Additive Fertigung
Akustische Überwachung – Ist sie der Schlüssel zur Kommerzialisierung der laserbasierten additiven Fertigung?
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Der Markt für additive Fertigung wächst. Wie Branchenforschungsschätzungen zeigen, wird der globale Markt für metallische und polymerbasierte additive Fertigung, der 2020 mit 7,17 Milliarden Euro bewertet wurde, bis 2026 voraussichtlich auf 19,23 Milliarden Euro anwachsen. Diese Wachstumskurve deutet auf eine fast dreifache Steigerung innerhalb von sechs Jahren hin.
Eine Vielzahl von Branchen nutzt die additive Fertigung, um ihre Produktionsziele zu erreichen. Berichten zufolge führen insbesondere die Luft‑ und Raumfahrt, Turbinen‑ und Hubschrauber‑Sektoren die Entwicklung an und halten den größten Marktanteil. Dicht dahinter folgt eine bedeutende Adoption in der Medizintechnik.
Mit der wachsenden Marktgröße und einer ständig erweiterten Palette von Anwendungsmöglichkeiten hat sich die additive Fertigung sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Anwendbarkeit stark diversifiziert. Eine bemerkenswerte Entwicklung in diesem Bereich ist die laserbasierte additive Fertigung. In den folgenden Abschnitten werden wir ihr kommerzielles Potenzial sowie die bedeutende Rolle, die die akustische Überwachung bei ihrer erfolgreichen Anwendung spielen könnte, untersuchen.
Bevor wir jedoch diese Aspekte eingehender untersuchen, ist es wichtig, zunächst zu verstehen, was laserbasierte additive Fertigung tatsächlich bedeutet.
Was ist laserbasierte additive Fertigung?
Die MIT Sloan School of Management definiert additive Fertigung als den „Prozess, ein Objekt Schicht für Schicht zu erstellen. Es ist das Gegenteil der subtraktiven Fertigung, bei der ein Objekt durch Abschneiden eines festen Materialblocks bis zum fertigen Endprodukt entsteht.“
Nach dieser Definition kann additive Fertigung jeden Prozess bedeuten, bei dem ein Produkt durch Aufbauen hergestellt wird. In der Praxis bezieht sie sich jedoch auf den dreidimensionalen Druck.
Blicken wir auf die Geschichte des 3‑D‑Drucks, begann sie 1977, als Wyn Kelly Swainson die gezielte Nutzung eines Lasers auf einem in flüssigem Kunststoff eingetauchten Tablett patentierte und dabei eine Schicht festen Kunststoffes oben verschmolz. 1999 druckten Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine eine Blase – das erste 3‑D‑gedruckte Organ in der Menschheitsgeschichte. Das erste funktionale 3‑D‑gedruckte Möbelstück entstand 2005. Ein industrieller Einsatz im größeren Maßstab erfolgte, als Boeing seine von der FAA zugelassenen 3‑D‑gedruckten Titanbauteile für die 787 Dreamliner einführte.
Seit den Anfängen der additiven Fertigung sind Laser ein entscheidender Bestandteil. Laser Systems Europe, eine in Cambridgeshire ansässige Publikation für Integratoren und Anwender industrieller Lasersysteme zur Materialbearbeitung, definiert laserbasierte additive Fertigung als einen Prozess, bei dem „ein Laserstrahl verwendet wird, um aufeinanderfolgende Schichten von Draht‑ oder Pulvermaterial zu verschmelzen oder zu schmelzen und so ein 3‑D‑Objekt zu erzeugen.“
Die Technologie lässt sich auf eine Vielzahl von Materialien anwenden, von hochfesten Metalllegierungen bis hin zu Thermoplasten und Harzen. Sie ermöglicht die Herstellung komplexer Formen mit einem hohen Maß an Präzision.
Mit fortschreitender Technologie werden Laser eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung unserer Zukunft spielen. Ihre Anwendung findet sich in den Bereichen Kommunikation, Verteidigung, Gesundheit, saubere Energie/Kernfusion und mehr. Gleiches gilt für die laserbasierte additive Fertigung, die ebenfalls vielfältige Anwendungen und zahlreiche Vorteile bietet.
Arten und Vorteile der laserbasierten additiven Fertigung
Laserbasierte additive Fertigung kann verschiedene Typen umfassen, darunter Pulverbettschmelzen, direkte Energieeinbringung, Materialstrahl, Blattlaminierung und Stereolithografie.
