Konventionelle, subtraktive Technologien sind der Standard in vielen Fertigungshallen. Dabei müssen komplex geformte Schmiede- und Gussbauteile oft aufwendig bearbeitet werden. Bei der Fertigung von Hochleistungs- und Leichtbauteilen im Flugzeugbau etwa werden noch immer bis zu 90 % des Rohmaterials abgetragen. Im Gegensatz dazu bauen additive Verfahren die Bauteile schichtweise auf. So werden nicht nur Ressourcen gespart und Produktionsabfälle vermieden, die Herstellung ist auch äußerst flexibel. „Die Grenzen der Bearbeitung, werden nur durch die gewählten Roboterkinematiken gesetzt“, meint Günter Neumann, Head of Kuka Business Unit Laser Applications in Aachen.

Konventionell fertigen, additiv individualisieren

Hybride Fertigungsmethoden sind Alternativen zu den herkömmlichen Verfahren. Dabei werden einfach geformte Rohteile konventionell hergestellt, zum Beispiel durch Schmieden oder Gießen, um dann zusätzliche Geometrien additiv aufgetragen zu bekommen und so individualisiert zu werden. Im Rahmen von Prolmd geschieht dies mittels Laserauftragschweißen (Laser Metal Deposition, LMD).

Der Vorteil von LMD gegenüber anderen additiven Techniken ist die hohe Aufbaurate. So lassen sich beispielsweise lokal verstärkte Strukturbauteile für Flugzeuge oder hochfunktionelle Komponenten für Turbinen effizient fertigen oder instand setzen. Bislang verhindern jedoch oft die hohen Kosten und anspruchsvollen Bearbeitungsbedingungen eine umfassende Nutzung dieser Technologie. Weil empfindliche Materialien beim Laserauftragschweißen unter Schutzgas vor Oxidation geschützt werden müssen und sich daher meist die komplette Anlage in einer Schutzgasatmosphäre befindet, sind der Größe der zu bearbeitenden Bauteile Grenzen gesetzt.

Auf Robotern basierende Systemtechnik

Ziel von Prolmd ist es, für die Herstellung großer Bauteile eine robuste, effiziente Prozess- und Systemtechnik zu entwickeln. Diese Technik soll den Ansprüchen an moderne Produktionsverfahren und hohe Sicherheitsanforderungen in sensiblen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt genügen. „Letztlich soll das Verfahren in den gesamten Herstellungsprozess – vom Design bis zur Endbearbeitung – integriert werden“, sagt Neumann.

Kostenvorteile bietet dabei die auf Robotern basierende standardisierte Systemtechnik. Dank der Nutzung eines fasergeführten Systems, bleibt der Roboter nahezu uneingeschränkt in seinem Arbeitsbereich. So ist es möglich, flexibel auf Bauteilgeometrie und -größe einzugehen – auch bei kleinen Losgrößen. Durch die Entwicklung eines lokal mitgeführten Schutzgassystems, das nur dort angewendet wird, wo es notwendig ist, ergeben sich weitere Vorteile. Das entwickelte System wird ergänzt durch neue Laserbearbeitungsköpfe, die sowohl Draht als auch Pulver als Zusatzwerkstoffe verwenden, sowie ein für hybride Fertigung geeignetes CAM-System. Im Rahmen von Prolmd werden für die Entwicklung hocheffizienter Laserauftragschweißprozesse mehrere Zusatzwerkstoffe erforscht. Untersucht wird insbesondere, wie hoch die Belastbarkeit und Qualität der entstandenen Bauteile sind.

Kürzere Fertigungszeit, niedrigere Kosten

Die Ergebnisse von Prolmd sollen in den kommenden Jahren in die Fertigung der beteiligten Projektpartner MTU, Airbus und Daimler einfließen. Die Erwartungen sind hoch – auch bei anderen Beteiligten wie BCT Steuerungs- und DV-Systeme, Laserline und M. Braun Inertgas-Systeme. „Wir gehen von einem Meilenstein bei der industriellen Umsetzung des Verfahrens der hybriden Fertigung aus“, sagt Lars Ott, Projektleiter Prolmd bei Kuka. Die Experten denken, die Fertigungszeiten um 50 % und die Kosten um 20 bis 30 % senken zu können. Zugleich lässt sich durch die Implementierung ein Beitrag zur Ressourceneffizienz in der Fertigung leisten. „LMD-Fertigungsverfahren sind aus diesem Grund nicht nur für die Luft- und Raumfahrt oder die Automobilindustrie interessant“, ist Jan Bremer vom Fraunhofer-Institut überzeugt. Weitere Branchen seien die Energieerzeugung oder der klein- und mittelständisch geprägte Werkzeugbau.

Produktionslinie für LMD

Großes Potenzial sieht auch Kuka in der additiven Fertigung. Entscheidend für den Erfolg sei die Verknüpfung der dafür erforderlichen Komponenten zu einer funktionalen Einheit, so Projektleiter Ott. Kuka besitzt langjährige Erfahrung im Bereich der roboterbasierten Lasertechnologie. Für das Projekt hat der Roboterspezialist zwei identische Produktionslinien für das additive LMD-Verfahren konzipiert und umgesetzt, die am Standort Würselen bei Aachen und im nahe gelegenen Fraunhofer-Institut im Einsatz sind. „Langfristig wollen wir das Verfahren für die Serienfertigung ertüchtigen“, sagt Neumann.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.

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