3D-Druck für die Industrie
General Electric und EADS entwickeln in neuen Laboren das schichtweise Herstellen von Objekten von einer Spezialtechnik zu einem alltäglichen Produktionsverfahren weiter. Vor allem der Leichtbau in der Luftfahrt könnte davon profitieren.
- Kevin Bullis
General Electric und EADS entwickeln in neuen Laboren das schichtweise Herstellen von Objekten von einer Spezialtechnik zu einem alltäglichen Produktionsverfahren weiter. Vor allem der Leichtbau in der Luftfahrt könnte davon profitieren.
Das „Ausdrucken“ von Gegenständen wird nicht nur bei Industriedesignern immer populärer: Der Technologiekonzern General Electric (GE) startet nun im US-Bundesstaat New York ein Labor, um das 3D-Drucken zu einem alltäglichen Produktionsverfahren für die Industrie weiterzuentwickeln. GE will damit Teile für Medizintechnik und Flugzeuge fertigen, die im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren leichter, billiger und leistungsfähiger ausfallen sollen.
Die Technik, die in den achtziger Jahren als „Rapid Prototyping“ begann, hat in den vergangenen zehn Jahren rasante Fortschritte gemacht. Längst können aus 3D-Datensätzen nicht mehr nur Kunststoffobjekte schichtweise materialisiert werden, sondern auch Gegenstände aus keramischen Stoffen oder Metallen wie Titan und Aluminium. Dabei sind inzwischen Details mit einer Genauigkeit von 20, 30 Mikrometern möglich.
Als erste Anwendung will GE die Schallwandler seiner medizinischen Ultraschallgeräte mittels 3D-Druck herstellen. Diese sehr teuren Bauteile wandeln elektronische Signale und Schallwellen ineinander um. Gewöhnlich bestehen sie aus Tausenden winziger keramischer Stäbe in einem Abstand von 30 bis 40 Mikrometern.
Die hauchdünnen Stäbchen mit herkömmlichen Gussverfahren zu produzieren ist schwierig, weil sie nur mühsam aus den Gussformen zu lösen sind, ohne zu zerbrechen. GE stellt sie deshalb mit einem Schneidewerkzeug aus einem einzigen keramischen Block her – ein zeitraubender und teurer Vorgang, der zudem nur eine begrenzte Zahl von Schnittmustern zulässt.
Ein 3D-Druckverfahren soll diese Probleme nun beheben. Hierbei wird das in ein Polymer eingebettete Keramikmaterial als glatte Schicht auf einer Arbeitsfläche verteilt und mit UV-Licht an den Stellen bestrahlt, an denen die Stäbchen entstehen soll. Wo das Licht auftrifft, härtet die Keramik aus. Dieser Vorgang wird etliche Male wiederholt, wobei langsam die Stäbchen des Schallwandlers auf der Druckplattform aufwachsen.
Für eine Massenfertigung eigne sich das Verfahren noch nicht, sagt Prabhjot Singh, Projektmanager bei GE. Da es aber viel schneller als die bisherige Schneidetechnik sei und Material spare, könnten die Kosteneinsparungen „einige Größenordnungen“ betragen, hofft Singh. Weil im 3D-Druck auch neue geometrische Formen möglich sind, könnten die GE-Ingenieure den Wandlern womöglich gleich eine leistungsfähigere Konstruktion geben und so die Auflösung der Ultraschallgeräte erhöhen.
Neben GE experimentiert auch der europäische Luftfahrtkonzern EADS mit 3D-Drucktechnologien. Im EADS-Labor im britischen Filton haben Ingenieure bereits verschiedene Metallteile für Flugzeuge mit Hilfe des so genannten Lasersinterns hergestellt. Hierbei wird Metallpulver von einem Laserstrahl jeweils in einem flächigen Muster verschmolzen, das aus dem Querschnitt eines 3D-Modells stammt.
Ein Beispiel sind die Gelenke, an denen die Abdeckungen der Triebwerke aufgehängt sind. Die für den 3D-Druck entwickelten Gelenke wurden so konstruiert, dass sie – bei gleicher Festigkeit – nur halb so viel Material verbrauchen (siehe Bild). Das liegt daran, dass durch die schichtweise Fertigung auch Leer- und Hohlräume angelegt werden können, die im Gussverfahren kaum zu realisieren sind.
Leichtbau ist eine der obersten Maximen in der Luftfahrttechnik: Für jedes eingesparte Kilogramm sinken nach Angaben von EADS die Treibstoffkosten pro Jahr um 3000 Dollar. Für die typische 30-jährige Lebensdauer eines Jets summiert sich die Einsparung auf rund 100.000 Dollar.
Freilich lassen sich nicht alle Metallteile eines Flugzeugs so herstellen. Zwar kann man heute schon viele Legierungen „ausdrucken“. Für Hochleistungslegierungen eignet sich das Verfahren jedoch nicht, weil hierbei die Fertigungstemperatur nicht so präzise gesteuert werden kann wie bei herkömmlichen Verfahren. GE will verschiedene Triebwerksteile wie Turbinenschaufeln zunächst nur für Testzwecke im 3D-Druck fertigen, um etwa das aerodynamische Verhalten zu untersuchen. Singh erwartet, dass sich die Konstruktion neuer Teile dadurch von Monaten auf einige Wochen verkürzt.
3D-Druckverfahren haben noch eine zweite grundsätzliche Beschränkung: die maximale Baugröße der Objekte. Die leistungsfähigsten Industriegeräte ermöglichen derzeit Längen von knapp einem Meter. Flugzeug-Tragflächen oder große Turbinenteile in Kraftwerken werden auf absehbare Zeit also nicht im 3D-Drucker entstehen. EADS-Forscher Jonathan Meyer glaubt auch nicht, dass der 3D-Druck zu einer universellen Fertigungstechnik wird: „Nägel zum Beispiel wird man damit nie herstellen – aber vielleicht eines Tages die Maschinen, die Nägel produzieren.“ (nbo)