Einer ihrer markantesten Vorteile liegt in der Fähigkeit, komplexe Strukturen mit optimierten Geometrien zu erzeugen. Konventionelle Verfahren der additiven Fertigung erreichen dieses Präzisionsniveau nicht.
Die Präzision, die die laserbasierte additive Fertigung bietet, reduziert den Bedarf an Nachbearbeitung. Sie minimiert Materialabfall und senkt den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren erheblich.
Laserbasierte additive Fertigungsprozesse lassen sich leicht automatisieren und exakt nach Bedarf anpassen. Die Kombination aus Präzision und Automatisierbarkeit macht sie zu einer effizienten Lösung für schnelles Prototyping zu deutlich niedrigeren Kosten.
Da die laserbasierte additive Fertigung keine Montage erfordert, kann sie exakt nach Bedarf hergestellt werden, wobei nur das notwendige Material verwendet wird, ohne Überschuss oder Abfall. Zudem kommt der Umwelt zugute, indem der durch Logistik, Transport und Abfallmanagement entstehende CO₂‑Fußabdruck reduziert wird.
Anwendungsbereiche der laserbasierten additiven Fertigung
Die Anwendung der laserbasierten additiven Fertigung hat ein breites Spektrum. In der Luft‑ und Raumfahrt ist sie beispielsweise entscheidend für die Herstellung von Bauteilen, die sowohl leistungsstark als auch leicht sind. Die Vorteile dieser Technologie erstrecken sich auch auf die Automobilindustrie, wo sie zur Produktion wesentlicher Komponenten für Motoren, Getriebe, Abgasanlagen und Bremsen eingesetzt wird.
Zusätzlich spielt die laserbasierte additive Fertigung eine bedeutende Rolle im Gesundheitswesen, insbesondere bei der Herstellung patientenspezifischer komplexer Designs. Dazu gehören verschiedene Prothesenlösungen wie Hüft‑ und Knieimplantate sowie Zahnimplantate.
Im Bereich der Elektronik wird die Präzision der laserbasierten additiven Fertigung genutzt, um hochpräzise Leiterplatten (PCBs) zu erstellen. Diese Präzision ermöglicht die Herstellung elektronischer Produkte mit feineren Merkmalen, darunter Antennen, Sensoren und Transistoren.
Das Potenzial der Technologie zeigt sich auch in ihrer Anwendung bei der Herstellung von Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). Hier ermöglicht sie die Fertigung komplexer Bauteile wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope.
Im Energiesektor erweist sich die laserbasierte additive Fertigung als vorteilhaft für die Reparatur von Gas‑ und Windturbinenteilen. Sie spielt zudem eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Komponenten wie Laufrädern, Ventilen und Wärmetauschern. Trotz des vielseitigen Nutzungspotenzials ist die laserbasierte additive Fertigung jedoch noch nicht ausreichend kommerzialisiert.
Laserbasierte additive Fertigung: Fehlende Kommerzialisierung
Eine Studie aus dem Jahr 2016 untersuchte die empirische Analyse der Kommerzialisierungsgrade der laserbasierten additiven Fertigung. Diese Untersuchung schätzte die Größe des globalen industriellen Lasermarktes, der alle Laserquellen umfasst, auf etwa 3,3 Milliarden US‑$. Davon machten additive Laserquellen nur einen Anteil von 100 Millionen US‑$ aus. Prozentual stellten Laserquellen lediglich 3 % des Gesamtmarktwertes dar.
Die Zahlen lassen sich zudem durch qualitative Informationen aus Branchenquellen bestätigen. Beispielsweise bleibt im Luft‑ und Raumfahrtsektor die regulatorische Umgebung die Nutzung der laserbasierten additiven Fertigung weitgehend auf Prototypen beschränkt, sodass sie nicht in kommerziellen Flugzeugen eingesetzt werden kann. Ähnlich hat die zertifizierte Nutzung von laserbasierten additiven Fertigungsteilen in der Automobilindustrie erst kürzlich begonnen.
Das bevorstehende Wachstum der laserbasierten additiven Fertigung wird daher davon abhängen, dass sie in großen Fertigungsindustrien Anwendung findet. Zudem muss sie durch Innovationen angetrieben werden, die ihr Potenzial stärker hervorheben als bisher.
