holger Kohl Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark
Expertenumfrage Trends 2020 – Zukünftige Dienstleistungen und Produkte additiver Technologien
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Anspruchsvoll qualifiziert – Comeback des Kupfers im Werkzeugbau
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Gut gebaut, Verzug im Griff – Anlagenentwicklung und In-Situ-Eigenspannungsmessung am PTZ
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3D-Druck für Metalle – Selektives Laserstrahlschmelzen und Laser-Pulver-Auftragschweißen
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Das Beste aus zwei Verfahren – Hybrider Aufbau additiver Bauteile
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AM 4.0 – Mobile App für die Qualitätssicherung
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Sicher und robust – Qualitätsmanagement in der additiven Produktion
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Schnelle Prototypen – Additive Fertigung als Werkzeug in Entwicklungsprojekten
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Brücke zwischen Entwurf und Fertigung – Numerische Simulation für additive Prozesse
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Neuer Fall für den ePuzzler – Rekonstruktion zerstörter Archivalien des Instituto Judío de Investigaciones (IWO)
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Finderlohn – Automatisierte virtuelle Rekonstruktion von Euro-Banknoten
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Interview: Rainer Lotz, Renishaw
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Firmenporträt: 3D-Metall-Druck – Wirtschaftlich und schnell
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Laborporträt: Additive Fertigungstechnologien – Vom Design bis zur Qualitätssicherung
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Ereignisse und Termine
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PTZ im Überblick
F raunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin Redaktion Claudia Engel Saskia Waldenburger Satz und Layout Ismaël Sanou Kontakt Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Institutsleitung Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Pascalstraße 8 – 9 10587 Berlin Telefon: +49 30 39006-140 Fax: +49 30 39006-392 info@ipk.fraunhofer.de http://www.ipk.fraunhofer.de Herstellung Ruksaldruck GmbH + Co. KG Fotos AVIASPACE BREMEN / Irene Walsh: 36 oben BMBF / Hans-Joachim Rickel: 37 oben EBN: 35 oben Fraunhofer IPK / Angela Salvo-Gonzalez: 37 unten, 38 Fraunhofer IPK / Steffen Pospischil: 32 unten, 34 Fraunhofer IPK / Ismaël Sanou: 31, 35, 39 Fundación IWO: 24, 25 GEFERTEC GmbH: 30 IWF TU Berlin: 8, 9, 10, 11 Peter der Große St. Petersburg Polytechnische Universität: 32 oben Renishaw: 29 SCHÖLLY FIBEROPTIC GMBH: 33
© Fraunhofer IPK Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion. Belegexemplare werden erbeten.
FUTUR 2/2018
Editorial Liebe Leserinnen, liebe Leser,
kurze Entwicklungszeiten, die Realisierung eines optimalen Markteintritts, die Senkung von Produktionskosten sowie eine hohe Produktqualität und -lebensdauer sind aktuelle Herausforderungen in der Luftfahrtindustrie, dem Werkzeugbau und der Automobilindustrie. Unternehmen reagieren darauf zunehmend mit der Integration von additiven Fertigungsverfahren in ihre Produktions-
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
prozessketten. Durch das immer breiter werdende Anwendungsspektrum haben sich
Unser technologischer Schwerpunkt liegt auf
additive Technologien zu einem wirtschaft-
dem Selektiven Laserstrahlschmelzen, dem
lichen Fertigungssystem für die Herstellung
Laser-Pulver-Auftragschweißen und dem
von hochkomplexen Produktkomponenten
Selektiven Lasersintern. Mit diesen Verfah-
in Kleinserien etabliert. Das globale Markt-
ren können wir bereits heute viele metalli-
volumen der additiven Fertigung wird für
sche Legierungen und Kunststoffe sicher ver-
2018 auf 4,5 Milliarden Euro geschätzt, bis
arbeiten. Die Bauteile, welche werkzeuglos
zum Jahr 2023 sollen es sogar 7,7 Milliarden
auf Basis von 3D-CAD-Daten erstellt wer-
Euro sein.* Neben der Luft- und Raumfahrt
den, können im Hinblick auf ihre Material
sind es vor allem Branchen wie der Turbinen-
eigenschaften mit konventionell produzier-
bau und die Medizintechnik, in denen die
ten Gütern mithalten. Mehr noch: Sie sind
Technologie bereits eingesetzt wird.
ihnen in Bezug auf Losgröße 1 und Kleinserien hinsichtlich großer Designvariationen
Die Potenziale additiver Fertigungsverfah-
und kurzer Durchlaufzeiten ein ganzes Stück
ren auch für die industrielle Großserienfer-
voraus.
tigung nutzbar zu machen, ist unser Ziel am F raunhofer IPK. Dafür haben wir eigens
Unser Augenmerk richtet sich jedoch nicht
ein Kompetenzteam aus Spezialisten unter-
allein auf den additiven Fertigungsschritt
schiedlicher Fachdisziplinen zusammenge-
selbst. Vielmehr verstehen wir diese inno-
stellt, das agil und flexibel in interdiszipli-
vativen Verfahren als integrierten Teil einer
nären Projekten zusammenarbeitet, um
kompletten Fertigungskette und betrachten
ganzheitliche kundenindividuelle Lösun-
auch alle vor- und nachgelagerten Prozesse.
gen für den industriellen Einsatz additi-
So wollen wir mithilfe der numerischen Simu-
ver Fertigungstechnologien zu entwickeln.
lation die Lücke zwischen Entwurf und Ferti-
Dabei konzentrieren wir uns auf die Werk-
gung schließen und Probleme bei additiven
stoff-, Prozess- und Produktentwicklung, die
Bauprozessen frühzeitig erkennen. Außer-
Konzeption von additiven Fertigungsanla-
dem bieten wir mit einer eigenen App-Ent-
gen und peripheren robotischen Unterstüt-
wicklung eine mobile Lösung für die Quali-
zungssystemen sowie die Einführung von
tätssicherung in der additiven Produktion.
Qualitätssicherungs- und Qualitätsmanage-
Mehr darüber erfahren Sie im Heft. Viel
mentsystemen. Einen Einblick in die aktuel-
Freude beim Lesen wünscht Ihr
len FuE-Projekte unseres Kompetenzteams »Additive Fertigung« geben wir Ihnen in dieser FUTUR. *Quelle: Statista 2018
Eckart Uhlmann
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Cross Technology Neues Kompetenzteam »Additive Fertigung« am Fraunhofer IPK 2017 wurde am F raunhofer IPK das »Competence Team Additive Manufactu-
satz von 3D-Technologien. Dabei wird der
ring – CTAM« ins Leben gerufen, um das bereits vorhandene FuE-Know-how
gesamte Produktlebenszyklus berücksich-
geschäftsfeldübergreifend zu bündeln. Spezialisten aus den Bereichen Virtuelle
tigt – vom Design über die Fabrikplanung
Produktentstehung, Produktionssysteme, Mikroproduktionstechnik, Füge- und
und Fertigung bis hin zu Qualitätsmanage-
Beschichtungstechnik und Unternehmensmanagement kooperieren hier agil und
ment und Recycling. Gemeinsam mit den
flexibel in interdisziplinären Projekten und entwickeln ganzheitliche kundenindi-
Fraunhofer-Instituten IWS, IWU und MEOZ
viduelle Lösungen für den industriellen Einsatz additiver Fertigungstechnologien
leistet das Fraunhofer IPK hier einen zen-
in Unternehmen des Turbomaschinenbaus sowie Werkzeug- und Formenbaus.
tralen Beitrag zum Forschungsprogramm »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« des BMBF, in dessen Rahmen das Projekt noch die nächsten zwei Jahre gefördert wird.
►►Produkt- und Prozessentwicklung Am Fraunhofer IPK konzentrieren sich die Forschungsdienstleistungen des Kompetenzteams »Additive Fertigung« künftig auf die Werkstoff-, Prozess- und Produktentwicklung, die Entwicklung von additiven Fertigungsanlagen und peripheren robotischen Unterstützungssystemen sowie die Einführung von Qualitätssicherungs- und Qualitätsmanagementsystemen. Im Bereich der Werkstoffentwicklung arbeiten die Wissenschaftler an der Zusammenstellung neuer Werkstoffe durch das Dotieren vorhandener Werkstoffe mit weiteren Legierungselementen, der Analyse von Ausgangswerkstoffen für die jeweiligen additiven Fertigungstechnologien und der Absicherung der Werkstoffeigenschaften durch Analysen. Neben
Additiv gefertigte Turbinenschaufel im virtuellen Scan
dem Einsatz von additiven Technologien für Ziel der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten des neuen Kompetenzteams ist es, die
►►Roadmap für den breiten industriellen Einsatz
die Herstellung von Bauteilprototypen in verschiedenen Geometrievarianten unter-
Wettbewerbsfähigkeit seiner Kunden durch
Die IPK-Expertinnen und -Experten greifen
suchen die Wissenschaftler auch geeignete
anwendungsspezifische System- und Detail-
dabei auf ihre rund zehnjährigen Erfahrun-
Verfahrenskombinationen für eine flexible
lösungen sowie Innovationsvorsprünge
gen in verschiedenen bilateralen Projekten
und schnelle Produktherstellung.
durch systematische Forschung langfristig
und großen Verbundvorhaben zurück. Als
zu verbessern. Im Hinblick auf die additiven
Partner im Projekt »AGENT 3D« entwickeln
Um Probleme bei additiven Bauprozessen
Fertigungstechnologien werden dabei alle
sie seit 2013 generative Prozessketten für
früh zu erkennen und Optimierungspoten-
zur Herstellung eines Produkts notwendi-
die Branchen Turbomaschinen, Luftfahrt,
ziale auszuschöpfen, setzen die Experten
gen Prozessschritte und Randbedingungen
Werkzeugbau und Konsumgüterindustrie.
außerdem auf die numerische Simulation.
ganzheitlich betrachtet, um diese Technolo-
Zentrale Aufgabe des Projekts ist die Erar-
Sie kann noch vor dem ersten Experiment
gien künftig im industriellen Umfeld ressour-
beitung einer wissenschaftlichen, techni-
Hinweise zur Aufbaustrategie und der dar-
censchonend und wertschöpfend einsetzen
schen, organisatorischen und ökonomischen
aus folgenden Maßhaltigkeit eines Bauteils
zu können.
Roadmap für den breiten industriellen Ein-
geben. Das Kompetenzteam entwickelt am
FUTUR 2/2018
Brennerdüse für eine Mikrogasturbine aus der Nickel-Basis-Legierung Inconel 718
Beispiel des Laser-Pulver-Auftragschweißens
kontrolle ist bisher jedoch nicht möglich, da
die Simulationstechnologie weiter, um auch
vor allem der Zusammenhang zwischen den
große praxisrelevante Teile zu berechnen
Produktionsdaten und der Bauteilqualität
und qualitativ hochwertige Vorhersagen zu
unbekannt ist. Deshalb hat sich das Kom-
generieren.
petenzteam auch zur Aufgabe gemacht,
Auf der Basis von Strukturanalysen erarbei-
ten zu entwickeln, aus denen sich wiede-
Qualitätsroutinen für additive Prozessketten die Wissenschaftler außerdem anwen-
rum Maßnahmen zur Optimierung der addi-
dungsnahe Konzepte für Werkzeugma-
tiven Produktion insgesamt ableiten lassen.
schinen und Multimaterialsysteme, deren
Auch hier sind anwendungsnahe Lösungen
Komponenten leicht adaptierbar sind. Die
das Ziel, die eine robuste Serienproduktion
Ausstattung mit Sensoren und peripheren
ermöglichen.
Detail eines additiv gefertigten Schaufelrads aus Inc718
Monitoringsystemen ermöglicht zusätzlich eine integrierte Zustandserfassung
►►Mehrwert für Unternehmen
Portfolio des Kompetenzteams durch Semi-
und -überwachung der Anlagen. Für eine
Heute kooperieren bereits elf wissenschaft-
nare zur Weiterbildung von Fachpersonal
Einbindung additiver Fertigungssysteme in
liche Mitarbeiter im Kompetenzteam »Addi-
ergänzt. Zudem kooperiert das Fraunhofer
flexible Produktionsstrukturen verfolgen
tive Fertigung« und nutzen Synergieeffekte
IPK mit regionalen, nationalen und interna-
die Ingenieure des Kompetenzteams den
aus ihren Fachdisziplinen, um komplexe Fra-
tionalen Netzwerken und Allianzen und ist
Anspruch, die Verfahren als zertifizierungs-
gestellungen effizient zu bearbeiten und
in verschiedenen Normungsgremien des DVS
eine zielgerichtete Systemforschung über die
und des VDI aktiv.
fähige Produktionssysteme zu etablieren.
gesamte Wertschöpfungskette der additiven
►►Qualitätsmanagement für additive Prozesse
Produktion zu realisieren. Der exklusive und bereichsübergreifende Zugang zu Wissen
Grundlage für eine Zertifizierung additiver
sowie zu Kompetenz- und Technologieträ-
Technologien ist ebenfalls ein effektives Qua-
gern schafft einen deutlichen Mehrwert für
litätsmanagement. Vor allem in Bezug auf
die im Markt agierenden Unternehmen. Sie
die Serientauglichkeit additiver Technologien
profitieren von der interdisziplinären Vorlauf-
gelten Prozesssicherheit und Qualitätssiche-
forschung des F raunhofer IPK und haben als
rung nach wie vor als große Herausforderun-
Projektpartner die Chance, bereits nach kur-
Ihr Ansprechpartner
gen für Hersteller und Anwender. Zwar gibt
zer Integrationsphase ihre Produkte und
André Bergmann
es einige Insellösungen für partielle Prozess-
Dienstleistungen im Markt wettbewerbsfä-
Telefon: +49 30 39006-107
überwachungen. Eine umfassende Qualitäts-
hig anzubieten. Darüber hinaus wird das
andre.bergmann@ipk.fraunhofer.de
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Expertenumfrage Trends 2020 Zukünftige Dienstleistungen und Produkte additiver Technologien Aufgrund der immer kürzeren Innovationszyklen gewinnt die Integration neuer
additiven Großanlagen in Kombination mit
Technologien in Unternehmensportfolios zunehmend an Bedeutung, um Produkte
dazugehörigen Fabrikkonzepten. Ziel ist es,
schnell im Markt platzieren zu können. Gerade additive Technologien bieten die
auch bei additiven Technologien den Sprung
Chance, zukünftig in verschiedensten Branchen individuelle, hochfunktionsinteg-
von der Prototypen- hin zur Serienfertigung
rierte und komplexe Produkte in Kleinserie herzustellen. Für die Einordnung von
zu realisieren.
Grenzen und Möglichkeiten additiver Technologien zeigt eine vom Fraunhofer IPK erstellte und im Rahmen der Initiative »Zwanzig20 – Partnerschaft für Inno-
Die Investitionen in neue Konzepte wie Koh-
vation« vom BMBF geförderte Expertenumfrage branchenübergreifend die
lefaser- oder Metalldrucker für den Automo-
Marktpotenziale additiver Technologien auf und identifiziert Trendfaktoren sowie
bilbereich, 3D-Druck-Roboter und mobile
Herausforderungen für deren Umsetzung.
3D-Baudrucker oder gar das Bioprinting zeigen, dass sich der Markt branchenspezifisch orientiert. Der Fokus liegt nicht allein auf der
Innerhalb des FuE-Projekts »AGENT-3D
Technologieentwicklung treibender Bran-
Anlagenentwicklung, sondern verteilt sich
Basis – Rahmenbedingungen für die addi-
chen wie dem Turbomaschinenbau, der
entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
tiv-generative Fertigung« untersuchte
Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik,
Mit der gleichzeitigen Erforschung neuer
das F raunhofer IPK zusammen mit dem
dem Fahrzeugbau sowie dem Werkzeug-
Werkstoffe, Prozesse und der Qualifizierung
Fraunhofer IMW, IWS und IWU technische,
und Formenbau. Bei einem aktuell globa-
neuer Applikationen werden additive Ferti-
wirtschaftliche, gesellschaftliche und poli-
len Marktvolumen von circa 7,5 Milliarden
gungstechnologien damit zu einem festen Bestandteil der künftigen Produktion.
tische Aspekte, die die Einsatzpotenziale
Dollar investieren nicht nur Großunterneh-
additiv-generativer Fertigungsverfahren in
men in additive Fertigungstechnologien,
der industriellen Fertigung in Deutschland
sondern auch Mittelständler. Die retrospek-
►►Von der Kleinserie zur Serie
beeinflussen. Auf Basis der Ergebnisse lei-
tive Entwicklung des Marktes zeigt, dass
Die Fraunhofer-Umfrage macht auch deut-
ten die Fraunhofer-Wissenschaftler mög-
dieser seit mehr als zehn Jahren einem ste-
lich, dass die Integration von additiven Tech-
liche Entwicklungspfade für Einsatzfel-
tigen Wachstum von 30 Prozent unterliegt,
nologien in den Massenmarkt nach wie vor
der additiv-generativer Technologien ab.
wodurch immer mehr neue Akteure in den
als gering bewertet wird. Ein Grund dafür ist
Dabei interessieren sie neben industriellen
Markt eintreten. Für das Jahr 2020 prog-
der derzeitige Entwicklungsstand der Ferti-
Anwendungen auch Produkte aus dem
nostiziert der aktuelle Wohler-Report ein
gungssysteme, welche noch nicht die nötige
Konsumgüterbereich.
globales Marktvolumen von über 21 Milli-
Stabilität und auch noch zu hohe Produk
arden Dollar. Diese Entwicklung belegt die
tionszeiten für die Serienfertigung besitzen.
