Innovationspotential für Schlüsselmärkte

Produkte, die, bis hinab zur Losgröße Eins, individuell designt und in einem einzigen digitalen Prozess hergestellt werden können, waren bis vor kurzem noch ein Traum für die metallverarbeitende Industrie.

Das von thyssenkrupp neu eröffnete „TechCenter Additive Manufacturing“ in Mülheim an der Ruhr soll ihn nun Wirklichkeit werden lassen. Der Traditionskonzern will dort den 3D-Druck von Metallen und Kunststoffen industrialisieren, wobei der gesamte Planungs- und Herstellungsprozess digital verläuft.

Die Schlüsselmärkte Maschinen- und Anlagenbau, Luftfahrt, Marine und Automobil sollen von einer Technologie profitieren, die nicht nur für die Wertschöpfungs- und Lieferkette, sondern auch Kunden und Umwelt zugutekommt. Dazu laufen bei thyssenkrupp schon seit einigen Jahren interne Projekte.

Diese bereits bestehenden Erfahrungen und Forschungspartnerschaften können und sollen zur Ausschöpfung des 3D-Druck-Potenzials zeit-und kundennah genutzt werden.

Für Dr. Heinrich Hiesinger, den Vorstandsvorsitzenden der thyssenkrupp AG, ist „Additive Manufacturing […] ein weiterer Schritt in der digitalen Transformation unseres Konzerns und ein Baustein unserer Innovationsstrategie“.

Was versteht man unter „Additiver Fertigung“?

„Additive Fertigung“ gehört zur Gruppe der „Generativen Fertigungsverfahren“ und bildet zusammen mit den „Subtraktiven“ und den „Formativen“ die wesentlichen Verfahren der Fertigungstechnologie.

Während in den beiden anderen Methoden Werkstücke gegossen oder aus größeren Materialeinheiten herausgebildet werden, baut die Additive Fertigung ihre Bauteile schichtweise aus dem zu verarbeitenden Werkstoff auf.

Auffallend vorteilhaft ist hier die enorme Designfreiheit: Gitterstrukturen oder gar bionisches Design wären in den herkömmlichen abtragenden und umformenden Verfahren gar nicht oder nur mit erheblichem Mehraufwand umsetzbar. Additive Prozesse jedoch machen auch hochkomplexe Bauteile herstellbar, und zwar – je komplexer, desto wirtschaftlicher - bereits ab Losgröße 1.

Da hier der Einsatz abtragender oder umformender Hilfsmittel wegfällt, lassen sich Durchlaufzeiten verringern und die Stückkosten zum Teil erheblich reduzieren. Das unterscheidet Additive Prozesse am deutlichsten von den bislang gängigen abtragenden und umformenden Verfahren zur Bauteilfertigung in der industriellen Produktion.

So arbeitet ein kleines Team in einer Produktionshalle auf dem Gelände der Lenkungsfertigung von thyssenkrupp zunächst mit einem Drucker für Metalle und einem für Kunststoffe.

Diese beiden Geräte verarbeiten einen jeweils in Pulverform vorliegenden Grundwerkstoff nach dem Selective Laser Melting- bzw. Laser Sintering-Verfahren und bauen ihre Bauteile dabei schichtweise auf.

Als Vorlage dient dafür lediglich eine CAD-Datei. So kann ein Produkt direkt aus seiner digitalen Vorlage fertiggestellt werden. Der herkömmliche Prozessschritt eines vorherigen Werkzeug- oder Formenbaus (s.o.) entfällt.

„Erstmals ist es möglich, dass wir uns ganz auf die Konstruktion als solche fokussieren ohne die Grenzen der herkömmlichen Fertigungsverfahren berücksichtigen zu müssen – das schafft ganz neues Innovationspotenzial“, erklärt Dr. Reinhold Achatz, Technologiechef der thyssenkrupp AG.

Drucker können heute schon Strukturen herstellen, die komplexer, außerdem stabiler, belastbarer und gleichzeitig leichter sind, als das mit gängigen Produktionsmethoden möglich wäre.