Akustische Überwachung: Ein Wendepunkt für die laserbasierte additive Fertigung
Ein Hauptgrund, warum die laserbasierte additive Fertigung nicht die erwartete Dynamik entwickelt hat, liegt in der Herausforderung unerwarteter Defekte. Diese Defekte lassen sich häufig nicht mit herkömmlichen Methoden wie Wärmebildgebung oder Algorithmen des maschinellen Lernens erkennen.
Daher ist die Fähigkeit, Defekte effizient in Echtzeit zu erkennen, entscheidend. Diese Fähigkeit kann der laserbasierten additiven Fertigung erheblich dabei helfen, ihr wahres kommerzielles Potenzial zu realisieren.
Kurz erklärt basiert die akustische Überwachung zur Defekterkennung in der laserbasierten additiven Fertigung auf einer Echtzeitlösung, die den Unterschied im Geräusch des Druckers zwischen einem fehlerfreien Druck und einem Druck mit Mängeln und Unregelmäßigkeiten nutzt.
„Unsere Forschung bestätigt nicht nur ihre Relevanz, sondern unterstreicht auch ihren Vorteil gegenüber traditionellen Methoden.“
Der Prozess ist kostengünstig, insbesondere wenn es um die Qualitätsverbesserung von Produkten geht, die mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) hergestellt werden. Beim Laser Powder Bed Fusion‑Verfahren wird eine Pulverlage über einer Bauplattform verteilt. Anschließend wird der Laserstrahl verwendet, um das Pulver in bestimmten Bereichen selektiv zu schmelzen. Nach Abschluss der Verschmelzung entsteht ein festes Objekt, worauf erneut eine neue Pulverlage aufgetragen wird, um den Vorgang zu wiederholen. Diese Schicht‑für‑Schicht‑Wiederholung setzt sich fort, bis das Endprodukt erreicht ist.
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Die Technologie der Defekterkennung mittels akustischer Überwachung
Das EPFL‑Team entwickelte das Konzept in Zusammenarbeit mit dem Paul‑Scherrer‑Institut (PSI) und den Schweizerischen Bundeslaboren für Materialwissenschaft und Technologie (Empa).
Um ihr Ziel zu erreichen, setzte das Team ultrasensible Mikrofone in der Druckkammer ein. Diese Mikrofone ermöglichten die Erfassung deutlicher Veränderungen im akustischen Signal während Regimewechseln und halfen schließlich, Fertigungsdefekte zu identifizieren.
Die Forschung brachte einen Mehrwert für das Gebiet der laserbasierten additiven Fertigung, da die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse die industriellen Anwendungen der laserbasierten additiven Fertigung, insbesondere in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt sowie Präzisionsfertigung, erheblich beeinflussen werden.
Im Hinblick auf die weiterreichenden Implikationen bieten viele Unternehmen, die in der laserbasierten additiven Fertigung tätig sind, eine Vielzahl von Produkten und Lösungen an. Diese Firmen stehen nun bereit, die Studie weiter zu untersuchen, um die Vorteile in ihre Prozesse zu integrieren. In den folgenden Abschnitten betrachten wir einige dieser innovativen und führenden Akteure der laserbasierten additiven Fertigung.
Top‑Unternehmen, die laserbasierte additive Fertigung kommerzialisieren
#1. IPG Photonics Corporation
Zwei der laserbasierten additiven Fertigungsprozesse nutzen IPG‑Laser: LMD (Laser Metal Deposition) und SLM (Selective Laser Melting). Während SLM entscheidend für die Herstellung volldichter Metallteile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften ist, verwendet der LMD‑Prozess eine Düse, um Pulver koaxial in den fokussierten Laserstrahl einzuspeisen, wodurch volldichte funktionale Metallkomponenten produziert werden können.
Zur Optimierung dieser Prozesse spielen IPG‑Faserlaser eine entscheidende Rolle. Sie sind maßgeblich bei der Entwicklung von Systemen und Verfahren, die schnellere Pulveraufbau‑ bzw. Pulverdepositionsraten ermöglichen, insbesondere bei Leistungen im Mehrkilowatt‑Bereich.
Das Materialspektrum, das mit dem laserbasierten additiven Fertigungsprozess von IPG kompatibel ist, ist bemerkenswert breit und umfasst unter anderem:
- Polymere
- CoCr
- Aluminium
- Titanlegierungen
- Edelstahl
- Werkzeugstähle
IPGP Preisdiagramm
Die Erfolge dieser technologischen Fortschritte zeigen sich darin, dass die IPG Photonics Corporation (IPGP ) für das am 31. Dezember 2022 endende Geschäftsjahr starke Finanzzahlen meldete. Das Unternehmen verzeichnete einen Umsatz von über 1,4 Milliarden US‑$, bei einem Nettogewinn je Stammaktie (basic) von 2,17 US‑$.