Die Expertenumfrage erfolgte im Rahmen
Akzeptanz der Unternehmen und deren
einer Szenario-Analyse zu den Einflussfak-
Vertrauen in das Zukunftspotenzial additi-
Auf dem Weg zur Industrialisierung additi-
toren und der Wertschöpfung der addi-
ver Fertigungstechnologien.
ver Fertigungstechnologien stehen deshalb
tiv-generativen Fertigung und erfasst den heutigen Zustand sowie die Entwicklungen, Herausforderungen und Zukunftstrends des
verschiedene Forschungsschwerpunkte im
►►Branchenübergreifendes Wachstum
Fokus der Wissenschaft. Dazu gehören die Materialqualifizierung, die Zustandsüberwa-
deutschsprachigen Marktes für additive Ferti-
So traten laut der F raunhofer-Umfrage
chung und das Anlagenmanagement, die
gungstechnologien. Dazu wurden Anwender,
Großinvestoren aus den unterschiedlichs-
Automatisierung sowie die Digitalisierung
Dienstleister, Pulver- und Anlagenhersteller
ten Branchen in den Markt ein. Konzerne
der Produktionskette. Durch die fortschrei-
sowie Forschungseinrichtungen befragt. Die
wie General Electric, Ford Motor Company,
tende Spezialisierung der einzelnen addi-
Antworten wurden im Nachgang in einem
Körber, Klöckner & Co, Caterpillar, Johnson
tiven Fertigungstechnologien entstehen in
Expertenworkshop validiert.
& Johnson, BMW, Google, Lowe, Microsoft,
den verschiedenen Branchen neue Anwen-
Siemens und Porsche investieren dabei vor
dungsfälle, welche vor wenigen Jahren noch
Eindeutiges Ergebnis der Umfrage: Die
allem direkt in Start-ups und fördern die Ent-
nicht denkbar waren. Dabei prägen Trends
additive Fertigung erfährt weiterhin einen
wicklung spezieller Materialien und konkre-
aus der konventionellen Fertigung auch
starken Aufschwung, vor allem dank die
ter Produkte, aber auch die Umsetzung von
die additiven Technologien und tragen zu
FUTUR 2/2018
Umfrage und Messe form.next
VDMA, VDI, ACATEC, DMRC
Vereinsmitglieder AGENT-3D
Bedarfsfelder der Industrie
Erfolgsfaktoren für Umsetzung
Erfolgsfaktoren für Umsetzung
Sammeln von Erfahrungen und Vertrauen
Funktionsintegriertes Produktdesign
Normen und Richtlinien
Wissenstransfer
Konstruktions- bzw. Gestaltungsrichtlinien
Gestaltung der Wertschöpfungskette
Verständnis der Vor- und Nachteile
Ausbildung von Fachkräften
Zukunftsgerichtete, unterstützende Unternehmenskultur
Akzeptanz
Erweiterung der Werkstoffpalette
Branchenstruktur
Grundlagenwissen/Standards/Richtlinien
Materialentwicklung und Qualifizierung
Branchenstandards
Materialvielfalt
Prozessproduktivität
Prozesssicherheit
Spezifikation der Materialqualität
Reduzierbarkeit der Prozesse
Entwicklung der Konkurrenzverfahren
Vielzahl der Produktionsparameter
Entwicklung von Prozessketten und Workflows
Nachbearbeitungsprozesse
Produktqualitätsstandards
Normen und Standards
Automatisierungsgrad
Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit
Datenerfassung und -systeme
Erhöhung der Materialzuverlässigkeit
Optimierung der Prozessparameter
Datenintegrität
Qualitätssicherungsmethoden
Automatisierungslösungen
B2C- und B2B-Konzepte für die Prozesskette
Parameterentwicklung
Qualitätssicherung
Rechtssicherheit Produkthaftung
Bauteilfertigungskosten
Erfahrung mit Maschinensystemen
Qualitätssicherungsmethoden
Funktionsintegration
Technologischer Kundensupport Kommunikation zwischen verschiedenen Produktionssystemen Softwareauswahl für Maschinenkommunikation Standardisierung
Produktinnovationszyklus
Ergebnisse der Expertenumfrage im Rahmen des Projekts »AGENT-3D Basis – Rahmenbedingungen für die additiv-generative Fertigung«
für die Weiterentwicklung der Technologie
qualitativen Sprung im Umgang mit additi-
in den nächsten Jahren. Dabei ermitteln die
ven Fertigungstechnologien erlebt. Dafür
Neue Anlagenkonzepte
Wissenschaftler im Sinne der Systemwissen-
müssen neue Anwendungen, Prozessketten
Verträge und Geschäftsmodelle OEMs/Supplier
schaft Zusammenhänge und Wechselwir-
und Workflows insbesondere für KMUs
kungen und analysieren, welche Faktoren in
zugänglich gemacht werden. Ziel muss es
einer digitalen und vernetzten Wertschöp-
sein, dass der Kundennutzen auch für kleine
fung über Erfolg und Misserfolg bei der Ein-
und mittlere Firmen deutlich wird und die
zählen die Automatisierung für den Trans-
führung neuer Technologien entscheiden.
Vorteile der additiven Fertigung gegenüber
fer zwischen Maschinen und Messsystemen,
Signifikante Faktoren für die additive Fer-
konventionellen Fertigungsverfahren auch
multimaterial- und anwendungsspezifische
tigung sind die Entwicklung von Anlagen,
hier zum Tragen kommen.
Werkstoffe, Verfahrenskombinationen für
Software und Werkstoffen. Für eine Pro-
die hybride Fertigung, kundenindividuell
duktion in einem gemeinschaftlichen Wert-
konfektionierte Werkstoffe, hier z. B. der
schöpfungsnetzwerk ist darüber hinaus die
innovativen Lösungen im Markt bei. Dazu
Einsatz von TRIP-Stählen statt Titan, sowie
branchenspezifische Zertifizierung für Pro-
eine softwarebasierte Prozessüberwachung.
zesse und Werkstoffe wichtig. Außerdem ist in den nächsten Jahren die Ausbildung von
►►Erfolgsfaktoren
Fachkräften auf allen Ebenen von zentraler
Mit der Expertenumfrage stellt das Fraunhofer
Bedeutung.
IPK unabhängige Fachinformationen und
Ihr Ansprechpartner
Handlungsempfehlungen für den Einsatz
Diese Faktoren können sich durch gezielte
André Bergmann
additiver Fertigungstechnologien bereit und
Steuerung und Organisation so entwickeln,
Telefon: +49 30 39006-107
beschreibt machbare Rahmenbedingungen
dass die nationale Wertschöpfung einen
andre.bergmann@ipk.fraunhofer.de
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Anspruchsvoll qualifiziert Comeback des Kupfers im Werkzeugbau
Die Integralbauweise, also die Herstellung eines Bauteils statt mehrerer Einzelteile, ist ein weiterer Vorteil des SLM-Verfahrens. Der schichtweise Aufbau macht völlig neue Werkzeugkonstruktionen möglich und redu-
Die Fertigung von komplexen Werkzeugen ist oft mit aufwendigen Schritten
ziert die Baugruppenkomplexität drastisch.
verbunden und eine große Herausforderung für die gesamte Prozesskette. Konven-
Nachfolgende Montageschritte von Werk-
tionelle Fertigungsverfahren stoßen vor allem beim Einbringen von Kühl- oder
zeugkomponenten entfallen komplett. Bis-
Temperierkanälen in ein Bauteil sehr schnell an ihre Grenzen. In den meisten Fällen
her wurden jedoch nur wenige Werkstoffe
können solche Kühlkanäle nur gebohrt werden. Dadurch wird die Design- und
für das SLM-Verfahren untersucht und
Konstruktionsfreiheit stark eingeschränkt. Das Selektive Laserstrahlschmelzen
qualifiziert. Wissenschaftler des IWF der TU
(SLM) als additive Technologie dagegen ermöglicht die Fertigung von Bauteilen
Berlin arbeiten deshalb an der Erweiterung
und Werkzeugen mit nahezu unbegrenzter geometrischer Komplexität. Durch
der Werkstoffpalette sowie an einem tie-
den Einsatz spezieller Funktionswerkstoffe können außerdem die Standzeiten
feren Prozessverständnis, um das Verfah-
der Werkzeuge erhöht und Taktzeiten sowie Bauteilausschuss reduziert werden.
ren für den breiten industriellen Einsatz zu
Wissenschaftler am IWF der TU Berlin arbeiten deshalb an der Qualifizierung von
etablieren.
aushärtbaren Kupferlegierungen für das SLM-Verfahren.
►►Qualifizierung von Kupfer für das SLM-Verfahren Die Qualifizierung neuer Werkstoffe für die additive Bearbeitung mit SLM ist ein zeit- und ressourcenaufwendiger Prozess. Zuerst muss das Pulver als Ausgangswerkstoff umfassend auf Qualitätsmerkmale wie chemische Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Feuchte, Fließfähigkeit und Schüttdichte untersucht werden. Da das Pulver einen großen Einfluss auf die Prozessund Bauteilqualität hat, ist es wichtig jedes dieser Merkmale zu prüfen. Danach finden technologische Untersuchungen zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften statt. Qualitätskennwerte wie Gefügebildung, relative Dichte, Härte sowie statische und dynamische Festigkeiten sind hier von Interesse. Diese Kennwerte werden umfassend Selektives Aufschmelzen des Metallpulvers während eines SLM-Prozesses
geprüft und im Vergleich Guss- und Knetlegierungen gegenübergestellt. Anschließend
►►SLM-Verfahren im Werkzeug- und Formenbau
gefertigte Bauteile erreichen eine relative
finden Untersuchungen zur Wärmenach-
Dichte von über 99 Prozent und weisen ver-
behandlung statt. Neben den genannten
Die Anforderungen an Fertigungswerkzeuge
gleichbare oder sogar bessere mechanisch-
werkstofflichen Qualitätsmerkmalen werden
steigen stetig. Zum einen werden die Geo-
technologische Eigenschaften als Guss- oder
dabei auch Bauteileigenschaften wie Ober-
metrien, insbesondere die Innengeometrien,
Knetlegierungen, beispielsweise in Bezug
flächengüte sowie Form- und Maßgenau-
immer komplexer. Zum anderen werden die
auf die Zugfestigkeit, auf. Beliebige Geo-
igkeit vor und nach der Nachbearbeitung
Werkzeuge überwiegend einzeln oder in
metrien wie konturnahe Kühlkanäle lassen
untersucht und je nach Bedarf optimiert.
Kleinserien hergestellt. Die Zulieferer sind
sich mit SLM sehr gut in hochkomplexen
dabei ständigem Kosten- und Zeitdruck aus-
Werkzeugen umsetzen. Durch die kontur-
Technische Kupferlegierungen finden auf-
gesetzt. Aus diesem Grund wird das Selek-
nahe Kühlung von Werkzeugen können ver-
grund ihrer hohen thermischen und elek-
tive Laserstrahlschmelzen immer wichtiger
zugsarme Spritzgussteile hergestellt werden.
trischen Leitfähigkeit, ihrer ausgezeichne-
für den Werkzeug- und Formenbau. Mit SLM
Bauteilausschuss wird so deutlich reduziert.
ten Warm- und Verschleißfestigkeit sowie
FUTUR 2/2018
den genannten Alleinstellungsmerkmalen von SLM-Verfahren wieder breite Anwendung im Bereich Werkzeug- und Formenbau. Allerdings ist die SLM-Verarbeitung von Kupferlegierungen mit einigen Herausforderungen verbunden. Die Gründe dafür sind vor allem die hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Reflektivität dieser Werkstoffe. Dadurch wird der Energieeintrag durch den Laser erschwert und die gesamte SLM-Prozessführung anspruchsvoller. In der Industrie sind derzeit SLM-Anlagen mit einer Laserleistung bis 400 Watt weit verbreitet. Die Verarbeitbarkeit von Kupferlegierungen wurde bisher allerdings vornehmlich auf Anlagen mit einer sehr hohen Laserleistung erfolgreich nachgewiesen. Ein Ziel der Wissen-
Additiv gefertigte Werkzeuge für das elektromagnetische Umformen: a.) Flachspule mit innenliegendem Kühlkanal; b.) komplexe 3D-Spule
schaftler ist es deshalb, die Verarbeitbarkeit von neuen Werkstoffen auch an Anlagen
erreichte Bauteildichte liegt im Bereich von
fer erreicht typische Werte für eine additive
99,9 Prozent und übertrifft damit deutlich
Fertigung im Bereich von 100 bis 120 Mikro-
den aktuellen Stand der Technik. Die Zugfes-
metern. Die erzielte elektrische Leitfähigkeit
►►Werkstoff im Praxistest
tigkeit und die Dehngrenze von additiv gefer-
entspricht rund 94 Prozent der elektrischen
Am IWF der TU Berlin wurde die Kupfer
tigtem Kupfer entsprechen oder sind sogar
Leitfähigkeit einer Knetlegierung.
mit geringerer Laserleistung sicherzustellen.
legierung CuCr1Zr erfolgreich für das Selek-
höher als die Werte einer Knetlegierung.
tive Laserstrahlschmelzen qualifiziert. Die
Die Oberflächengüte von additivem Kup-
Im Anschluss an die Werkstoffqualifizierung wurden Werkzeuge für das elektromagne-
Mechanisch-technologische Werkstoffkennwerte von CuCr1Zr
tische Umformen gebaut und ersten Anwendungstests unterzogen. In den praktischen Untersuchungen wurden die additiv gefertigten Werkzeuge den konventionellen gegenübergestellt. Die erzielten Umformergebnisse waren für beide Werkzeugarten vergleichbar – für die Wissenschaftler der Beleg, dass die Qualifizierung der Kupfer legierung für den SLM-Prozess sowie der anschließende Praxistest als Produkt erfolgreich waren.
Ihr Ansprechpartner Vasyl Kashevko Telefon: +49 30 314-22413 kashevko@iwf.tu-berlin.de
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Gut gebaut, Verzug im Griff Anlagenentwicklung und In-Situ-Eigenspannungsmessung am PTZ Das Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) gewinnt als additives Fertigungsverfahren zunehmend an Bedeutung in der Industrie. Die Erzeugung beinahe beliebig komplexer Bauteile sowie gute erzielbare mechanische Festigkeitswerte sind vielversprechende Vorteile dieser noch relativ jungen Technologie. Ihre Anwendung in der Serienfertigung wird jedoch bis heute durch die fehlende Prozesssicherheit eingeschränkt. Diese äußert sich unter anderem in Verzug und Rissbildung in den additiv gefertigten Bauteilen, wodurch nicht nur Defekte im Bauteil selbst, sondern auch in der Maschine entstehen. Wissenschaftler am PTZ wollen deshalb mit der Entwicklung einer eigenen SLM-Versuchsanlage ein tieferes Prozesswissen aufbauen, um die Ursachen für diese Phänome zu minimieren und die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zu verbessern.
Ein Grund für die Entstehung von Verzug
technisch erfasst werden soll. Möglich wird
sie an externen Elektronenbeschleunigern
und Rissen in additiv gefertigten Bauteilen ist
das durch das physikalische Phänomen der
realisiert werden kann, möglich. Die PTZ-
der äußerst dynamische Wärmehaushalt, der
Beugung von Röntgenstrahlen an Metall-
Forscher führen ihre Versuche deshalb am
sich durch hohe lokale Temperaturgradien-
strukturen. Röntgenstrahlung, die auf einen
Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)
ten sowie zyklische Aufwärm- und Abkühl-
metallischen Körper trifft, wird abhängig
in Hamburg durch, wo solch ein hochener-
phasen während des Fertigungsprozesses
von dessen Verzerrungszustand abgelenkt.
getischer Röntgenstrahl vorhanden ist.
ergibt und zu hohen Eigenspannungen in
Der Ablenkwinkel kann erfasst werden und
den Bauteilen führt. Zwar können Eigen-
liefert Rückschlüsse auf die vorherrschen-
Die anspruchsvollen Rahmenbedingungen
spannungen durch eine geeignete Wahl der
den Eigenspannungen im Bauteil. Da Rönt-
für die röntgenographischen Experimente
Prozessparameter und der Belichtungsstrate-
genstrahlung jedoch in hohem Maße von
erfordern die Umsetzung eines neuartigen
gie verringert werden. Der Versuchsaufwand
Metallen absorbiert wird, ist eine durch-
Maschinenkonzepts für das Selektive Laser-
zur Parameterfindung kann mitunter jedoch
gängige Messung der Schichten nur mit
strahlschmelzen. Dafür ist es unerlässlich,
sehr umfangreich sein, da die Fertigungs-
hochenergetischer Röntgenstrahlung, wie
dass die Prozesskammer in Messrichtung
strategie mit sich ändernder Bauteilgröße und -geometrie sowie bei Werkstoffwechsel angepasst werden muss. Soll der Versuchsaufwand dauerhaft reduziert werden, ist es unumgänglich den Fertigungsprozess im Detail verstehen und beschreiben zu können und damit schließlich leistungsfähige Simulationstools zu ermöglichen.
