Symposium mit begleitender Fachausstellung

Material Innovativ 2014

26. Februar 2014, Stadthalle Fürth

 

Bericht

Umformtechnik und additive Fertigung – Lösungen für wirtschaftliche und individuelle Bauteile in Medizin und Mobilität

Mehr Individualität, hohe Flexibilität, kurze Lieferzeiten, höchste Qualität und Nachhaltigkeit im wirtschaftlichen, ökologischen und sozialen Sinne bei der Produkt- bzw. Bauteilherstellung – klingt nach der eierlegenden Wollmilchsau oder dem Wunschkonzert unverbesserlicher Idealisten. Diese Anforderungen leiten sich im Wesentlichen aus gesellschaftlichen Megatrends ab und haben gerade für die Medizintechnik und die Mobilität große Relevanz. Wie nahe die Realität diesen Zielen ist, zeigt die Betrachtung der modernen Fertigungstechnologien Umformtechnik oder additive Fertigung. Diese beiden Branchen und Technologien mit einem Hauptaugenmerk auf die Werkstoffe Metall und Kunststoff waren die Schwerpunkte des 13. Jahressymposiums Material Innovativ 2014 am 26. Februar in Fürth. Ein wichtiger Ansatz des Symposiums, das vom Cluster Neue Werkstoffe der Bayern Innovativ konzeptioniert und ausgerichtet wurde, war die Beleuchtung der Transferpotenziale und Synergiemöglichkeiten zwischen den verschiedenen Branchen und Technologien.

Der Beitrag ist in folgende Bereiche gegliedert:

Additive Fertigung – Nachhaltige Produktionstechnologie mit hohem Innovationspotenzial

Beginnt man mit der Individualität, so sind generative Verfahren, wie das selektive Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen (SLM, SEBM), das Lasersinterverfahren (SLS), Draht- oder Strangablegetechnologien (FDM), sowie Schichtaufbauprozesse (LOM) hervorragende Möglichkeiten, um werkzeugunabhängig Bauteile herzustellen. Die Bauteilgestaltung hängt „nur“ von der verfahrensgerechten Konstruktion und den Bauraumgrößen der Fertigungsmaschinen ab. In diesen Grenzen können flexibel Bauteile in Losgröße eins hergestellt werden. Die aktuellen Anlagentechniken ermöglichen zudem kurze Lieferzeiten. Mittels des SEBM-Verfahrens ist es beispielsweise in der Medizintechnik möglich, die Fertigung von individuellen Implantaten für den Einsatz in der Kieferchirurgie innerhalb von weniger als 5 Tagen zu realisieren. Für Patienten bedeutet dies, dass das Implantat speziell für den individuellen Defekt angepasst werden kann und die heute noch gängige Bearbeitung des einzusetzenden Implantats im Operationssaal somit entfällt. Dadurch lassen sich Operationszeiten verkürzen, die Heilungschancen erhöhen und die Kosten reduzieren. Mit den lange bekannten und zertifizierten Titanwerkstoffen, die hier zum Einsatz kommen, ist zudem eine hervorragende Materialbasis gegeben, die sich für die Verarbeitung mittels additiver Fertigung eignet. Titanwerkstoffe sind auch für die Luftfahrt interessant, da sie zum einen schon lange eingesetzt werden und zudem eine hohe Kompatibilität mit den heute bevorzugt eingesetzten Kohlenstofffaser-verbundmaterialien aufweist, wie Dr. Claudio Dalle Donne, Airbus Group Innovations, feststellte. Insbesondere für Beschläge und Verbindungelemente im Flugzeugbau wäre eine Herstellung mittels additiver Methoden wünschenswert, um beispielsweise heute in der Produktion teilweise übliche Zerpanungsraten von 90% zu vermeiden und mehr Flexibilität bei Designänderungen zu ermöglichen. Bis derartige additiv gefertigte Bauteile allerdings „fliegen“ sind noch zahlreiche Hausaufgaben zu erledigen. Hierzu zählen die Qualifizierung von Pulvern, die exakte Beschreibung der „effects of defects“ sowie die Kopplung von Prozess- und Bauteilsimulation. Dieses sind Aufgaben, welche seitens der Grundlagenentwicklung noch zu leisten sind, wie Dr. Dalle Donne anmerkte. Um dies erfolgreich zu meistern, ist eine disziplinübergreifende Zusammenarbeit notwendig und auch eine Kooperation über Landesgrenzen hinweg wünschenswert. So ergänzen sich beispielsweise die Projektaktivitäten des Direct Manufacturing Research Center (DMRC) in Paderborn gut mit den Entwicklungen am Dänischen Technologischen Institut (DTI). Während am DMRC Zukunftsszenarien für einen Einsatz von additiven Verfahren erforscht werden, modifizieren die Forscher am DTI die Prozesse und die Anlagentechnik im Sinne einer Flexibilisierung in Richtung Kundenbedürfnisse. Hier bestehen Synergiepotenziale, um zukünftige Anwendungen mit heute möglichen Fertigungstechnologien zu koppeln und somit Forschungsschwerpunkte zu identifizieren. So sehr in diesem Zusammenhang das öffentliche Interesse an den additiven Fertigungsverfahren –Stichwort 3D-Druck – zu begrüßen ist, so sehr muss doch der industrielle Einsatz der Technologien differenziert betrachtet werden. Die oben genannten Fragestellungen rund um die Qualitätssicherung sind ebenso zu beantworten, wie die Frage nach den Geschäftsmodellen für eine derart enge Verzahnung von Werkstoff- und Bauteileigenschaften mit dem Fertigungsprozess.