#2. Laser Melting Innovations (LMI)
LMI, ein innovativer Anbieter von Lösungen für laserbasierte additive Fertigung, verfolgt das Ziel, die Technologie für Unternehmen jeder Art und Größe zugänglich zu machen.
Sein Flaggschiff‑Produkt, der Alpha 140, verwendet einen luftgekühlten Faserlaser mit 200 W Leistung und ist für die Bearbeitung von Edelstahl, Nickellegierungen, Werkzeugstahllegierungen und Aluminiumlegierungen geeignet. Der Fokusdurchmesser von 140 µm ermöglicht präzise Ergebnisse mit feinen Details und dünnen Wänden. Das spindelgetriebene Achsensystem sorgt für hohe Positionier‑ und Wiederholgenauigkeit.
Die Abmessungen des Systems von 1,75 m × 0,95 m ermöglichen eine platzsparende Nutzung in Umgebungen sowie in Forschungslabors. Die vom Alpha 140 hergestellten Bauteile sind in Bezug auf Festigkeit und Dichte mit denen konventioneller LPBF‑Maschinen vergleichbar.
LMI wurde 1996 gegründet und ging 2020 eine Zusammenarbeit mit Kurtz Ersa ein, einem Maschinenbauer, der ebenfalls additive Fertigungslösungen für Branchen wie die Automobilindustrie, das Gesundheitswesen und die Luft‑ und Raumfahrt anbietet, um den Alpha 140 über das weltweite Vertriebsnetz von Kurtz Ersa mit 24‑Stunden‑Service zu vermarkten.
#3. Prima Additive
Prima Additive, eine Sparte der Prima Industries (PRIMAIN.BO ) spa, bietet Lösungen für Laser Powder Bed Fusion bzw. Selective Laser Melting, die die thermische Energie des Lasers nutzen, um einen Abschnitt eines Objekts mit einer Schicht Metallpulver zu verschmelzen.
Die laserbasierten Lösungen von Prima Additive erweisen sich als effektiv bei der Umsetzung komplexer Geometrien, kleiner Serienfertigungen und Prototypen. Insgesamt gibt es fünf Lösungen.
Der Print Sharp 150 ist in F&E‑Anwendungen effektiv für die Verarbeitung verschiedener Materialien, wie Stahl, Aluminium, Nickel, Titan und Kobalt‑Chrom‑Legierungen.
Ein weiteres Modell, der Print Genius 150, zeichnet sich durch die Vielseitigkeit seiner Mehrlaser‑Technologie aus. Im Gegensatz dazu nutzt die Variante Print Green 150 einen grünen Laser, der besonders für die Verarbeitung von reinem Kupfer, Kupferlegierungen und stark reflektierenden Materialien geeignet ist.
Für größere Produktionsanlagen ist die 300‑Family‑Lösung ideal. Sie ist für Hochproduktivitätsszenarien konzipiert und eignet sich hervorragend zur Fertigung mittelgroßer und großer Bauteile.
Abschließend bietet der Print Genius 400 eine stark automatisierte Option zur Herstellung großer Bauteile bis zu einer Höhe von einem Meter.
Finanziell verzeichnete die Prima Industries Spa, das Mutterunternehmen von Prima Additives, für die neun Monate bis zum 30. September 2022 einen Nettoumsatz von über 327 Millionen Euro. Das stellt einen deutlichen Anstieg gegenüber dem Umsatz von über 281 Millionen Euro für die neun Monate bis zum 30. September 2021 dar.
Die Zukunft der laserbasierten additiven Fertigung mit akustischer Überwachung und mehr
Mit fortlaufenden Innovationen ist es nur eine Frage der Zeit, bis die laserbasierte additive Fertigung ihr wahres kommerzielles Potenzial erreicht. In der Zwischenzeit tritt die akustische Überwachung als entscheidendes Werkzeug auf. Diese Technologie wird dazu beitragen, Fertigungstechniken konsistenter zu machen. Durch die frühzeitige Erkennung von Defekten und die Ermöglichung ihrer Korrektur ist sie bereit, die Produktqualität in naher Zukunft deutlich zu steigern.