►►Röntgenographische Untersuchungen Um die Entstehung von Eigenspannungen während des Selektiven Laserstrahlschmelzens besser zu verstehen, entwickeln Wissenschaftler am Produktionstechnischen Zentrum eine spezielle SLM-Versuchsanlage, mit der erstmals bereits während der Verfestigung der einzelnen Schichten im Prozess der Eigenspannungszustand mess-
Blick in die im Aufbau befindliche Prozesskammer zur In-situ-Eigenspannungsanalyse
FUTUR 2/2018
möglichst transparent für eine Röntgenstrah-
Obwohl sie sich optisch von herkömmlichen
lung gestaltet ist, sodass weitestgehend
SLM-Anlagen unterscheidet, ist sie ihnen
ungefilterte Messungen mit kurzer Erfas-
funktionell sehr ähnlich. Hinzu kommt:
sungszeit realisiert werden können. Des Wei-
Durch eine zusätzlich integrierte Linearachse
teren soll ein Messmodus umgesetzt werden,
kann hier das Pulverbett nicht nur in Höhen-
der es erlaubt, äquidistant zum einfallenden
richtung, sondern auch in Längsrichtung der
Laserstrahl zu messen. Da der hochenerge-
Kammer präzise bewegt werden. Ein- und
tische Röntgenstrahl am DESY in Hamburg
Austrittsöffnungen für die Röntgenstrahlung
ortsfest ist, muss dementsprechend die Ver-
sowie die erhöht ausgerichtete Bauplattform
fahrenskinematik angepasst werden, sodass
sorgen für die notwendige Röntgentranspa-
letztendlich die Bauplattform die benötigte
renz. Durch den dreiteiligen Aufbau ist die
Relativbewegung zwischen Laserstrahl und
geforderte Mobilität und Kompaktheit der
Pulverbett ausführen kann. Die besonderen
Prozesskammer für den Einsatz am DESY
Randbedingungen erlauben es, quaderför-
gegeben. Ein weiterer Vorteil: Dem PTZ steht
mige Bauteile zu fertigen und diese in situ
damit ein vielseitig einsetzbares System zur
Schicht für Schicht zu vermessen.
Anlagenentwicklung im Bereich des SLM
►►Neues Anlagenkonzept
Anwendungsbedarf nahezu beliebig modi-
Das am PTZ entworfene Maschinenkon-
fiziert werden kann.
zur Verfügung, das je nach Forschungs- und
zept basiert auf dem modularen Grund-
Modulare SLM-Anlage mit Prozesskammereigenbau
Fragestellungen wie Rekristallisationsvorgänge und Phasenumwandlungen im
gerüst einer AconityMINI SLM-Anlage,
Oberste Maxime der Wissenschaftler ist es,
Gefüge auf die Eigenspannungsentstehung
welche durch eine eigens entwickelte Pro-
mit der neu entwickelten Versuchsanlage
angesetzt. Die Wissenschaftler des PTZ
zesskammer den Anforderungen entspre-
den industriellen SLM-Prozess so nah wie
arbeiten dabei eng mit dem Fachgebiet für
chend erweitert wird. Die Steuerungstech-
möglich abbilden zu können. Damit soll
Metallische Werkstoffe der Technischen Uni-
nik, Medien- und Energieversorgung sowie
sichergestellt werden, dass die in Zukunft
versität Berlin zusammen. Die zu erwarten-
der Laser befinden sich in einem separa-
gewonnenen Erkenntnisse aus der Grund-
den Ergebnisse aus den Untersuchungen
ten Maschinenmodul, das gleichzeitig als
lagenforschung direkt in den industriellen
sollen zur Klärung der funktionalen Zusam-
Bedienpanel fungiert. Ein weiteres Modul
Einsatz übertragen werden können. In den
menhänge von Prozessparametern und
sorgt für die Umwälzung und Filtration der
geplanten Messreihen nach Fertigstellung
Eigenspannungszustand beitragen und
Schutzgasatmosphäre in der Prozesskammer.
der SLM-Versuchsanlage sind umfangreiche
damit auch eine Grundlage zur Überprüfung
Das dritte und letzte Modul, die Prozess-
Untersuchungen zum Einfluss geometrischer
und Erweiterung bestehender Ansätze der
kammer, bildet das Herzstück der Anlage.
Größen, aber auch werkstofftechnischer
numerischen Simulation bilden.
Trichter für die Pulverbeschichtung
Ihr Ansprechpartner Erwin Krohmer Telefon: +49 30 314-23293 erwin.krohmer@iwf.tu-berlin.de
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12
Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
3D-Druck für Metalle Selektives Laserstrahlschmelzen und Laser-Pulver-Auftragschweißen Für die additive Verarbeitung von metallischen Werkstoffen haben sich zwei unterschiedliche Verfahrensprinzipien in der Anwendung etabliert. Dazu gehören die Fertigung im Pulverbett mit Verfahren wie dem Selektiven Laserstrahlschmelzen sowie die Fertigung mittels Pulverdüse bei Verfahren wie dem Laser-PulverAuftragschweißen. Für industrielle Anwender ist es entscheidend, die jeweiligen Vorteile zu kennen um das optimale Verfahren für die eigenen Anwendungsfälle auszuwählen.
SLM wird derzeit zur Herstellung von Werkzeugen für den Kunststoffspritzguss und Druckguss vielfältig eingesetzt. Auch ist es möglich, sehr filigrane Strukturen für Dentalund Humanimplantate zu fertigen. Die Komplexität des Bauteils hat beim SLM-Verfahren nur einen geringen Einfluss auf die Stückkosten, da diese vor allem volumen- und nicht geometrieabhängig sind. Der Aufbau kompletter Komponenten ist insbesondere für die Turbomaschinenindustrie relevant. Hier werden in der industriellen Anwendung aktuell Gasturbinenbrenner aufgebaut. Speziell in Bereichen mit Bauteilen kleiner Losgrößen und komplexer Geometrien ist Belichtung einer Pulverschicht mittels Selektivem Laserstrahlschmelzen
das SLM-Verfahren heute schon eine konkurrenzfähige Alternative zu der konventio
►►Selektives Laserstrahlschmelzen
Anschließend wird die Bauteilplattform um
Das Selektive Laserstrahlschmelzen, englisch
eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue
nellen Fertigung.
Selective Laser Melting (SLM), ermöglicht die
Pulverschicht aufgebracht. Diese Schritte
►►Laser-Pulver-Auftragschweißen
additive Fertigung von Bauteilen direkt aus
werden so lang wiederholt, bis das Bauteil
Beim Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA)
einer CAD-Datei. Die Fertigung findet dabei
komplett gefertigt wurde.
im Pulverbett auf einer Substratplatte statt
wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff auf ein vorhandenes Bauteil aufgeschweißt.
und besteht aus drei sich wiederholenden
Verarbeitet werden können prinzipiell alle
Dabei wird mittels Laserstrahlung ein klei-
Schritten. Im ersten Schritt wird eine Pul-
schweißbaren metallischen Werkstoffe.
ner Bereich der Oberfläche aufgeschmolzen.
verschicht gleichmäßig über der Substrat-
Dazu gehören Edelstähle sowie Titan-, Alu-
Gleichzeitig wird ein pulverförmiger Zusatz-
platte oder der letzten bereits verarbeiteten
minium-, Kobalt-Chrom- und Nickelbasis-
werkstoff in das Schmelzbad eingebracht.
Schicht aufgebracht. Überschüssiges Pulver
Legierungen. Im Gegensatz zu konven-
Eine lokale Schutzgasabdeckung wird über
wird während des Beschichtungsvorgangs
tionellen Fertigungsverfahren bietet das
die Prozessdüse realisiert. Der Zusatzwerk-
in einen Überlaufbehälter geschoben und
SLM-Verfahren eine enorme Gestaltungs-
stoff bildet nach Erstarrung eine schmelz-
kann nach einer Siebung erneut genutzt
freiheit in der Bauteilgeometrie. So können
metallurgisch verbundene Schicht auf
werden. Im zweiten Schritt erfolgt die
komplexe Geometrien mit Hohlräumen und
der Oberfläche des Bauteils. Eine flächige
Belichtung. Hierbei wird das Metallpulver
Hinterschnitten gefertigt werden. Damit las-
Beschichtung wird durch mehrere nebenein-
mittels Laserstrahlung selektiv aufgeschmol-
sen sich mehrere Funktionen in ein einziges
ander aufgetragene Schweißraupen gebildet.
zen. Das Pulver ist nach der Erstarrung fest
Bauteil integrieren.
Der Aufmischungsgrad von Zusatzwerkstoff
mit der darunter liegenden Lage verbunden.
und Grundwerkstoff liegt beim Laser-Pulver-
FUTUR 2/2018
Additive Verfahren: a) Selective Laser Melting, b) Laser-Pulver-Auftragschweißen
Materialauftrag möglich. Dies ist insbesondere für Komponenten aus dem Turbomaschinenbau interessant. Hier hat sich der additive Materialauftrag mittels LPA bereits zur Reparatur von Turbinenschaufeln etabliert. Die komplette Fertigung von Schaufelrohlingen ist derzeit Gegenstand aktueller Forschung. Die FuE-Arbeiten am F raunhofer IPK konzentrieren sich auf die komplette additive Prozesskette des Selektiven Laserstrahlschmelzens und des Laser-Pulver-Auftragschweißens. Dazu gehören die Erhöhung der Prozesssicherheit und der Wirtschaftlichkeit sowie die Qualitätssicherung. Die anwendungsorientieren Forschungsarbeiten sind dabei eng mit der Grundlagenforschung verAuftragen einer Schweißraupe mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen
knüpft, um neue Erkenntnisse schnell in
Auftragschweißen unter 5 Prozent. Diese
führen.
industriell nutzbare Anwendungen zu überzuzuführen. Dadurch können einstellbare
geringe Vermischung ist vorteilhaft, um die
Legierungszusammensetzungen in verschie-
Eigenschaften des Beschichtungswerkstof-
denen Schichten erzeugt werden. Im additi-
fes zu erhalten. Für einen additiven Auf-
ven Aufbau besteht so die Möglichkeit die
bau werden einzelne Lagen übereinander
Werkstoffeigenschaften in jeder Lage maß-
aufgeschweißt.
geschneidert für die jeweilige Anwendung einzustellen.
Das Laser-Pulver-Auftragschweißen bietet aus werkstofftechnischer Sicht zahlreiche
Von diesen Vorteilen des Laser-Pulver-Auf-
Vorteile. Der Wärmeeintrag des Lasers ist
tragschweißens profitieren insbesondere
gering und lokal stark begrenzt, was zu
moderne Prozesse im Formen- und Werk-
wenig Verzug und geringer Gefügeschä-
zeugbau, im Automobilbau, der Luftfahrtin-
digung des Grundwerkstoffes führt. Mit
dustrie oder der Energieerzeugung. Neben
Ihr Ansprechpartner
der aktuellen Systemtechnik ist es mög-
dem additiven Neuaufbau von Komponen-
Dr.-Ing. Benjamin Graf
lich, unterschiedliche Pulver gleichzeitig
ten ist auch die Modifikation oder Repara-
Telefon: +49 30 39006-374
zu fördern und gemischt dem Schmelzbad
tur bestehender Bauteile durch zusätzlichen
benjamin.graf@ipk.fraunhofer.de
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Das Beste aus zwei Verfahren Hybrider Aufbau additiver Bauteile Die Fertigung im Pulverbett mit Selektivem Laserstrahlschmelzen (SLM) ermöglicht es, Komponenten mit hoher geometrischer Komplexität mit großer Genauigkeit herzustellen. Im Gegensatz dazu bietet der additive Aufbau mittels Laser-PulverAuftragschweißen (LPA) große Aufbauraten. Das Verfahren eignet sich allerdings eher für geometrisch einfache Körper. Um die jeweiligen Vorteile des SLM- und LPA-Verfahrens gemeinsam zu nutzen, untersuchen Wissenschaftler am Fraunhofer IPK den hybriden Aufbau additiver Komponenten mit beiden Technologien und entwickeln dafür geeignete Baustrategien.
►►Geschwindigkeit und Präzision Ein hybrider Aufbau mittels Selektivem Laserstrahlschmelzen und Laser-Pulver-Auftragschweißen hat das Potenzial, sowohl die große Präzision des SLM-Aufbaus als auch die hohen LPA-Aufbauraten zu nutzen. Deshalb ist die Untersuchung einer SLM-LPAProzesskette Gegenstand der Forschungsarbeiten am F raunhofer IPK. Die Auslegung einer LPA-Baustrategie für die Weiterbearbeitung von SLM-Komponenten zielt dabei darauf ab, qualitativ hochwertige Bauteile mit großer Formgenauigkeit zu fertigen. Für die Gestaltung einer optimalen Aufbaustrategie ist die konkrete Bauteilgeometrie zu beachten. Relevant sind hier insbesondere die Steifigkeit und die Fähigkeit
Aufbau einer Turbinenschaufel mittels SLM (Schaufelblatt) und LPA (Tannenbaumprofil)
zur Wärmeabfuhr im SLM-Bauteil. Zudem
SLM-Bauteilkante durchgeführt wird. Alter-
terstrukturen gegeben. Eine Vermeidung
erleichtert eine ebene Anbindungszone den
nativ ist entlang der Kontur ein Parameterset
von Verzug kann zudem durch die Baustra-
Folgeprozess. Typische mit SLM gefertigte
mit geringem Energieeintrag und kleinem
tegie unterstützt werden. Hier gilt es, die
Gitterstrukturen weisen eine geringe Masse
Schmelzbad vorteilhaft, um die Kante des
Verfahrwege, also die Schweißreihenfolge, zu optimieren.
auf. Dies ist im Sinne des Leichtbaus auch so
SLM-Substrates zu erhalten. Während des
gewünscht. Bei einer Weiterbearbeitung mit-
LPA-Aufbaus von Volumen können dage-
tels LPA kann das jedoch zu einem Wärme-
gen höhere Energieeinträge zur Steigerung
►►Hybride Turbinenschaufel
stau führen. Steigende Temperaturen verur-
der Aufbaurate gewählt werden. Weiterhin
Am F raunhofer IPK wurde im Rahmen der
sachen dann vergrößerte Schmelzbäder, die
lassen sich durch die Einhaltung von Abkühl-
FuE-Arbeiten eine mit der kombinierten
letztlich den LPA-Prozess verändern und zu
zeiten zwischen einzelnen Lagen reprodu-
SLM-LPA-Prozesskette aufgebaute Turbi-
einem ungewollten Abschmelzen der SLM-
zierbare Bedingungen für den LPA-Auftrag
nenschaufel realisiert. Der Prototyp weist im
Bauteilkanten führen können.
schaffen.
Schaufelblatt komplexe Strukturen auf, die
Zur Vermeidung einer abschmelzenden Bau-
Um einen Verzug der SLM-Gitterstrukturen
SLM-Gitter umgesetzt wurden. Der Aufbau
teilkante muss die Aufbaustrategie so gestal-
durch den LPA-Materialauftrag zu vermei-
des Tannenbaumprofils erfolgt mittels LPA.
tet werden, dass der Verfahrweg des LPA-
den, ist eine ausreichende Steifigkeit wich-
Für diese vergleichsweise einfache Geome-
Auftrages mit ausreichendem Abstand zur
tig. Üblicherweise ist diese durch SLM-Git-
trie kann hier die hohe Aufbaurate des LPA-
für Demonstrationszwecke durch typische
FUTUR 2/2018
sen Verzug möglichst gering zu halten. Ein weiteres Indiz sind die Stückzahlen: Die hohe Aufbaurate des LPA-Prozesses kann voll genutzt werden, wenn mehrere Bauteile parallel aufgebaut werden. Dadurch kann der Schweißprozess während der Abkühlzeiten eines Bauteiles auf dem nächsten Volumen fortgesetzt werden. Die kombinierte Prozesskette ist daher besonders ab einer Kleinserienproduktion von Vorteil. Ein Vergleich der am Fraunhofer IPK entwickelten Prozesskette mit den am Markt vorhandenen Alternativen zeigt das Marktpotenzial der hybriden Technologie auf. Eine Fertigung mit SLM, LPA oder anderen EinLPA-Materialauftrag auf einen SLM-gefertigten Gasturbinenbrenner
zelprozessen kann bereits bei Einzelteilen wirtschaftlich angewendet werden. Die
Prozesses genutzt werden. Die Aufbaustrate-
►►Hybrider Aufbau – ja oder nein?
kombinierte Prozesskette erfordert zwar
gie beinhaltet dabei zunächst die Fertigung
Ob die kombinierte SLM-LPA-Fertigung für
einen erhöhten Aufwand bei der Vorberei-
des inneren Volumens, bevor die einzelnen
konkrete industrielle Bauteile geeignet ist,
tung der Fertigung. Dieser lohnt sich aber
Zapfen mit einem angepassten Parameter-
können Anwender anhand verschiedener
wirtschaftlich aufgrund der höheren Ferti-
Kriterien beurteilen. Im Hinblick auf die Geo-
gungsgeschwindigkeit ab einer bestimmten
metriekomplexität ist die kombinierte Pro-
Stückzahl. Das Marktpotenzial der hybriden
satz aufgebaut werden. Beim Auftragschweißen auf einen SLM-
zesskette dann sinnvoll, wenn das Bauteil
Prozesskette liegt deshalb in der Kleinserien
gefertigten Gasturbinenbrenner dient der
sowohl einfache als auch komplexe Geo-
fertigung, z. B. von Turbinenschaufeln.
additive LPA-Materialauftrag dem Aufbau
metrien besitzt. In diesem Fall können beide
des Anschlussstückes. Die Aufbaustrategie
Technologien ihre jeweiligen Vorteile aus-
nutzt dabei die Tatsache, dass durch die
spielen. In Bezug auf die Geometrie der Ver-
Symmetrie ein gleichmäßiger Energieein-
bindungszone sollte das SLM-Substrat eine
trag in das Substrat stattfindet. In diesem
möglichst einfache Fläche mit guter Wär-
Fall bietet der SLM-Körper genügend Volu-
meabfuhr für den LPA-Aufbau bereitstellen.
Ihr Ansprechpartner
men zur Ableitung der Wärme, weshalb die
Da der LPA-Prozess Verzug im SLM-Substrat
Dr.-Ing. Benjamin Graf
LPA-Schweißraupen konturnah geführt wer-
erzeugen kann, ist zudem eine ausreichende
Telefon: +49 30 39006-374
den können.