Umformtechnik für Polymere und Metalle – Synergien zwischen Werkstoff- und Fertigungstechnik

Das Phänomen, dass der Werkstoff erst im Produktionsprozess entsteht, hält dabei auch in der Umformtechnik vermehrt Einzug. Umformtechnisch hergestellte Bauteile sind durch hohe Ausbringungsraten und hohe Präzision bekannt. Diese Vorteile mit dem Maßschneidern von Werkstoffeigenschaften zu koppeln ist ein Gebot der Stunde, das für Metalle ebenso gilt, wie für Kunststoffe. Einen diesbezüglichen Schulterschluss der besonderen Art zeigten bei Material Innovativ 2014 die Lehrstühle für Fertigungstechnik (LFT) und für Kunststofftechnik (LKT) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Professorin Marion Merklein, Lehrstuhlinhaberin LFT, und Professor Dietmar Drummer, Lehrstuhlinhaber LKT, zeigten gemeinsam Synergien in der Werkstoff- und Fertigungstechnik auf, welche das eingangs genannte „Wunschkonzert“ in greifbarer Nähe erscheinen lassen. So kann in beiden Werkstoffklassen eine lokale Temperaturkontrolle eingesetzt werden, um Werkstoffeigenschaften maßzuschneidern. Zugehörige Konzepte sind beispielsweise tailored heat treated blanks im Bereich der Metalle oder der Einsatz von integrierten Werkzeugtemperierungen bei Kunststoffen. Durch letzteres ist es möglich, spritzgegossene Kunststoffzahnräder hinsichtlich ihrer Polymermorphologie durch den Einsatz von werkzeugkonturnahen Kühlkanälen so zu optimieren, dass deutlich höhere Festigkeiten erreicht werden. Die Langlebigkeit der mechanischen Funktion ist dabei der ausschlaggebende Faktor für die Nachhaltigkeit in der gesamten Prozesskette. Bei Zahnringen aus Metallen kommen in diesem Umfeld daher häufig das Gießen oder das Schmieden zum Einsatz, da hier die sich einstellenden Gefüge Vorteile bezüglich der Mechanik bringen. Eine umformtechnische Alternative zu diesen Technologien kann Blechmassivumformung sein und insbesondere die Kombination von tailored blanks mit der Umformtechnologie des Taumelns. Mit dieser an sich schon lange bekannten Technik gelingt es, aus dünnen Blechplatinen Funktionsbauteile herzustellen, die nicht durch Materialausdünnungen beschränkt sind. Moderne Anlagensteuerung und die Kombination mit maßgeschneiderten Blechplatinen geben dieser Technologie aktuellen Aufschwung. An diesem Beispiel wird deutlich, dass es immer optimale Werkstoff-Prozess-Kombinationen sind, die im dreifachen Sinne – ökologisch, ökonomisch, sozial – nachhaltige Produkte möglich machen. Zudem zeigte sich auch, dass gerade die Werkzeugtechnik ein Bereich ist, der Innovationssprünge in der werkstoffoptimalen Verarbeitung möglich macht. So lassen sich durch modular aufgebaute Werkzeuge im Zusammenspiel mit Drapiersimulationen heute Faserverbundbauteile fertigen, die im klassischen Werkzeug an einer Faltenbildung und dadurch bedingten nicht optimalen Faserlagen gescheitert wären. Auch die Metalle fordern auf sie zugeschnittene Werkzeugtechniken, wie der begehrte Leichtbauwerkstoff Magnesium. Hier wird  aufgrund seiner hexagonalen Gefügestruktur eine spezielle Werkzeugtechnik mit der Möglichkeit eines individuellen Temperaturmanagements für eine optimale Bauteilgestaltung benötigt.

Material Innovativ 2014 – Plattform des branchen-, technologie- und länderübergreifenden Austausch

Synergiemöglichkeiten identifizieren und Transferpotenziale heben. Das war eines der Kernelemente bei Material Innovativ 2014, dessen diesjähriges Partnerland Dänemark war. Gerade in der Partnerschaft des AluClusters Dänemark und des Clusters Neue Werkstoffe zeigt sich, wie wichtig dabei der grenzüberschreitende Austausch ist. So wurden bei Material Innovativ nicht nur neue Innovationen und Technologien aus Dänemark vorgestellt, sondern auch im Rahmen eines Technology Datings gezielt Kooperationen zwischen dänischen und bayerischen Unternehmen angestoßen. Zusammenfassend läßt sich Material Innovativ 2014 am besten mit einem Zitat von Frau Professorin Marion Merklein und Herrn Professor Dietmar Drummer: „Durch Synergien in Werkstoff- und Fertigungstechnik entstehen attraktive neue Lösungen für die Medizintechnik und Mobilitätsanwendungen!“

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