Schon seit Anfang 2015 beschäftigt sich bei thyssenkrupp eine interdisziplinäre Projektgruppe mit dem Thema Additive Manufacturing. Die vorhandene interne Entwicklungskompetenz im Bauteildesign, bei Werkstoffauswahl und Prozessentwicklung führten in ersten Projekten bereits zu eindrucksvollen Funktionsverbesserungen und -erweiterungen. Mittlerweile befinden sich mehrere Produkte, die via 3D-Druck realisiert werden sollen, bereits in der Patentierungsphase.

So wurde eine Sonde mit integrierten Kühlkanälen (zur Entnahme von Gasproben aus Öfen) entwickelt. Diese konnte auf diese Weise derart hitzebeständig gefertigt werden, dass sie sogar in Brennöfen von Zementwerken eingesetzt werden kann.

Und nicht nur im Marinebereich lassen sich Bauteile, die nur in geringer Stückzahl benötigt werden, mit dem 3D-Drucker insgesamt schneller und kostengünstiger herstellen. Mitunter wird statt Metall auch mal ein Kunststoff für ein Bauteil verwendet, welches jedoch durch seine spezielle Konstruktion - bei sogar geringerem Eigengewicht - die gleiche Stabilität bieten kann. In beiden Beispielen ließen sich die Lösungen erst durch den Einsatz dieser neuen Produktionsmethode umsetzen.

Additive Manufacturing als Gemeinschaftsaufgabe

Das neue TechCenter will diese internen Projekte nun fortsetzen und auf die nächste Stufe heben. Designs, Produkte und Technologien sollen weiterentwickelt und Kompetenzen noch stärker verknüpft werden, wobei Projekte mit gewissem Industrialisierungs­potenzial den Schwerpunkt bilden. Für die nächsten drei Jahre liegt die Verantwortung für das TechCenter noch bei der zentralen Entwicklungsabteilung des Konzerns, danach soll sie dann auf die Business Area Materials Services übergehen.

„Wir wissen genau, welche Werkstoffe für welches Produkt optimal sind, und haben die Erfahrung im Bereich Logistik- und Projektmanagement, um das TechCenter schnell voranzubringen. Durch unseren breiten Kundenstamm haben wir zudem genau im Blick, für wen die 3D-Druck-Technologie Vorteile bietet“, betonte Hans-Josef Hoß, Vorstandsmitglied von thyssenkrupp Materials Services, bei der Einweihung des Centers.

Diese Art der Produktion ermöglicht und erfordert gleichzeitig eine noch stärker auf den Kunden zugeschnittene Zusamenarbeit. „Wir binden die Kunden von Beginn an mit ein und können schnell und nach individuellen Anforderungen fertigen – das geht bis hin zur Losgröße 1“, so Hoß.

Durch diese Expertise erhalten thyssenkrupp-Kunden ein Produkt, das komplett in einem Unternehmen entstanden ist – von der kundenindividuellen Beratung und spezifischen Materialauswahl über das digitale Konstruktionsdesign und die eigentliche Produktion bis hin zur Nachbehandlung von Komponenten. Dies wird durch die Möglichkeiten der additiven Fertigung zukünftig noch viel schneller als bisher möglich sein.

„Speedboats“ sollen das Geschäft von morgen ansteuern

Ähnliche Innovationskerne wie das TechCenter Additive Manufacturing betreibt thyssenkrupp mit dem TechCenter Control Technology, das die Simulation von Prozessen sowie Big Data-Lösungen vorantreibt, und das TechCenter für Batterieproduktion, bei dem Elektromobilität im Zentrum steht. Alle Einrichtungen fungieren als autark agierende sogenannte „Speedboats“, die die neuen Technologien agil und schnell vorantreiben sollen.

Der 3D-Druck soll bei thyssenkrupp bereits mittelfristig kommerziell genutzt werden, denn der Markt dafür hat sich von 2010 bis 2015 fast vervierfacht. Für 2020 wird sogar ein Ge­samtmarkt von weltweit 21 Milliarden US-Dollar prognostiziert. Dabei werden die für thyssenkrupp rele­vanten Zielmärkte allein auf 10 Milliarden US-Dollar geschätzt.

Künftig soll das Tech-Center Additive Manufacturing auch als Blaupause und Keimzelle für ein breites Netzwerk von Kompetenzcentern in diesem Bereich dienen: ein Roll-out der vielversprechenden Technologie seitens des Konzerns ist jedenfalls bereits geplant.