Steifigkeit des SLM-Teiles wichtig, um die-
benjamin.graf@ipk.fraunhofer.de
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
AM 4.0 Mobile App für die Qualitätssicherung Mit additiven Fertigungstechnologien lassen sich funktionale, kundenspezifische Komponenten nicht nur als Prototypen herstellen, die konventionell nicht zu fertigen sind, sondern sie ermöglichen auch die Komponentenfertigung in kleinen Serien. Für den Einsatz additiver Fertigungstechnologien in der Produktion ist es für Unternehmen extrem wichtig, fehlerfreie Komponenten mit konstanter Qualität zu fertigen und den Prozess kontinuierlich zu überwachen. Eine am Fraunhofer IPK entwickelte App für die kennzahlenbasierte Prozessüberwachung bietet die Möglichkeit, bereits während der Herstellung von Funktionsbauteilen deren Qualität zu bewerten.
Dashboard
Der intensive Einsatz von additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Funktionsbauteile in mehreren Industriesektoren hat gezeigt, dass die heutigen Maschinen nicht in der Lage sind, eine ausreichende Produktqualität zu gewährleisten. Ein Grund dafür ist häufig die Steuerungssoftware, die Fehlererkennung
Fehler im Fertigungsprozess verursacht. Solche Fehler beeinflussen entweder die Zeit bis
Maschine
KPI
zur Herstellung eines Bauteils oder dessen Qualität. Eine verbesserte Qualitätssicherung ist deshalb das Ziel von FuE-Arbeiten am Fraunhofer IPK.
Cloud
Mit »Additive Manufacturing AM 4.0« wurde eine mobile App entwickelt, die eine dezentrale Online-Prozess- und Maschinenüberwachung ermöglicht und Anlagenbe-
Web App
Android App Datenerfassungsgeräte
treiber dabei unterstützt, schnell auf Prozesssituationen zu reagieren, die die Qualität eines Bauteils beeinträchtigen können. Um
SLM-Anlage
solche Störungen während eines Fertigungsprozesses rasch zu erkennen, werden Daten
SLM-Anlage
SLM-Anlage
SLM-Anlage
Struktur der Maschinendatenerfassung und Visualisierung der Maschineninformationen
von Sensoren und von der Maschinensteuerung abgelesen, aufbereitet und während
schneller fundierte Entscheidungen treffen.
der Generierung in die Cloud übertragen.
Durch den Einsatz maschineller Lernalgo-
Auf die hier bearbeiteten Daten und extra-
rithmen können außerdem unterschiedliche
►►Online-Überwachung beim Laserstrahlschmelzen Um die Online-Zustandsüberwachung von
hierten Informationen greift dann die App
Betriebsbereiche einer Maschine identifi
Maschine und Prozess zu testen, haben
»AM 4.0« zu. Mit ihrer Hilfe können Maschi-
ziert und beobachtet werden. Darüber hin-
die Fraunhofer-Wissenschaftler die App an
nenbediener bestimmte Key-Performance-
aus können die Maschinentoleranzen durch
eine Laserstrahlschmelzanlage (SLM-Anlage)
Indikatoren während eines Fertigungspro-
Echtdaten definiert und die Prozessfähig-
angeschlossen. Neben den Key-Perfor-
zesses schrittweise verfolgen, abweichende
keit berechnet werden. So wird zum Bei-
mance-Indikatoren und dem daraus abge-
Trendverläufe dieser Indikatoren frühzeitig
spiel deutlich, welches Subsystem schlecht
leiteten Zustand von Maschine und Prozess
vor Eintreten eines Fehlers erkennen und
arbeitet.
stellt die App auch Informationen bezüglich
FUTUR 2/2018
Fertigungsprozess
Bauteil
Datenanalyse
AM 4.0 App (links) und Identifikation von Schichtenfehler mittels Datenanalyse (rechts)
Herstellungszeit, Stillstandszeit und Anzahl
Maschinenfähigkeiten sowie Maschinenver-
Monats- oder Jahresproduktion, Instandhal-
der aufgetretenen Fehler zur Verfügung. Da
fügbarkeit getroffen werden können. Die
tungsbedarf frühzeitig erkennen und im Pro-
das Laserstrahlschmelzen ein Prozess ist, der
ermittelten Informationen und Ergebnisse
duktionsablauf einplanen lässt, muss dabei
schichtweise erfolgt, werden aufgetretene
der Analysen können in einem generierten
noch geklärt werden. »Predictive Mainte-
Fehler den betreffenden Schichten zugeord-
individualisierbaren Report dokumentiert
nance«, also eine vorausschauende War-
net. Zusätzlich wird angegeben, in welcher
werden. Dieser beinhaltet alle wichtigen
tung kann hier zukünftig zum effizienten
Weise die Fehler verteilt sind und welche
Informationen zu den einzelnen Maschinen
Einsatz von Maschinen in der Serienferti-
Schwere die einzelnen Fehler besitzen. Das
und Fertigungsprozessen.
gung beitragen.
tung und das Nachverfolgen eines Fehlers
Aktuell arbeiten die Fraunhofer-Forscher
»Additive Manufacturing AM 4.0« unter-
in der betroffenen Schicht. Die dazugehöri-
daran, die App in verschiedene Maschinen-
stützt Anwender schon jetzt dabei, die end-
gen Analysen werden in der App übersicht-
modelle unterschiedlicher Hersteller zu inte-
gültige Qualität eines gefertigten Werkstücks
lich graphisch dargestellt und können mit
grieren. Ziel ist es, Fehler in der Produktion
vorherzusehen, indem sie Fehler online ver-
vereinfacht die Identifikation, die Bewer-
den vorgegebenen Produktionsspezifikatio-
frühzeitig zu identifizieren, zu klassifizieren
folgt. Damit hilft die App Unternehmen, Pro-
nen verglichen werden. Aus den Daten der
und zu interpretieren. Durch die Korrela-
duktionsausfälle zu vermeiden, damit ver-
maschinenspezifischen Sensoren, z. B. zur
tion der Ergebnisse aus den Datenanalysen
bundene Kosten zu reduzieren und im
Überwachung der Temperatur der Plattform
mit der Bauteilqualität wird außerdem eine
Gegenzug die Produktqualität zu erhöhen
und der optischen Bank sowie des Drucks
Datenbasis für den Einsatz von Methoden
und die Produktion zu beschleunigen.
und des Sauerstoffgehalts im Prozessraum,
des maschinellen Lernens geschaffen. Auf
werden Tendenzen identifiziert, die auf
einer geeigneten IoT-Plattform können mit-
die Entwicklung einer Störung hinweisen.
tels maschineller Lernalgorithmen Modelle
Maschinenbediener können dann rechtzeitig
zum Erkennen von Bauteil-, Prozess- und
Gegenmaßnahmen einleiten.
Maschinenfehlern erzeugt und Gegenmaß-
Autor: Dr.-Ing. Rodrigo Pastl Pontes
nahmen automatisiert initiiert werden.
►►Dezentralisierte Analyse und
Ihre Ansprechpartner
►►Additive Serienproduktion
Claudio Geisert
Der große Vorteil der App: Sie ist nicht nur
Außerdem erforschen die Ingenieure, inwie-
Telefon: +49 30 39006-133
auf ein Maschinensystem beschränkt. Auch
fern eine Insitu-Regelung von Fertigungs-
claudio.geisert@ipk.fraunhofer.de
mehrere Maschinen im Shopfloor können
prozessen dazu geeignet ist, eine Produk-
eingebunden werden, aus deren Prozess-,
tion von Bauteilen in definierter Qualität
Eckhard Hohwieler
Maschinen- und Sensordaten dann in der
in der Serie zu ermöglichen. Wie sich auch
Telefon: +49 30 39006-121
Cloud objektive Aussagen über Prozess- und
aus großen Datenmengen, z. B. aus einer
eckhard.hohwieler@ipk.fraunhofer.de
Reportgenerierung im Shopfloor
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Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Sicher und robust Qualitätsmanagement in der additiven Produktion In der Luft- und Raumfahrt, im Turbinenbau und in der Medizintechnik setzen Unternehmen additive Technologien bereits serienmäßig ein. Prozesssicherheit und Qualitätssicherung gelten jedoch nach wie vor als große Herausforderungen. Speziell im Bereich der metallbasierten additiven Fertigungsverfahren beeinträchtigen qualitätsrelevante Kriterien wie eine ungenügende Reproduzierbarkeit der Ergebnisse, mangelhafte Oberflächengüte und Genauigkeit sowie das Spektrum der zu verarbeitenden Materialien eine breitere Marktdurchdringung. Im Projekt »Qualitätsmanagement für die sichere und robuste additive Produktion – QualiPro« entwickelt das Fraunhofer IPK deshalb Qualitätsroutinen für additive Technologien, um sie fit für ein breites Spektrum an Anwendungen zu machen.
Mit additiven Verfahren wie dem Selektiven
Im Projekt »QualiPro« entwickelt das
►►Vorgelagerte Qualitätssicherung
Laserstrahlschmelzen (SLM) und dem Laser-
Fraunhofer IPK deshalb gemeinsam mit
Die Qualitätsroutine der F raunhofer-Forscher
Pulver-Aufragschweißen (LPA) können viele
drei weiteren Fraunhofer-Instituten, der TU
setzt ein, noch bevor der eigentliche Pro-
metallische Legierungen und Kunststoffe
Dresden sowie sechs Industriepartnern Qua-
zess beginnt. Bereits jetzt gilt es, die ersten
verarbeitet werden. Dabei werden Anwen-
litätsroutinen entlang der additiven Prozess-
Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Dazu
dungsfelder von der individuellen Fertigung
kette. Ziel ist es, additive Prozesse mithilfe
müssen in erster Linie Fragen bezüglich des
bis hin zur Kleinserie bedient. Typische Qua-
verlässlicher Aussagen über die mechani-
Vormaterials geklärt werden. Besitzt das
litätsfehler bei solchen Prozessen sind Poren,
schen Eigenschaften der gefertigten Bauteile
vorgesehene Pulver die benötigten Eigen-
feine Löcher, mangelhafte Anbindung, Sprit-
sicher zu gestalten. Dafür erfolgt eine durch-
schaften hinsichtlich Korngröße, Partikel-
zer und Mikrorisse in einer Schichtebene.
gängige Datenaufnahme entlang der additi-
form und Zusammensetzung? Wie lange
Zwar gibt es einige Insellösungen für par-
ven Prozesskette und eine Verknüpfung die-
kann das dem Prozess zugeführte Pulver
tielle Prozessüberwachungen. Eine umfas-
ser Daten mit der erzielten Bauteilqualität.
weiterverwendet werden? Durch einheit-
sende Qualitätskontrolle ist bisher jedoch
Aus den Erkenntnissen können anschließend
lich durchgeführte Pulverqualitätsanalysen
nicht möglich, da vor allem der Zusammen-
Maßnahmen zur Optimierung der additiven
kann sichergestellt werden, dass eine gleich-
hang zwischen den Produktionsdaten und
Produktion abgeleitet werden.
der Bauteilqualität unbekannt ist.
Additiv gefertigte Turbinenschaufel (links) und SLM-gefertigte Gitterstrukur (rechts)
bleibend gute Qualität als Eingangsgröße in den Prozess eingebracht wird und eventu-
FUTUR 2/2018
CT-Aufnahmen additiv gefertigter Würfel zur Bestimmung der Dichte
elle Fehler nicht durch minderwertiges Pulver
►►Nachgelagerte Qualitätssicherung
auf Effizienz und Produktivität in der addi-
verursacht werden. Angestrebt wird hierfür
Für die nachgelagerte Qualitätssicherung
tiven Fertigung.
die Erstellung einer entsprechenden Norm,
entwickeln die F raunhofer-Forscher Prü-
die auch das Vertrauen zwischen Lieferanten
fungsroutinen im Hinblick auf die Maßhaltig-
und Endkunden stärkt.
►►Standards schaffen
keit und Defektfreiheit der gefertigten Bau-
Mit ihren anwendungsnahen Lösungen für
teile und Komponenten. In automatischen
Qualitätsroutinen in der additiven Fertigung
►►Inline-Qualitätssicherung
3D-Messungen wird ein Soll-Ist-Wert-Ver-
wollen die Fraunhofer-Forscher eine robuste
Für eine funktionierende In-Prozess-Über-
gleich durchgeführt, aus dem sich dann die
Serienproduktion ermöglichen, vor allem
wachung untersuchen die Wissenschaftler
benötigten Parameter für eine NC-Nachbe-
auch in Branchen mit extrem hohen Quali-
Zusammenhänge zwischen Störgrößen und
arbeitung ergeben. Bei sensiblen Bauteilen
tätsansprüchen wie dem Automobilbau.
Bauteilqualität, um Standards für die Ver-
werden hier beispielsweise CT-Prüfverfahren
Hier ist eine funktionierende Qualitätssiche-
meidung von Unregelmäßigkeiten zu ent-
zur Bestimmung von Volumen, Poren und
rung gleichermaßen die Basis für sichere
wickeln. Dazu erarbeiten sie vor allem auch
Unregelmäßigkeiten eingesetzt.
Automatisierungslösungen für die Doku-
Prozesse und Produkte. Dazu trägt neben der nötigen Sensorik auch der Einsatz von
mentation des Herstellungsprozesses und
►►Datenmanagement
Technologiedatenbanken und die Standar-
der Rückverfolgbarkeit der Daten. Mithilfe
Die im additiven Prozess aufgenommenen
disierung von Abläufen sowohl in der Her-
von Design of Experiments und neurona-
Daten können nicht nur zur Regelung und
stellung als auch im Qualitätsmanagement
len Netzen untersuchen sie dafür zunächst
Qualifizierung von Bauteilen eingesetzt
bei. Perspektivisch wollen die Wissenschaftler
die Signifikanz aller relevanten Prozess-
werden. Durch ein effektives Datenmana-
deshalb auch die Grundlage für eine Zertifi-
einflussgrößen im Hinblick auf die vorab
gement können über verschiedenste Ana-
zierung additiver Technologien schaffen.
festgelegten Qualitätskriterien. Auf Basis
lysemethoden auch Veränderungen im zeit-
dieses Wissens werden Überwachungsstra-
lichen Verlauf der Prozessfähigkeit erfasst
tegien, einschließlich geeigneter Sensoren
und so Rückschlüsse auf die Prozessstabili-
ausgewählt. Die damit generierten Mess-
tät gezogen werden. Darüber hinaus lassen
daten werden zusammen mit den internen
sich so beispielweise auch Aussagen über
Steuerungsdaten in einer Messkette für die
den Wartungszustand einer Anlage treffen.
Zustandsüberwachung zusammengeführt.
Auf diese Weise können Probleme präventiv
Die Auswertung der Messdaten erfolgt mit
erkannt und entsprechende Gegenmaßnah-
einer im Rahmen des Projekts noch zu ent-
men rechtzeitig eingeleitet werden – lange
wickelnden Software und wird durch eine
bevor es zu unzulässigen Prozessabweichun-
Ihre Ansprechpartnerin
bauteilbezogene Qualitätsdokumentation
gen und gravierenden Qualitätsmängeln
Angelina Marko
ergänzt.
kommt. Ein effektives Datenmanagement
Telefon: +49 30 39006-372
schafft damit wesentliche Vorteile in Bezug
angelina.marko@ipk.fraunhofer.de
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20
Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Schnelle Prototypen Additive Fertigung als Werkzeug in Entwicklungsprojekten Die additive Fertigung ermöglicht die direkte Herstellung von Bauteilen in komplexen Geometrievarianten. In Entwicklungsprojekten lässt sich diese Eigenschaft ideal nutzen, um mittels additivem Aufbau unterschiedliche konstruktive Lösungen schnell bereitzustellen und anschließend im praktischen Einsatz zu prüfen. Dieses Vorgehen nutzt das F raunhofer IPK aktuell bei der Entwicklung einer neuen Prozesskombination für effiziente metallische Beschichtungen.
Mit SLM gedruckte Düse im Praxiseinsatz beim Laser-Plasma-Auftragschweißen
►►Laser-Plasma-Hybridschweißen
senschaftler des F raunhofer IPK vereinen
Projektteam eine neuartige hybride Düse für
Das Auftragschweißen von Draht, Pulver
jetzt die Vorteile der beiden Technologien
den Plasmabrenner herstellen. Die Wissen-
oder anderen metallischen Zusatzwerkstof-
und erarbeiten mit dem Laser-Plasma-Hyb-
schaftler entschieden sich für die additive
fen wird in unterschiedlichen Branchen zur
ridschweißen eine neuartige Verfahrenskom
Technologie des pulverbettbasierten Selekti-
Instandsetzung oder zum Beschichten von
bination sowie die dazugehörigen Düsenkon
ven Laserstrahlschmelzens (SLM), um unter-
stark beanspruchten Bauteilen eingesetzt. So
zepte, die eine hohe Qualität und Effizienz
schiedliche Düsenvarianten zu produzieren
erfordert beispielsweise in der Bergbauindus-
garantieren. So kann beispielsweise die
und zu testen. Aufgrund der hohen Tempe-
trie der ständige Einsatz von Abräumwerk-
punktgenaue Energie der Laserstrahlung
raturen durch den Plasmalichtbogen müs-
zeugen eine Verschleißschutzbeschichtung,
den Plasmalichtbogen stabilisieren und den
sen die Düsen zum Beispiel eine gute Wär-
die eine dauerhaft wirtschaftliche Nutzung
Wärmeeintrag in das Bauteil besser kon
meableitung aufweisen. Dies wird durch die
der Maschinen ermöglicht. Für den Schutz
trollieren. Das Projekt wird im Rahmen des
konstruktive Gestaltung mit innenliegenden
vor starkem abrasiven Verschleiß oder vor
Programms zur Förderung der industriel-
spiralförmigen Kühlkanälen umgesetzt. Die
korrosiven Medien sowie für das Auftra-
len Gemeinschaftsforschung (IGF) über die
geometrische Gestaltungsfreiheit im addi-
gen einer Pufferlage wird bisher entweder
Forschungsvereinigung Schweißen und ver-
tiven Aufbau erlaubt es hierbei, die Kanäle
das Laser-Pulver-Auftragschweißen oder das
wandte Verfahren e.V. des DVS gefördert
eng an den am stärksten belasteten Berei-
Plasma-Pulver-Auftragschweißen verwendet.
und hat eine Laufzeit bis Mitte 2019.
chen zu positionieren und somit eine effizi-
Während das Laser-Pulver-Auftragschwei-
ente Kühlung zu gewährleisten.
ßen eine geringe thermische Belastung
►►Additiv gefertigte Komponenten
verspricht, ermöglicht das Plasma-Pulver-
Für den Einsatz des Plasmalichtbogens in
Als Werkstoff für die Plasmadüse wähl-
Auftragschweißen hohe Auftragraten. Wis-
Kombination mit einem Laser musste das
ten die Fraunhofer-Forscher aufgrund der
FUTUR 2/2018
hohen Wärmeleitfähigkeit eine härtbare Kupferlegierung. Sie weist eine hohe Fes-
►►Hybride Düse für den Plasmabrenner
Neben der Entwicklung der neuen Verfahrenskombination Laser-Hybrid-Plasma
tigkeit auch bei hohen Temperaturen auf,
Im praktischen Einsatz werden die Vorzüge
schweißen konnten die Fraunhofer-Ingeni-
wodurch eine gute Verschleißbeständig-
der additiv gefertigten Plasmadüse deutlich.
eure mit diesem Projekt unter Beweis stellen,
keit für die Düse erwartet werden kann.
Der Pulverstrahl ist mittig auf den Eingriffs-
dass sich die additive Fertigung vom Rapid
Die starke Wärmeabfuhr und der geringe
punkt des Plasmalichtbogens ausgerichtet.
Prototyping der frühen Anfänge hin zu
Absorptionsgrad der Legierung stellen aber
Pilot- und Hauptlichtbogen zünden zuverläs-
einem effektiven Herstellungsverfahren für
auch eine große Herausforderung für die
sig. Im Vergleich zu konventionell hergestell-
industrielle Kleinserien gemausert hat. Das
prozesssichere additive Fertigung im SLM-
ten Plasmadüsen wird ein ebenso stabiles
Selektive Laserstrahlschmelzen hat sich dabei
Verfahren dar. Geeignete Prozessparameter
wie gleichmäßiges Brennen des Lichtbo-
speziell bei der Herstellung hochkomplexer
konnten deshalb nur durch eine Vielzahl von
gens erreicht. Die erhöhte Oberflächenrau-
Schweißdüsen aus schwer zu verarbeitenden
Vorversuchen identifiziert werden. Im Ergeb-
heit der additiv gefertigten Düse hat hier
Kupferlegierungen bewährt. Bei der Ent-
nis gelang es den Ingenieuren, voll einsatz-
keinen sichtbaren Einfluss. Schweißversu-
wicklung des neuen hybriden Schweißver-
fähige additive Komponenten zu fertigen,
che und Messungen der Strahlcharakteristik
fahrens konnten die Wissenschaftler ent-
die die komplexen Prozessanforderungen
bestätigen die sehr gute Performance der
scheidend von den zeitlichen Vorteilen sowie
des Laser-Plasma-Hybridschweißens erfüllen.
neuen Plasmadüse.
den geometrischen Gestaltungsfreiheiten der additiven Technologie profitieren.
Aufbau von drei Düsenvarianten mittels Selective Laser Melting Additiv gefertigte Plasmadüse
Das IGF-Vorhaben Nr.: 18828 N / DVS-Nr.: 06.095 der Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Ihre Ansprechpartner Christian Brunner-Schwer Telefon: +49 30 39006-399 christian.brunner-schwer@ipk.fraunhofer.de
Robert Kersting Telefon: +49 30 39006-355 robert.kersting@ipk.fraunhofer.de
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22
Forschung und Entwicklung
Additive Fertigung
Brücke zwischen Entwurf und Fertigung Numerische Simulation für additive Prozesse Die numerische Simulation hilft, Probleme bei additiven Bauprozessen früh zu erkennen und Optimierungspotenziale auszuschöpfen. Ziel der FuE-Arbeiten am Fraunhofer IPK ist es, die Zahl der nötigen Versuche durch Vorhersagen zu verringern und Prozessgrößen wie Wärmeflüsse und Maßabweichungen zu visualisieren. Heute steht die Simulation in der additiven Fertigung noch am Anfang und soll durch anwendungsorientierte Forschung marktreif werden.
Beispiel für einen starken thermischen Verzug beim Auftragschweißen – sichtbar gemacht mithilfe der numerischen Simulation.
Komplexe Wechselwirkungen zwischen
und korrekte Scanpfade zu bestimmen. Die
Bauteile mit steigenden Qualitätsansprüchen
Wärme, Werkstoff und mechanischen Span-
experimentell gewonnenen Ergebnisse
und geringem Versuchsaufwand gefertigt
nungen führen bei der additiven Fertigung zu
sind schwer übertragbar, weil es stark nicht
werden. Denn wo Transparenz im Prozess
Verzügen und Eigenspannungen. Vor allem
lineare Zusammenhänge zwischen Wärme,
erschwert ist und Messungen mit viel Auf-
bei großen, detailreichen Bauteilen kann es
Werkstoff und Mechanik gibt: Das heißt, für
wand verbunden sind, erlaubt die Simulation
zu Rissen, Versprödungen, Verdampfung
ein ähnliches Bauteil muss der Versuchsauf-
eine umfassende Visualisierung. Nach Belie-
von Legierungselementen und Verfehlung
wand unter Umständen wiederholt werden.
ben kann z. B. die Ausbreitung von Wärme
Fertigungsstrategie bei neuen Bauteilen
Deshalb reagiert das Fraunhofer IPK in einer
noch vor dem ersten Versuch identifiziert
mit Experimenten unter großem Einsatz
neuen Forschungsinitiative auf den Bedarf
werden. Eine gute Visualisierung hilft bei
von Maschinenzeit, Arbeitszeit und Material
für numerische Simulation als Bindeglied
der Fehlersuche und kann auch als Lehr-
der Toleranzen kommen. Bisher wird die
beobachtet werden. Hotspots können so
erprobt. Schlimmstenfalls sind dutzende Ver-
zwischen Entwurf und Fertigung: Nur
werkzeug beispielsweise für die Wahl pas-
suche nötig, um funktionierende Prozesspa-
durch eine Weiterentwicklung der Simula-
sender Aufbaustrategien verwendet werden.
rameter, die optimale Werkstückausrichtung
tionstechnik können in Zukunft komplexe
Außerdem werden Maßabweichungen und
FUTUR 2/2018
Mithilfe numerischer Simulation lässt sich die Temperaturverteilung beim additiven Auftragschweißen visualisieren.
Der Vergleich des simulierten Querschliffs einer Spur mit experimentellen Querschliffen wird zusammen mit Temperaturmessungen zur Validierung des Simulationsmodells verwendet.
Spannungsentwicklungen durch den ther-
bei Verfahren wie Selective Laser Melting
sich die Zeit zwischen Entwurf und fertigem
mischen Verzug berechnet, mit deren Hilfe
(SLM) kilometerlange Mikroschweißnähte
Teil verkürzen, weil (Fehl)Versuche vermie-
nachfolgende Prozesse bereits im Vorfeld
benötigt werden. Die additive Anwendung
den werden. Durch die Identifikation idealer
auf Fertigungsabweichungen vorbereitet
des Laser-Pulver-Auftragschweißens (LPA)
Aufbaustrategien vor dem ersten Versuch
werden können.
bietet sich aufgrund der größeren Spuren
verringern sich Anlagen- und Materialkos-
für erste Untersuchungen in der Simulation
ten. Die Ergebnisse einer Simulation erlau-
Die numerische Simulation ist im Ver-
an, weil die Schweißnahtlänge zumindest
ben immer eine gute Visualisierung, mit
bindungsschweißen schon als Werkzeug
in derselben Größenordnung wie beim
deren Hilfe sich Neulinge schnell einarbeiten
zur Optimierung und Minimierung von
etablierten Verbindungsschweißen ist. Die
und Profis aus Fehlern lernen können. Die
Schweißverzügen und Eigenspannungen
Länge der Nähte und die Bauteilgröße
Forscher am F raunhofer IPK wollen die
etabliert und wird zum Beispiel in der Auto
stellen besondere Herausforderungen an
Simulation zum fehlenden Bindeglied zwi-
mobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt.
die Rechentechnik. Hohe Temperaturan-
schen Entwurf und Fertigung entwickeln
Der volle Umfang einer Struktursimulation
stiege und -abfälle am Bauteil müssen vom
und mit numerischen Methoden die Wett-
ist aus diesen Anwendungen bekannt. Die
Computer genau abgebildet werden, um
bewerbsfähigkeit der additiven Fertigung
Wärmeeinbringung ist in der Simulation
die Entwicklungen des Bauteils berechnen
verbessern.
beweglich und führt zu einem Material-
zu können. Außerdem muss sichergestellt
auftrag. Temperaturabhängige Werkstoff-
werden, dass komplizierte, schichtweise
kennwerte finden Verwendung, um die
Scanstrategien in der Simulation umgesetzt
Wärmeausbreitung sowie mechanische
werden können, um das Bauteil stückweise
Größen wie Eigenspannungen und Verzug
wachsen zu lassen. All diese Probleme gibt
zu berechnen. Alle Ergebnisse sind abhängig
es im Verbindungsschweißen nicht und so
von der Bauteilgeometrie, der Wärmevertei-
sind innovative Lösungen gefordert.
lung im Prozess und Randbedingungen wie Einspannung und Kühlung.
Ziel der FuE-Aktivitäten am Fraunhofer IPK ist es, die Simulation der additiven Fertigung
Neu ist, dass in der additiven Fertigung viel
zunächst an kleinen Bauteilen zu validieren
längere »Schweißpfade« nötig sind, um
und anschließend auf komplexe, industrie
Ihr Ansprechpartner
ein Bauteil aufzubauen. Im Verbindungs-
relevante Modelle zu übertragen. Der Vorteil
Max Biegler
schweißen werden selbst bei Industrietei-
für Anwender liegt auf der Hand: Mit der
Telefon: +49 30 39006-404
len nur einige Meter geschweißt, während
Marktreife der numerischen Simulation wird
max.biegler@ipk.fraunhofer.de
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24
Forschung und Entwicklung
Automatisierung
Neuer Fall für den ePuzzler Rekonstruktion zerstörter Archivalien des Instituto Judío de Investigaciones (IWO) Am 18. Juli 1994 zerstörte ein Bombenanschlag in Buenos Aires das Gebäude der Asociación Mutual Israelita Argentina (AIMA), der Zentrale der jüdischen Gemeinde in Argentinien. Das Gebäude, in dem zahlreiche jüdische Organisationen und Vereine vertreten waren, wurde dabei völlig zerstört. 85 Menschen wurden getötet, 300 verletzt und mehr als 400 umliegende Wohnungen und Geschäfte zerstört oder beschädigt. Wer für den Anschlag verantwortlich ist, ist bis heute ungeklärt. Von dem Bombenanschlag betroffen waren auch das Archiv und die Bibliothek der Fundación IWO, Idisher Visnshaftlejer Institut – Instituto Judío de Investigaciones. Ob die beschädigten Bestände des IWO mithilfe der automatisierten virtuellen Rekonstruktion wiederhergestellt werden können, wird das Fraunhofer IPK ab Herbst 2018 mit Unterstützung des Kulturerhaltprogramms des Auswärtigen Amts untersuchen.
Nach dem Anschlag halfen 800 junge Freiwillige, die kulturellen Schätze des IWO zu bergen. (© Fundación IWO)
Das Forschungsinstitut IWO soll das Wissen
Der Anschlag zog eine einzigartige Samm-
Jugendliche beteiligten. Zahllose Schrift-
über die Geschichte des jüdischen Lebens
lung von Dokumenten und Büchern in jid-
stücke, Tonträger und Gegenstände sowie
mit besonderem Fokus auf die Geschichte
discher Sprache, historischen Dokumenten
mehr als 70.000 Bücher konnten in Sicher-
und Kultur des osteuropäischen Judentums
der jüdischen Geschichte in Argentinien und
heit gebracht werden. Viele Objekte wurden
vertiefen. Die Archive und Bibliotheken der
zahlreichen vor den Nationalsozialisten aus
damit zum zweiten Mal gerettet: Nachdem
Organisation zählen zu den weltweit wich-
Europa geretteten Publikationen, Schriftstü-
sie zunächst dem Zugriff der Nazis entzo-
tigsten Ressourcen für die Erforschung jüdi-
cken und weiteren Artefakten der jüdischen
gen werden konnten, entgingen sie nun ein
schen Lebens und jüdischer Geschichte in
Kultur in Mitleidenschaft. Noch während die
halbes Jahrhundert später mit der Bergung
Europa, jiddischer Sprache, Literatur und Fol-
Einsatzkräfte nach Überlebenden suchten
aus den Trümmern des Archivs erneut der Zerstörung.
klore, der verschiedenen Aspekte des Holo-
und Verletzte bargen, begann die unglaub-
caust und der Geschichte der jüdischen Ein-
liche Rettungsaktion der in dieser Form sin-
wanderung in Amerika.
gulären Bibliothek, an der sich bis zu 800
Der Bombenanschlag hatte dramatische Auswirkungen auf die Sammlungen des IWO: Millionen von Zeitschriften, Dokumenten, Fotografien und Büchern waren in den Trümmern des Gebäudes verstreut. (© Fundación IWO)
Dokumente und die Rekonstruktion des mit-
Rekonstruktion der Bestände des IWO
Gebäude der AMIA und am neuen Standort
telalterlichen Gebetbuches Narek in Jerewan/
soll die Untersuchungen ergänzen. Eben-
des IWO zwar wieder zugänglich gemacht.
Armenien. Das Herz der einzigartigen virtuel-
falls geplant ist, die Ergebnisse der Studie
Ein Großteil der beschädigten Dokumente
len Rekonstruktion ist der ePuzzler: eine am
dem IWO in einem Abschlussworkshop zu
wartet jedoch immer noch auf die Rekonst-
IPK entwickelte Software, die mit neuartigen
präsentieren.
Ein Teil des Archivguts wurde 2012 im neuen
ruktion und (Re-)Formierung. Das IWO steht
Bildverarbeitungs- und Mustererkennungsal-
seit dem Terroranschlag am 18. Juli 1994 vor
gorithmen gescannte Papierfragmente belie-
der Herausforderung, Millionen von Frag-
biger Ausprägung ohne Vorlage zu vollstän-
menten in ihren Originalzusammenhang
digen Seiten zusammensetzen kann.
zurückzubringen. Neben dem Beschädigungsgrad schließt allein schon die Menge
Ab Herbst 2018 sollen mit Kulturerhalt-Mit-
der Fragmente eine manuelle Rekonstruk-
teln des Auswärtigen Amts die Expertinnen
tion aus.
und Experten des Fraunhofer IPK im Rahmen einer Erprobungs- und Konzeptphase unter-
Hier kommt das Fraunhofer IPK in Berlin ins
suchen, ob und wie die beschädigten
Spiel: Seine Methoden der automatisierten
Bestände des IWO zunächst qualitativ hoch-
virtuellen Rekonstruktion von zerstörten bzw.
wertig und rekonstruktionstauglich digitali-
beschädigten Dokumenten, ursprünglich
siert und gesichert werden können. Anschlie-
entwickelt, um zerstörte Akten des DDR-
ßend soll eruiert werden, inwieweit die
Staatssicherheitsdienstes wieder lesbar zu
bestehenden Methoden der virtuellen
machen, sind weltweit nachgefragt. Heraus-
Rekonstruktion zur Wiederherstellung der
Ihr Ansprechpartner
ragende Beispiele sind die Wiederherstellung
beschädigten Bestände des IWO eingesetzt
Dr. Bertram Nickolay
der beim Einsturz des Historischen Archivs
werden können. Eine Aufwandsabschätzung
Telefon: +49 30 39006-201
der Stadt Köln im Jahr 2009 zerstörten
hinsichtlich der Digitalisierung und virtuellen
bertram.nickolay@ipk.fraunhofer.de
26
Forschung und Entwicklung
Automatisierung
Finderlohn Automatisierte virtuelle Rekonstruktion von Euro-Banknoten Immer wieder werden mutwillig zerstörte oder versehentlich beschädigte Geldscheine sichergestellt oder bei Banken zur Erstattung vorgelegt. Nationalbanken sind in diesen Fällen in der Regel verpflichtet, den Gegenwert beschädigter Währungsmittel zu erstatten. Generell gilt: Können Besitzer oder Finder mehr als die Hälfte einer Banknote vorlegen oder nachweisen, dass die fehlende Hälfte endgültig vernichtet ist, wird Ersatz geleistet. Doch vor jeder Erstattung müssen die vorgelegten Geldscheinfragmente von Bankmitarbeitern von Hand zusammengesetzt werden. Dies dient zum einen der zweifelsfreien Überprüfung der Echtheit des Geldes und zum anderen der exakten Ermittlung des jeweils zu erstattenden Betrags.
in den vergangenen Jahren bereits mehrfach unter Beweis stellen, dass eine virtuelle Rekonstruktion hochgradig fragmentierter Banknoten prinzipiell möglich ist. Dafür wurden ausgewählte Verfahren der am Fraunhofer IPK entwickelten Rekonstruktionstechnologie adaptiert und zusammen mit ebenfalls am Institut entwickelten Methoden der Dokumentenanalyse testweise in einem Assistenzsystem implementiert. Mithilfe dieser assistenzbasierten Rekonstruktionssoftware konnte das Institut die Deutsche Bundesbank bereits sehr erfolgreich bei der Lösung prominenter Fälle unterstützen. Im sogenannten »Darmstädter Fall« wurde eine etwa 7.200 Teile umfassende Menge von teilweise nur fingernagelgroßen 50er- und 500er-Banknotenfragmenten digitalisiert und virtuell rekonstruiert. Fragmente unterschiedlicher Banknoten im Größenvergleich
Dabei wurde mithilfe der Software festgestellt, dass die Menge der Puzzleteile sehr
Die händische Rekonstruktion kleinteilig zer-
für die Rekonstruktion verwendbaren Merk-
störter Banknoten ist mit enormem Aufwand
male entlang der Schnittkanten in höchstem
lender Verbindungsstücke nicht vollständig
verbunden und bei großen Schnipselmengen
Maße. Wird eine größere Anzahl von Bank-
rekonstruierbar ist. In einem anderen Fall
schlicht nicht mehr möglich. Das liegt unter
notenstapeln jeweils mehrfach zerschnit-
wurden knapp 5.200 Schnipsel von 500er-
anderem daran, dass für die Rekonstruk-
ten und werden die daraus resultierenden
Banknoten zu über 700 überwiegend voll-
tion fast ausschließlich sich wiederholende
Fragmente beliebig vermengt, wird die hän-
ständigen Banknoten virtuell rekonstruiert.
Muster zur Verfügung stehen, die zudem
dische Rekonstruktion der Geldscheine zu
häufig erst nach Vergrößerung durch ein
einer kaum noch lösbaren Sisyphus-Aufgabe.
Mikroskop eindeutig sichtbar werden. Wird
unvollständig und damit aufgrund vieler feh-
►►Neues Komplettsystem 2018 hat die Deutsche Bundesbank das
beispielsweise ein aus mehreren Scheinen
Im Rahmen verschiedener von der Deutschen
Fraunhofer IPK mit der Entwicklung eines
bestehender Stapel gleicher Banknoten in
Bundesbank in Auftrag gegebener Mach-
Komplettsystems zur virtuellen Rekonstruk-
einem Stück zerschnitten, ähneln sich die
barkeitsanalysen konnte das Fraunhofer IPK
tion fragmentierter Banknoten beauftragt.
FUTUR 2/2018
Das System soll als Stand-alone-Lösung in
dafür ein Kamerasystem mit integrierter
Rekonstruktionskandidaten einem Bediener
den Räumlichkeiten der Deutschen Bundes-
Beleuchtung zur quasi gleichzeitig beidseiti-
angezeigt, der diese begutachten und im
bank aufgebaut und dort von dieser eigen-
gen Aufnahme der Fragmente mit 1.200 dpi
Trefferfall annehmen, also zusammenfügen
ständig betrieben werden. Wesentliche
nativer Ortsauflösung beinhalten. Die zu
kann. Der Bediener kann die automatisch
Bestandteile des Systems sind eine automati-
digitalisierenden Fragmente sind während
berechneten Paarungsvorschläge stufen-
sierte Digitalisierungseinheit sowie ein spezi-
des Scanvorgangs in transparenten Objekt-
los zoomen und die einzelnen Bauteile zur
ell für die Wiederherstellung von Banknoten
trägern fixiert.
Feinausrichtung zueinander verschieben und drehen.
adaptiertes Rekonstruktionsassistenzsystem. Herzstück des Assistenzsystems ist eine Wei-
Das zu entwickelnde Assistenzsystem soll
terentwicklung der ePuzzler-Technologie.
in der Lage sein, zerrissene und zerschnittene Euro-Banknoten aller aktuell gültigen
Fragment und jede Rekonstruktionsbaustufe
Vor der virtuellen Rekonstruktion müssen die
Stückelungen wiederherzustellen. Im Zuge
automatisch den prozentualen Größenanteil
Fragmente qualitativ hochwertig digitalisiert
des sogenannten Matchings werden dafür
an einer vollständigen Banknote ermitteln
werden. Die zu entwickelnde automatisierte
von der ePuzzler-Software für alle im Sys-
sowie aus allen Fragmenten einer Stücke-
Das Assistenzsystem soll zudem für jedes
Digitalisierungseinheit soll die Fragmente in
tem hinterlegten Banknotenvorlagen auto-
lung die Anzahl der zu rekonstruierenden
einem Scandurchgang beidseitig sowie farb-
matisch Vorschläge vermeintlich passender
Banknoten und damit den vermeintlichen
und formtreu vor einem homogenen Scan-
Fragmente berechnet und absteigend nach
Erstattungswert abschätzen können. Außer-
hintergrund erfassen. Durch eine zusätzliche
dem errechneten Grad der Übereinstim-
dem soll die Positionierung aller Fragmente
Durchlichtaufnahme wird eine pixelgenaue,
mung, dem »Matching Score« sortiert. In
einer bestimmten Banknotenvorlage auto-
farbinvariante Maskierung der Fragmente
der interaktiven Komponente des Assistenz-
matisch in Form einer »Heatmap« dargestellt
ermöglicht. Die Digitalisierungseinheit soll
systems werden alle vermeintlich passenden
werden können.
Rekonstruktion einer 50-Euro-Banknote aus 11 sowie einer 500-Euro-Banknote aus 33 Fragmenten (Schnittkonturen hervorgehoben)
Ihr Ansprechpartner Jan Schneider Telefon: +49 30 39006-203 jan.schneider@ipk.fraunhofer.de
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28
Interview
Additive Fertigung – vom Laborbetrieb in den Shopfloor Renishaw ist eines der weltweit führenden Unternehmen im Bereich der industri-
anderen Unternehmen in den USA oder in
ellen Messtechnik und der additiven Fertigung. Das Unternehmen bietet Produkte
Asien sehr viel erfolgreicher an den Markt
und Dienstleistungen für unterschiedlichste Anwendungen im Bereich der metall-
gebracht wurden. Da dürfen wir uns die But-
verarbeitenden Industrie, Medizintechnik und der analytischen Messtechnik an.
ter nicht vom Brot nehmen lassen.
In Deutschland ist Renishaw seit 1986 mit einer eigenen Niederlassung vertreten. FUTUR sprach mit Rainer Lotz, Geschäftsführer der Renishaw Gesellschaften in
FUTUR: Woran liegt das Ihrer Meinung
Österreich, Schweiz und Deutschland über additive Trends und die internationale
nach?
Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen. Lotz: Zum einen ist es immer noch so, dass US-amerikanische Unternehmen in der VerFUTUR: Was war das erste additive Produkt,
reinen Laborbetrieb hin auf den Shopfloor,
marktung von Ideen und Produkten oft kre-
das einen nachhaltigen Eindruck bei Ihnen
in die Fertigung. Das hat mit verschiedenen
ativer sind als deutsche Unternehmen. Zum
hinterlassen hat?
Faktoren zu tun. Zum einen sind additive
anderen ist es auch so, dass wir nach wie
Verfahren heute sehr viel stabiler, als sie es
vor – ich bin ja selbst Ingenieur – sehr tech-
Lotz: Das war ein Produkt aus der Dental-
früher waren. Zum anderen wird die Produk-
nikverliebt sind und manchmal zu sehr auf
technik – implantatgestützte Brücken, die im
tivität additiver Anlagen immer interessan-
die Technik schauen und auch zu einem
Bereich Zahnersatz für Patienten zum Ein-
ter für industrielle Anwender. Außerdem ist
gewissen Over-Engineering tendieren, das
satz kommen. Die Möglichkeit, solche Brü-
mittlerweile für viele dieser Verfahren eine
dann am Markt vorbeigeht. Da sind uns die
cken ganz individuell produzieren und auf
Qualitätssicherung möglich. Somit können
Amerikaner und die Asiaten, die ein sehr
die physischen Gegebenheiten eines ein-
additive Technologien heute als echte pro-
feines Gespür für die Märkte entwickelt
zelnen Patienten anpassen zu können, hat
duktionstechnische Verfahren ergänzend zu
haben, manchmal eine Nasenlänge voraus.
zu einer nachhaltigen Verbesserung in der
anderen klassischen Verfahren in der Produk-
Deshalb besteht auch heute die Gefahr, dass
Medizin geführt und große Vorteile für die
tion eingesetzt werden.
gute Ideen, die aus Deutschland kommen –
FUTUR: Wie beurteilen Sie die Wettbewerbs-
Entwicklung von additiven Laserschmelz-
Brücken über Jahre Spannungen im Kiefer
fähigkeit deutscher Unternehmen im interna-
verfahren für Metalle beteiligt – woanders
hatten, die zu weiteren Folgeerscheinungen
tionalen Markt?
viel erfolgreicher in den Markt eingeführt
Patienten gebracht. Ein Hauptproblem war ja, dass Patienten mit herkömmlich gefertigten
Fraunhofer war ja beispielsweise auch an der
führten. Indem die tatsächliche Position des
werden.
künftigen Implantats im Kiefer zunächst mit
Lotz: Ausgezeichnet. Deutschland ist vor
unserer Messtechnik hochgenau vermessen
allem im Bereich der metallbasierten addi-
FUTUR: Welche Potenziale birgt die Digitali-
wird und das Implantat, in dem Fall die Brü-
tiven Fertigung ein sehr innovativer Stand-
sierung für die additive Serienfertigung und
cke individuell additiv hergestellt und ange-
ort. Und die Innovationskraft des Standorts
welche Chancen ergeben sich daraus auch
passt wird, bekommt der Patient viel weni-
Deutschland ist wiederum ein treibender
oder speziell für den Mittelstand?
ger Spannung in den Kiefer. Das ist schon
Faktor, dass die Wettbewerbsfähigkeit gut
eine tolle Sache und hat mich vor rund zehn
ist. Das war auch ein Grund für Renishaw
Lotz: Der digitale Workflow ist inzwischen
Jahren sehr beeindruckt und die Phantasie
erheblich in den Standort hier in Form eines
genauso wichtig wie der physische Work-
beflügelt, was die Individualisierung solcher
Technologie-Centers zu investieren. Natürlich,
flow. Das gilt nicht nur für die additive Fer-
Produkte für ein Potenzial hat.
wie immer – und das gilt nicht nur für dieses
tigung, sondern für die Fertigung im All-
Marktsegment oder diese Industrie – muss
gemeinen. Der digitale Workflow bringt
FUTUR: Welche Trends beobachten Sie aktu-
man in Deutschland darauf achten, dass gute
Stabilität in die gesamte Produktion, die
ell in der additiven Fertigung?
Ideen und gute Technologien letztendlich
einzelnen Verfahren und Prozesse und führt
auch gut zum Markt hingeführt werden. Da
so zu einer erheblichen Kostenreduzierung.
Lotz: Der ganz große Trend ist sicherlich
gibt es leider Beispiele, wo Ideen und Ent-
Damit wird auf mittlere Sicht eine additive
raus aus der Prototypenecke, raus aus dem
wicklungen, die aus Deutschland kamen, von
Technologie plötzlich auch für den Mittel-
FUTUR 2/2018
stand bezahlbar und beherrschbar. Dafür, dass auch kleine und mittlere Unternehmen die Vorteile und Mehrwerte dieser neuen Verfahren nutzen können, ist die Digitalisierung extrem wichtig. Sie können dann unabhängiger von einzelnen Maschinenbedienern agieren und haben mehr Möglichkeiten, ihre Prozesse zu überblicken und zu steuern. Und sie profitieren, genauso wie große Konzerne, von einem größeren Output, also einer höheren Produktivität und besseren Stabilität ihrer Verfahren. Und wie gesagt: Durch die damit verbundene Kostenreduzierung durch die Digitalisierung werden komplexe Verfahren auch für den Mittelstand finanzierbar. FUTUR: Renishaw ist Spezialist für metall basierte additive Fertigungstechnologien. Was ist in punkto Material und Prozess zukünftig möglich? Lotz: Das eine ist natürlich weiterhin die Vergrößerung der Materialpalette. Es werden neue Materialien wie Legierungen dazukommen, die über zusätzliche Eigenschaften verfügen, um den Einsatzbereich additiver
auf Größe und Material hervorragend für
Fertigungsverfahren stetig zu erweitern.
diese Prozesse eignen. Aber wir sind natür-
Zudem werden auch Weiterentwicklungen
lich auch schon in anderen Sparten, egal ob
Rainer Lotz hat zunächst Feinwerktechnik stu-
Zur Person
in Sachen Produktivität und Qualität in den
das Automobil, Consumer Electronics oder
diert und anschließend einen MBA in internatio
nächsten Jahren ganz viel zu einem breite-
Aerospace ist, an ganz vielen Anwendungen
nalem Marketing abgeschlossen. Nach Statio-
ren Anwendungsspektrum beitragen. Mit
dran. Hier geht es vor allem um Kleinserien,
nen im Bereich Unternehmensberatung (1991),
Qualitätssicherung meine ich vor allem in
bei hybriden Bauweisen zukünftig dann
Hydrometrie (1993) und Lichttechnik (2000)
das Verfahren integrierte Systeme, die schon
auch um größere Serien – immer mit dem
mit dem Schwerpunkt Unternehmensleitung
während der Generierung eines Werkstücks
Vorteil, dass wir mithilfe additiver Techno-
und Vertrieb übernahm er 2006 die Allein
die Qualität von Prozess und Bauteil über-
logien einen funktionalen Mehrwert in diese
geschäftsführung der Renishaw GmbH. Seit
wachen und gegebenenfalls auch eine Ein-
Produkte einbringen können, den man kon-
2008 ist Rainer Lotz ebenso Mitglied im Vor-
flussnahme erlauben. Damit werden Steu-
ventionell nicht fertigen kann. Ein weiteres
stand für Internationales Marketing und Vertrieb
erungsloops möglich, um einen Prozess zu
Plus ist, dass additiv hergestellte Produkte
der Renishaw Gruppe und wurde im weiteren
korrigieren und quasi null Fehler zu produ-
in kleineren Iterationsschritten beeinflusst
Verlauf ebenso Geschäftsführer der Renishaw
zieren. Hier können wir in Zukunft einiges
werden können. Das heißt, wenn die Ent-
Gesellschaften in Österreich und der Schweiz.
erwarten und das wird die Einsatzmöglich-
wicklung oder Anwendungstechnik ein Pro-
keiten der additiven Technologien erheblich
dukt gezielt optimieren möchte, dann kann
erweitern.
sie das oftmals in kleineren Schritten tun, weil kleine Veränderungen mit additiven
Wenn man die Branchen betrachtet, ist es
Verfahren sehr einfach realisiert werden
tatsächlich so, dass im Bereich der Medizin-
können.
Kontakt
technik und im Metall- und Formenbau der
Rainer Lotz
Reifegrad additiver Prozesse schon sehr
Telefon: +49 7127 981-1401
hoch ist, weil die Bauteile sich im Hinblick
E-Mail: rainer.lotz@renishaw.com
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Firmenporträt
3D-Metall-Druck Wirtschaftlich und schnell Die GEFERTEC GmbH hat mit 3DMP® einen neuen Industriestandard für die Herstellung von metallischen Bauteilen gesetzt. Diese neue additive Fertigungsmethode bietet bislang unerreichte Möglichkeiten und erlaubt die kostengünstige und gleichzeitig schnelle Herstellung von endkonturnahen Rohlingen aus Metall. Das 3DMP®-Verfahren basiert auf erprobter Lichtbogenschweiß-Technologie und verwendet deshalb als Ausgangsmaterial Draht. Schweißraupe für Schweißraupe wird so ein Werkstück gedruckt.
größerer Werkstücke bis zu 3 m3 aus Stahl, Nickel-Legierungen, Titan oder Aluminium. Die GEFERTEC arc-Maschinen arbeiten wie klassische Werkzeugmaschinen mit einer CNC-Steuerung. Eine speziell entwickelte 3DMP®-CAM-Software erzeugt aus den CAD-Daten des Werkstücks die Daten, mit denen die CNC-Steuerung die exakte Positionierung des Schweißkopfs vornimmt. Die Fertigung des endkonturnahen Werkstücks erledigt die Maschine vollautomatisch. Die Endbearbeitung kann dann mit herkömmlicher CNC-Frästechnik erfolgen. Im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren nutzt das 3DMP®-Verfahren den Werkstoff optimal aus, was vor allem bei teuren Werkstoffen wie Titan zu erheblichen Kostenvorteilen führt: Je nach Anwendung sinken die Herstellungskosten um bis zu 60 Prozent. Die GEFERTEC arc arbeitet mit dem neuen additiven Fertigungsverfahren 3DMP®. (© GEFERTEC GmbH)
►►Teil einer starken Unternehmensgruppe
Dieses neue Fertigungsverfahren bietet im
wendige Pulverhandling entfällt, zudem sind
Die GEFERTEC GmbH, die das 3DMP®-
Vergleich zu herkömmlichen 3D-Druckme-
die meisten Standardwerkstoffe zu merk-
Verfahren entwickelt hat, wurde 2015
thoden, die Pulver als Ausgangsmaterial ver-
lich niedrigeren Kosten bereits in Drahtform
gegründet. Zur EMO 2017 konnte das
wenden, eine Reihe von Vorteilen: Das auf-
erhältlich. Größter Vorteil ist jedoch die sehr
junge Unternehmen seine arc-Maschinen-
Kontakt
hohe Aufbaurate, die in Abhängigkeit vom
serie erfolgreich am Markt einführen. Inzwi-
verwendeten Werkstoff bis zu 600 cm3 pro
schen ist die GEFERTEC arc in vier verschie-
Stunde beträgt.
denen Varianten erhältlich; erste Kunden setzen bereits in ihrer Fertigung auf die neue
GEFERTEC GmbH Schwarze Pumpe Weg 16
►►Moderne Produktionsmaschinen
Technologie. GEFERTEC gehört zur mittel-
12681 Berlin
Mit den Maschinen der arc-Serie, die auf
ständischen Scansonic-Gruppe mit Haupt-
Telefon: +49 30 912074-360
der 3DMP -Technologie basieren, bietet
sitz in Berlin, die mit rund 250 Mitarbeitern
info@gefertec.de
GEFERTEC eine Möglichkeit zur schnel-
einen Umsatz von etwa 45 Millionen Euro
len und wirtschaftlichen Fertigung auch
erwirtschaftet.
www.gefertec.de
®
Ereignisse und Termine Laborporträt
FUTUR 2/2018
Additive Fertigungstechnologien Vom Design bis zur Qualitätssicherung Das Labor »Additive Fertigungstechnologien« am Fraunhofer IPK bietet mit dem
Selektives Lasersintern (SLS)
Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM), dem Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA)
DTM Sinterstation 2000
sowie dem Selektiven Lasersintern (SLS) zukunftsträchtige Technologien an, die
– 100 W CO2-Laser
viele metallische Legierungen und Kunststoffe sicher verarbeiten können. Dabei
– Herstellung von Prototypen
werden Anwendungsfelder von der individuellen Fertigung bis hin zur Kleinseri- – Geometrie- und Konzeptmodelle aus Kunststoff enfertigung bedient. Unsere Experten erforschen neue Ansätze im Design, in der Konstruktion und in der Fertigung additiver Bauteile und entwickeln gemeinsam
3D-Drucker
mit Kunden und Partnern individuell abgestimmte Prozessketten, beginnend bei
HP Designjet 3D, MakerBot Replicator 2X Dual
der Auslegung von Produkten über die Prozessentwicklung bis hin zur Integration additiver Technologien im Unternehmen.
Extruder, Ultimaker Original, Ultimaker 2 – Entwicklung von recycelbaren Werkstoffen – Herstellung von Designmodellen
►►Technische Ausstattung Selektives Laserstrahlschmelzen (SLM)
Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA)
CAD-CAM-Software
SLM250 HL
TruLaser Cell 7020
Ansys Workbench, Solid Works, Magics,
– 400 W YLR-Laser
– 2000 W Scheibenlaser
– Null-Punkt-Spannsystem für die Nachbearbeitung
– Drehkipptisch zur flexiblen Bauteilpositionierung
– Qualifizierung von metallischen Werkstoffen
– Reparatur und Beschichtungen von Komponenten
Siemens NX – Simulation, Konstruktion und HMI-Programmierung
– Fertigung von Kleinserien Pulveranalyse HAVER & Böcker Analysesiebmaschine, EDXAnlage – Charakterisierung des Pulvermaterials – EDX-Analyse zur chemischen Werkstoffanalyse – Hall Flowmeter zur Bestimmung der Fließfähigkeit
Materialprüfung Zwick & Roell Z150, REM Jeol JCM-5000, Neoscope – Prüfung der Dichte – Bestimmung der Zugfestigkeit und Härte – Gefügeuntersuchung
Optische und taktile Vermessung Alicona InfiniteFocus, GOM ATOS 3, Jenoptik nanoscan 855, Zeiss F25, Zeiss LSM 5, Zeiss Metrotom 800, Zeiss O-Inspect – Prüfung von Geometrie, Rauheit, Kontur und Topografie
Ihr Ansprechpartner André Bergmann Telefon: +49 30 39006-107 andre.bergmann@ipk.fraunhofer.de
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Ereignisse und Termine
Ernennung zum Universitätsprofessor Prof. Michael Rethmeier unterrichtet in St. Petersburg Im März dieses Jahres wurde Prof. Michael Rethmeier zum Professor im Department für Lasertechnologie am Institut für Metallurgie, Maschinenbau und Transport an der Peter der Große St. Petersburg Polytechnische Universität (SPbPU) ernannt. Im April hielt er, von ERASMUS+ gefördert, eine erste Vorlesungsreihe über Schweißtechnik. Weitere Vorlesungen werden ab September mit den Themen Metall-Schutzgas-Schweißen (MSG-Schweißen), Schweißverzugs simulation, Laserstrahlschweißen und Punktschweißen folgen. Rethmeier leitet am Fraunhofer IPK das Geschäftsfeld Füge- und Beschichtungstechnik sowie den Fachbereich Schweißtechnische Fertigungsverfahren an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Seiner Berufung an die SPbPU ging eine langjährige Kooperation auf dem Gebiet des Hochleistungslaserstrahl-
Prof. Michael Rethmeier während der ersten Vorlesung in St. Petersburg (© Peter der Große St. Petersburg Polytechnische Universität)
schweißens und der Schweißsimulation mit Professor Gleb Turichin voraus, der dort dem Department Lasertechnologie vorsteht. Beide Professoren pflegen bereits einen regelmäßigen Austausch von Dok-
Ihr Ansprechpartner
toranden. Professor Michael Rethmeier freut sich nun auf eine noch
Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier
engere Zusammenarbeit mit dem Institut für Metallurgie, Maschi-
Telefon: +49 30 39006-220
nenbau und Transport an der SPbPU.
michael.rethmeier@ipk.fraunhofer.de
Vernetzung in der Produktion Fraunhofer IPK auf der Hannover Messe 2018 Auch in diesem Jahr war das F raunhofer IPK auf der Hannover Messe vertreten. Vom 23. bis zum 27. April wurden an zwei Ständen neueste Industrie-4.0-Technologien vorgestellt. Am Messestand des Fraunhofer-Verbunds Produktion konnten die Besucher ein Exponat testen, in dem verschiedene Lösungen des Fraunhofer IPK, wie die modulare Shopfloor-IT, dienstbasierte Konzepte und Digitale Zwillinge, ineinander greifen. So sollte gezeigt werden, wie unterschiedliche Einheiten zu immer neuen Abläufen kombiniert und in bereits bestehende Anlagen integriert werden können. Trendthema der Hannover Messe 2018 war für Thomas Vorsatz aus dem Geschäftsfeld Virtuelle Produktentstehung eindeutig der Digitale Zwilling: »Obwohl wir nicht die einzigen auf der Messe mit diesem Thema waren, kamen viele Unternehmen, insbesondere aus der Automotive-Branche, direkt auf uns zu und informierten sich über den Ein-
Smarte Fabrik: In diesem Exponat arbeiteten eine Bearbeitungszelle und ein Handlingsystem zusammen – als Beispiel, wie Fertigungstechnologien über verschiedene Hersteller und Standards hinweg variabel vernetzt werden.
satz der Technologie.« Am F raunhofer-Hauptstand präsentierte das Fraunhofer IPK gemeinsam mit Partnern aus dem Leistungszentrum
Ihre Ansprechpartnerin
»Digitale Vernetzung« ein Exponat zur Vernetzung von einzelnen
Katharina Strohmeier
Komponenten der Produktion in einer einzigen Maschine und dem
Telefon: +49 30 39006-331
daraus resultierenden Mehrwert für die gesamte Fertigung.
katharina.strohmeier@ipk.fraunhofer.de
Ereignisse und Termine
FUTUR 2/2018
Turbinenschaufeln endoskopisch reinigen Innovationspreis der Deutschen Luftfahrt 2018 für Projekt von Rolls-Royce in Kooperation mit SCHÖLLY FIBEROPTIC und Fraunhofer IPK Rolls-Royce Deutschland hat gemeinsam mit SCHÖLLY FIBEROPTIC und Fraunhofer IPK beim Innovationswettbewerb der Deutschen Luftfahrt (IDL) in der Preiskategorie »Cross Innovation« gewonnen. Dem ausgezeichneten Projekt »Längeres Leben für Turbinenschaufeln durch endoskopisches Reinigen« liegt die erfolgreiche Anwendung von Methoden aus der Medizintechnik auf komplexe, hochbelastete Bauteile moderner Strahltriebwerke zugrunde. Deren Lebensdauer wird so verlängert, Wartungskosten werden gesenkt. Moderne Hochdruckturbinenschaufeln werden bei Temperaturen weit über dem Schmelzpunkt der verwendeten Materialien betrieben. Um diesen trotzdem zuverlässig
Virtual-Reality-Darstellung der Zuführung des neu entwickelten Werkzeugs durch die Öffnungen der Kraftstoffdüsen (© SCHÖLLY FIBEROPTIC GMBH)
über Millionen Flugkilometer standhalten zu können, werden sie von innen durch Kanäle mit Luft gekühlt.
programms (LuFo) erarbeitet. In einem weiteren Schritt konnte unter
Dadurch entsteht ein Luftfilm rund um die Schaufeln, der den direk-
Leitung von Rolls-Royce gemeinsam mit den Forschungspartnern
ten Kontakt mit den heißen Verbrennungsgasen verhindert. Verstop-
Fraunhofer IPK und SCHÖLLY FIBREOPTIC das Werkzeug zur Ein-
fen die Kühllöcher durch Verunreinigungen im Luftstrom, werden
satzreife entwickelt werden.
die Schaufeln geschädigt. Eine regelmäßige Inspektion und Reinigung der Kühlkanäle der Turbinenschaufeln an den eingebauten
Der Innovationspreis der Deutschen Luftfahrt wurde am 25. April
Triebwerken senkt Wartungskosten und Treibstoffverbrauch, sie
im Rahmen der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung
helfen, ungeplante Triebwerkswechsel zu vermeiden.
ILA 2018 in Berlin verliehen. Die Preisträger in den vier Kategorien »Emissionsreduktion«, »Customer Journey«, »Industrie 4.0« und
Das ausgezeichnete Team aus Experten der drei Unternehmen hat
»Cross Innovation« wurden von einer Experten-Jury unter Vorsitz
ein Werkzeug entwickelt, mit dem die schwer zugänglichen Turbi-
von DLR-Luftfahrtvorstand Prof. Rolf Henke in einem mehrstufigen
nenschaufeln im Triebwerk mit einem Hochdruckwasserstrahl gerei-
Verfahren aus zahlreichen Einsendungen ausgewählt. Neben ihrer
nigt werden können. Das neu entwickelte, stark miniaturisierte und
Innovationskraft war die Umsetzbarkeit der Konzepte ein wichtiges
bewegliche Instrument kann endoskopisch direkt durch die bereits
Kriterium bei der Preisvergabe.
vorhandenen Öffnungen der Kraftstoffdüsen ins eingebaute Triebwerk eingeführt und über eine Kontrolleinheit wie bei medizinischen Eingriffen hochpräzise gesteuert werden. Ungewollter Kontakt mit Bauteilen wird so vermieden. Der spezielle Reinigungskopf strahlt Wasser mit bis zu 500 bar Druck – ungefähr dem vierfachen Druck eines üblichen Hochdruckreinigers – auf die Turbinenschaufeln und hält dabei die angewählte Position genau ein. Dank der Fixierung der Position lassen sich je nach Konstruktion mehrere Schaufeln oder rund 360 Kühllöcher gleichzeitig reinigen.
Ihr Ansprechpartner Christian Mohnke
Die theoretischen Grundlagen für das neue Verfahren wurden in
Telefon: +49 30 39006-354
einer frühen Konzeptphase im Rahmen des Luftfahrforschungs
christian.mohnke@ipk.fraunhofer.de
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Ereignisse und Termine
Internationale Gäste S. E. Jean Graff, Botschafter des Großherzogtums Luxemburg Am 13. April 2018 begrüßten Prof. Jörg Krüger, Leiter des Geschäftsfeldes Automatisierungstechnik (l.), und Dr. Bertram Nickolay, Leiter der Abteilung Maschinelles Sehen (r.), hohen Besuch am Fraunhofer IPK. S. E. Jean Graff, Botschafter des Großherzogtums Luxemburg (2.v.l.), informierte sich in Begleitung der stellvertretenden Leiterin der Wirtschafts- und Handelsabteilung Julie Jacobs über Technologien der Automatisierungs- und Rekonstruktionstechnik und bekundete großes Interesse an Kooperationen mit dem Standort Berlin und insbesondere dem Fraunhofer IPK. Was hierzulande eher unbekannt ist: In Luxemburg ist der Sektor der produzierenden Industrie stark ausgeprägt. Daher sieht der Botschafter großes Potenzial in neuen Projekten zu den Themen flexible Produktion und Industrie 4.0.
S. E. Dr. Peter Huber, Botschafter der Republik Österreich S. E. Dr. Peter Huber, Botschafter der Republik Österreich (2.v.r.), und Viktoria Wagner, Leiterin des Österreichischen Kulturforums Berlin, waren am 18. April 2018 zu Gast. Prof. Eckart Uhlmann, Institutsleiter des Fraunhofer IPK (r.), und Dr. Bertram Nickolay (l.) stellten das Konzept der F raunhofer-Gesellschaft sowie aktuelle Kooperationen des Fraunhofer IPK und der TU Berlin mit Österreich vor. Gemeinsam wurden Lösungen und Projekte zu den Themen Industrie 4.0 und digital integrierte Produktion diskutiert. Viktoria Wagner zeigte sich besonders an einer Zusammenarbeit im Bereich der virtuellen Rekonstruktion für den Erhalt von Kulturgütern interessiert. Im Versuchsfeld begeisterte sich Botschafter Dr. Peter Huber für eine neue gestenbasierte Programmiermethode für Roboter.
Cameron Dick MP, Australien Am 20. April kam The Honourable Cameron Dick MP, Minister for State Development, Manufacturing, Infrastructure and Planning aus Queensland, Australien in das F raunhofer IPK. Empfangen wurde er von Prof. Holger Kohl, Leiter des Geschäftsfeldes Unternehmensmanagement, und Prof. Frank Wagner vom Fraunhofer IAO, der über die Aktivitäten von Fraunhofer in Australien berichtete. Cameron Dick informierte sich über das Fraunhofer-Modell in Deutschland und war besonders von den Innovationssystemen und FuE-Aktivitäten des Fraunhofer IPK im Bereich der digital integrierten Produktion sowie der entsprechenden Wertschöpfungs- und Geschäftsmodelle beeindruckt. Bei der abschließenden Versuchsfeldführung begeisterte ihn speziell eine kooperative Robotiklösung für den Automobilbau.
Ereignisse und Termine
FUTUR 2/2018
Erweiterung des Netzwerks ENRICH eröffnet europäischen Standort in Brüssel Die ENRICH Initiative (European Network of Research and Innovation Centres and Hubs) eröffnete am 18. April 2018 ihren ersten Sitz in Europa. Mit dem Ziel, eine verstärkte Zusammenarbeit in den Bereichen Innovation, Technologie und Entrepreneurship aufzubauen, gab es bereits 2017 erfolgreiche Anfänge in Brasilien, China und den USA. Mit der Dependance in Brüssel folgt nun ein zentraler Standort für das europäische Netzwerk. An der Eröffnung nahmen Vertreter der Europäischen Kommission sowie der EU-Mitgliedstaaten und hochrangige Innovations- und Wirtschaftsakteure teil. Das europäische Büro wird als Vermittler zwischen europäischen Kunden und ihren Pendants in Brasilien, China und den USA fungieren. Darüber hinaus wird es eine Anlaufstelle für europäische Organisationen sein, die daran interessiert sind, ihre Aktivitäten
Zur Eröffnung des Standortes trafen sich die Mitglieder des europäischen Netzwerks in Brüssel. (© EBN)
auf dem brasilianischen, chinesischen oder amerikanischen Markt auszuweiten.
Ihre Ansprechpartnerin Johanna Haunschild Telefon: +49 30 39006-337 johanna.haunschild@ipk.fraunhofer.de
Lange Nacht der Wissenschaften Einblicke in die Forschung am PTZ Berlin Am 10. Juni 2018 öffnete das Produktionstechnische Zentrum im Rahmen der Langen Nacht der Wissenschaften die Tore zur »Fabrik der Zukunft«. Über 400 Gäste erlebten Neuheiten aus der Grundlagen- und angewandten Forschung zum Greifen nah: Neben dem Gurkenroboter »CATCH« konnte »CareJack«, ein Smart-RoboticsSystem zur Ergonomieverbesserung und Unterstützung des Bewegungsapparates in Dienstleistung und Industrie ausprobiert werden. Ein paar Schritte weiter konnten Besucher mittels VR-Brille einen Rundgang durch die smarte Produktion der Zukunft machen. Wer gut vorbereitet war, brachte ein eigenes Überraschungsei mit. Mithilfe von Computertomografie konnte man noch vor dem Auspacken gemeinsam mit unseren Wissenschaftlern einen Blick in das Innere werfen. Highlight war in diesem Jahr die Licht- und Musikshow im Versuchsfeld von Fraunhofer IPK und IWF der TU Berlin. In wechselnden
Ihre Ansprechpartnerin
Farben und zu Klängen des Boléro des französischen Komponisten
Claudia Engel
Maurice Ravel kam die Architektur der 3.200 m² großen, kreisrun-
Telefon: +49 30 39006-238
den Halle besonders eindrucksvoll zur Geltung.
claudia.engel@ipk.fraunhofer.de
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Ereignisse und Termine
SPACE UP Kick-off für europaweites Projekt Am 14. Juni 2018 fand der offizielle Kick-off des EU-Horizont 2020-Projekts SPACE-UP (Assisting European SPACE start-ups in scaling UP) in Bremen statt. In Kooperation mit neun weiteren Partnern, darunter dem Netzwerk der Luft- und Raumfahrtunternehmen AVIASPACE BREMEN, dem European Business Angels Network und der italienischen Crowdfunding-Plattform 200crowd.com, unterstützt der Bereich Unternehmensmanagement des Fraunhofer IPK im Rahmen des Projektes europäische Start-ups aus der Luft- und Raumfahrt bei ihren Wachstumsplänen. Über die Projektlaufzeit von drei Jahren werden 60 Start-ups ausge-
Zum Kick-off des Projektes SPACE-UP trafen sich die Kooperationspartner in Bremen. (© AVIASPACE BREMEN / Irene Walsh)
wählt, die durch maßgeschneiderte Coaching-Angebote, individuelle Beratung sowie Kontaktvermittlung gezielt gefördert werden. Einen wesentlichen Bestandteil des Projektes stellen die zweitägigen Space Academies an sechs verschiedenen europäischen Standorten
Ihr Ansprechpartner
dar. Jeweils zehn ausgewählte Start-ups sollen vor Ort gecoacht
Erik Steinhöfel
werden und an Networking-Aktivitäten teilnehmen können. Die
Telefon: +49 30 39006-371
erste Space Academy ist in der ersten Jahreshälfte 2019 geplant.
erik.steinhoefel@ipk.fraunhofer.de
Robotik live auf der automatica F raunhofer IPK führt Automatisierungslösungen vor Vom 19. bis zum 22. Juni präsentierte das F raunhofer IPK auf der diesjährigen automatica in München zwei Technologie-Innovationen aus dem Bereich Robotik erstmals live auf einer Messe. Der Leichtbau-Roboter CATCH für die automatisierte Gurkenernte wird in einem kooperativen Projekt von Fraunhofer IPK und dem LeibnizInstitut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) sowie dem CSICUPM Centre for Automation and Robotics in Spanien entwickelt. Auf der automatica wurde er erstmals öffentlich in Aktion gezeigt: In einem künstlichen Garten erkennt CATCH Kunststoff-Gurken
CATCH (oben) und CareJack (rechts) im Einsatz.
zwischen grünen Blättern und pflückt diese zuverlässig. Die softrobotische Orthese CareJack ist ein Wearable-Robotics-System für den Oberkörper, das in Kooperation mit der CBT – custo-
Ihre Ansprechpartner
mized bionic technologie und dem Fraunhofer IZM zur Ergonomie-
Dr.-Ing. Dragoljub Surdilovic
verbesserung und Bewegungsunterstützung in Produktion, Logistik
Telefon: +49 30 39006-172
und Dienstleistung entwickelt wurde. In der neuesten Version ver-
dragoljub.surdilovic@ipk.fraunhofer.de
fügt CareJack über passive Hüftbügel, die die Aufrichtung des Oberkörpers unterstützen und so eine intuitive Kraftunterstützung lei-
Henning Schmidt
sten. Die dafür notwendige Energie wird aus den Bewegungen des
Telefon: +49 30 39006-149
Trägers gewonnen.
henning.schmidt@ipk.fraunhofer.de
Ereignisse und Termine
FUTUR 2/2018
Augmented Reality beim BMBF Digihand stellt virtuelle Anleitung für angehende Elektriker vor Im Rahmen einer Foyerausstellung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) stellten Vertreter des Verbundprojektes »Digihand« am 2. Juli 2018 Forschungsstaatssekretär Georg Schütte und ausgewählten Mitarbeitern des Ministeriums ein Exponat zur Anwendung von Augmented Reality vor. Unter dem Motto »Arbeitswelten der Zukunft« präsentierten verschiedene Vertreter aus Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Kultur Vorschläge für die
Forschungsstaatssekretär Georg Schütte testet die Augumented-Reality-Brille zur Montage von Steckdosen. (© BMBF / Hans-Joachim Rickel)
Neugestaltung von Berufen im Rahmen der Digitalisierung. Fabrikbetrieb des IWF der TU Berlin entstanden. Die Ausstellung Digihand ist ein vom BMBF gefördertes Verbundprojekt des Insti-
»Arbeitswelten der Zukunft« findet im Rahmen des gleichnamigen
tuts für Zukunftsstudien und Technologiebewertung des Fraunhofer
Wissenschaftsjahres statt und kann noch bis Ende 2018 täglich zwi-
FOKUS und des IWF der TU Berlin und entwickelt Lösungen für die
schen 10 und 18 Uhr im Berliner Dienstsitz des Bundesforschungs-
Fusion von Digitalisierung und Handwerk. Im Rahmen der Ausstel-
ministeriums am Kapelle-Ufer 1 erkundet werden.
lung im BMBF demonstrierten die Projektpartner eine AugmentedReality-Brille, mit deren Hilfe auszubildende Elektriker die Montage einer Steckdose erlernen können. Durch die virtuelle Projektion von Arbeitsmaterialien und Bedienungshinweisen in das reale Sichtfeld
Ihr Ansprechpartner
werden die Auszubildenden Schritt für Schritt durch den Arbeits-
Jan Philipp Menn
prozess geführt. Die virtuelle Bedienungsanleitung ist dabei im Rah-
Telefon: +49 30 314-28887
men einer Abschlussarbeit am Fachgebiet Montagetechnik und
menn@mf.tu-berlin.de
Besuch aus Kolumbien Honorarkonsul Alejandro José Tieck Gaviria Am 9. Juli 2018 empfing Prof. Rainer Stark, Leiter des Geschäftsfeldes Virtuelle Produktentstehung, den deutschen Honorarkonsul in Medellin, Alejandro José Tieck Gaviria in Begleitung der Präsidenten von acht kolumbianischen Universitäten am Fraunhofer IPK. Grund des Besuchs war eine Deutschlandreise der Delegation mit Stationen bei Forschungseinrichtungen in Bonn, Köln und Berlin. Bei seinem Besuch am Fraunhofer IPK informierte sich der Honorarkonsul über das Fraunhofer-Modell in Deutschland sowie das PDM/PLM Competence Center. Die Präsidenten zeigten besonderes Interesse an der Forschung in den Bereichen Digitale Zwillinge und
Der Honorarkonsul (6.v.r.) und die Delegation kolumbianischer Universitäts präsidenten besichtigen die Versuchshalle des F raunhofer IPK.
der additiven Fertigung. Bei einer Führung durch das Versuchsfeld konnten sich die Gäste
Ihr Ansprechpartner
von den anwendungsorientierten Technologien des F raunhofer IPK
Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark
live überzeugen. Highlight war ein Beispiel aus der Agrarrobotik, bei
Telefon: +49 30 39006-243
dem der Ernte-Roboter CATCH in Aktion gezeigt wurde.
rainer.stark@ipk.fraunhofer.de
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Ereignisse und Termine
Hoher Gast aus China Forschungsminister Wang Zhigang
punktthemen. Er war besonders an der engen Verzahnung von Grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung am Fraunhofer IPK interessiert und zeigte sich beeindruckt von der Manufacturing Intelligence der Digitalen Zwillinge, die er bei einer Führung durch
Am 10. Juli 2018 begrüßten Prof. Eckart Uhlmann, Institutsleiter des
das Versuchsfeld live erlebte. Dabei testete er selbst einen Demons-
Fraunhofer IPK, und Prof. Holger Kohl, Leiter des Geschäftsfeldes
trator für Smarte Produktionsumgebungen des Leistungszentrums
Unternehmensmanagement, den chinesischen Forschungsminister
»Digitale Vernetzung« und freute sich über das personalisierte Prä-
Wang Zhigang am Fraunhofer IPK. Der Minister war in Begleitung
sent, das der Digitale Zwilling einer Smart Factory Cell speziell für
einer Delegation des chinesischen Ministerpräsidenten Li Keqiang
ihn herstellte.
nach Deutschland gekommen, um an den 5. Deutsch-Chinesischen Regierungskonsultationen mit Kanzlerin Angela Merkel am 9. Juli
Abschließend bekräftigte der Minister sein Interesse an einer zukünf-
im Bundeskanzleramt teilzunehmen. Am gleichen Tag besuchte
tigen Zusammenarbeit mit dem F raunhofer IPK und lud zu weiteren
Zhigang Bundesforschungsministerin Anja Karliczek im Bundesmi-
Gesprächen nach China ein. Wie auch chinesische Forschungsein-
nisterium für Bildung und Forschung. Dabei einigten sie sich auf
richtungen und Universitäten eine stärkere Anwendungsorientie-
eine verstärkte Kooperation in der Klimaforschung und eine Zusam-
rung nach dem Fraunhofer-Vorbild erreichen können, könnte dann
menarbeit in den Bereichen Industrie 4.0, Berufsbildung sowie den
ein Thema sein, so Wang Zhigang.
Geistes- und Sozialwissenschaften. Ihr Ansprechpartner Auch beim Besuch am Fraunhofer IPK war für Wang Zhigang, der
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
seit März 2018 Minister des Ministry of Science and Technology
Telefon: +49 30 39006-100
(MOST) der Volksrepublik China ist, Industrie 4.0 eines der Schwer-
eckart.uhlmann@ipk.fraunhofer.de
Im Uhrzeigersinn: Prof. Eckart Uhlmann, Institutsleiter des Fraunhofer IPK, begrüßt den chinesischen Forschungsminister Wang Zhigang. Der Minister unterzog den Digitalen Zwilling einem ViP-Test. Was wir unter human-zentrierter Robotik verstehen, konnte Wang Zhigang live an einem Kobot erfahren. Anschließend zeigte er sich beeindruckt davon, welch komplexe Bauteile mit additiven Technologien gefertigt werden können.
FUTUR 2/2018
Termine Mehr Können – Veranstaltungen 2018 Unsere Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung präsentieren wir regelmäßig auf Messen, Konferenzen, Technologietagen, Industrieworkshops und in Seminaren. Wo und wann Sie mit uns ins Gespräch kommen können, verrät Ihnen unser Terminkalender. 10. – 15. September 2018
International Manufacturing Technology Show, Chicago, USA
14. September 2018
Seminar: Wissensmanagement im Kontext der IS0 9001:2015
27. September 2018
IAK: Keramikbearbeitung
27. September 2018
Technologietag: Smart Quality
Oktober 2018
M.Sc. Global Production Engineering
11. Oktober 2018
Technologietag: Digital integrierte Produktion – Konkrete Lösungen für die Praxis
23. – 25. Oktober 2018
parts2clean
08. – 09. November 2018
Seminar: Wissensbilanz – Made in Germany
12. – 16. November 2018
Fraunhofer-Zertifikatsprogramm PLM Professional
14. – 16. November 2018
Seminar: Grundlagen der industriellen Bauteilreinigung
27. November 2018
Konferenz: Berliner Requirements Engineering Symposium
29. – 30. November 2018
Kantenworkshop
Detaillierte Informationen zu allen Veranstaltungen und Möglichkeiten zur Anmeldung finden Sie unter www.ipk.fraunhofer.de/weiterbildung
TIPP
Digital Integrierte Produktion
Technologietag am 11. Oktober 2018 im PTZ Auf unserem Technologietag präsentieren wir im Industrie 4.0 Lab am F raunhofer IPK neue Digitalisierungstechnologien und zeigen konkrete Lösungen für die Praxis. Wir hinterfragen kritisch aktuelle Trends und Entwicklungen und diskutieren gemeinsam mit Ihnen, was davon mehr Wunsch als Wirklichkeit ist und welche Szenarien tatsächlich sinnvoll und umsetzbar sind. In unserem Versuchsfeld erleben Sie unsere Technologien live und können vor Ort prüfen, welche Potenziale und Nutzen sich ganz konkret für Sie als Anwenderin und Anwender ergeben. Unsere Themen im Überblick: –– Technologien für die »Digital Integrierte Produktion« –– Live-Demonstration digitaler Lösungen für die Produktion –– Strategien und Anwendungsszenarien in der industriellen Praxis –– Kooperation und Initiierung neuer Projekte im Transferzentrum »Industrie 4.0 Lab« des Leistungszentrums »Digitale Vernetzung«.
Ihr Ansprechpartner Eckhard Hohwieler
Weitere Informationen und Anmeldung: www.ipk.fraunhofer.de/weiterbildung
Telefon: +49 30 39006-121 eckhard.hohwieler@ipk.fraunhofer.de
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Kurzprofil Produktionstechnisches Zentrum (PTZ) Berlin Das Produktionstechnische Zentrum PTZ Berlin umfasst das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb IWF der Technischen Universität Berlin und das Fraunhofer -Institut für Produktionsanlagen und Kons truktionstechnik IPK. Im PTZ werden Methoden und Technologien für das Management, die Produktentwicklung, den Produktionsprozess und die Gestaltung industrieller Fabrikbetriebe erarbeitet. Zudem erschließen wir auf Grundlage unseres fundierten Know-hows neue Anwendungen in zukunftsträchtigen Gebieten wie der Sicherheits-, Verkehrs- und Medizintechnik. Besonderes Ziel des PTZ ist es, neben eigenen Beiträgen zur anwendungsorientierten Grundlagenforschung neue Technologien in enger Zusammenarbeit mit der Wirtschaft zu entwickeln. Das PTZ überführt die im Rahmen von Forschungsprojekten erzielten Basisinnovationen gemeinsam mit Industriepartnern in funktionsfähige Anwendungen. Wir unterstützen unsere Partner von der Produktidee über die Produktentwicklung
Ihre Ansprechpartner im PTZ Berlin Unternehmensmanagement Prof. Dr.-Ing. Holger Kohl Telefon: +49 30 39006-233 holger.kohl@ipk.fraunhofer.de Virtuelle Produktentstehung, Industrielle Informationstechnik Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark Telefon: +49 30 39006-243 rainer.stark@ipk.fraunhofer.de Produktionssysteme, Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Telefon: +49 30 39006-101 eckart.uhlmann@ipk.fraunhofer.de Füge- und Beschichtungstechnik (IPK) Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier Telefon: +49 30 8104-1550 michael.rethmeier@ipk.fraunhofer.de Beschichtungstechnik (IWF) Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Rupprecht Telefon: +49 30 314-25176 rupprecht@tu-berlin.de Automatisierungstechnik, Industrielle Automatisierungstechnik Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger Telefon: +49 30 39006-178 joerg.krueger@ipk.fraunhofer.de Montagetechnik und Fabrikbetrieb Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger (komm.) Telefon: +49 30 39006-181 joerg.krueger@ipk.fraunhofer.de Qualitätswissenschaft Prof. Dr.-Ing. Roland Jochem Telefon: +49 30 314-22004 roland.jochem@tu-berlin.de
und die Fertigung bis hin zur Wiederverwertung mit von uns entwickelten oder verbesserten Methoden und Verfahren. Hierzu gehört auch die Konzipierung von Produktionsmitteln, deren Integration in komplexe Produktionsanlagen sowie die Innovation aller planenden und steuernden Prozesse im Unternehmen.
Fraunhofer Innovationscluster LCE Life Cycle Engineering Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Telefon: +49 30 39006-100 eckart.uhlmann@ipk.fraunhofer.de Next Generation ID Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger Telefon: +49 30 39006-178 joerg.krueger@ipk.fraunhofer.de
Fraunhofer -Allianzen
Kompetenzzentren
AdvanCer Hochleistungskeramik Christian Schmiedel Telefon: +49 30 39006-267 christian.schmiedel@ipk.fraunhofer.de
Additive Fertigung Dipl.-Ing. André Bergmann Telefon: +49 39006-107 andre.bergmann@ipk.fraunhofer.de
autoMOBILproduktion Dipl.-Ing. Eckhard Hohwieler Telefon: +49 30 39006-121 eckhard.hohwieler@ipk.fraunhofer.de
Anwendungszentrum Mikroproduktionstechnik (AMP) Dr.-Ing. Julian Polte Telefon: +49 30 39006-433 julian.polte@ipk.fraunhofer.de
Big Data Dipl.-Ing. Kai Lindow Telefon: +49 30 39006-214 kai.lindow@ipk.fraunhofer.de
Benchmarking Dr.-Ing. Ronald Orth Telefon: +49 30 39006-171 ronald.orth@ipk.fraunhofer.de
Generative Fertigung Dipl.-Ing. André Bergmann Telefon: +49 39006-107 andre.bergmann@ipk.fraunhofer.de
PDM/PLM Dr.-Ing. Kai Lindow Telefon: +49 30 39006-214 kai.lindow@ipk.fraunhofer.de
Numerische Simulation von Produkten, Prozessen Sebastian Uhlemann Telefon: +49 30 39006-124 sebastian.uhlemann@ipk.fraunhofer.de
Prozessmanagement Prof. Dr.-Ing. Thomas Knothe Telefon: +49 30 39006-195 thomas.knothe@ipk.fraunhofer.de
Reinigungstechnik Dr.-Ing. Sascha Reinkober Telefon: +49 30 39006-326 sascha.reinkober@ipk.fraunhofer.de SysWasser Dipl.-Ing. Gerhard Schreck Telefon: +49 30 39006-152 gerhard.schreck@ipk.fraunhofer.de Verkehr Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann (komm.) Telefon: +49 30 39006-101 eckart.uhlmann@ipk.fraunhofer.de
Arbeitskreise Berliner Runde (Werkzeugmaschinen) Simon Thom, M. Sc. Telefon: +49 30 314-24456 simon.thom@iwf.tu-berlin.de Keramikbearbeitung Alexander Eulitz, M. Sc. Telefon: +49 30 314-24963 eulitz@iwf.tu-berlin.de Mikroproduktionstechnik Dr.-Ing. Mitchel Polte Telefon: +49 30 39006-434 mitchel.polte@ipk.fraunhofer.de Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe Kristin Kropidlowski Telefon: +49 30 314-21235 kristin.kropidlowski@iwf.tu-berlin.de
Simulation und Fabrikplanung Prof. Dr.-Ing. Thomas Knothe Telefon: +49 30 39006-195 thomas.knothe@ipk.fraunhofer.de dip – Digital Integrierte Produktion Dipl.-Ing. Eckhard Hohwieler Telefon: +49 30 39006-121 eckhard.hohwieler@ipk.fraunhofer.de Veranstaltungsmanagement MEHR KÖNNEN Claudia Engel Telefon: +49 30 39006-238 claudia.engel@ipk.fraunhofer.de Virtual Reality Solution Center (VRSC) Dipl.-Sporting. Andreas Geiger Telefon: +49 30 39006-109 andreas.geiger@ipk.fraunhofer.de Wissensmanagement Dr.-Ing. Ronald Orth Telefon: +49 30 39006-171 ronald.orth@ipk.fraunhofer.de Zentrum für Innovative Produktentstehung (ZIP) Dr.-Ing. Kai Lindow Telefon: +49 30 39006-214 kai.lindow@ipk.fraunhofer.de