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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

3D-Druck

Additive Fertigung: Digitalisierung zum Anfassen

Beim der additiven Fertigung (oft auch 3D-Druck genannt) werden Bauteile auf Basis dreidimensionaler Konstruktionsdaten Schicht für Schicht – also additiv – aufgebaut. Die Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) bringt ihre Expertise vor allem bei der Materialentwicklung und der Simulation des Fertigungsprozesses ein – etwa beim Laserschmelzen.

Neue additive Fertigungstechnologien lassen Brennerspitzen und Turbinenschaufeln im 3D-Drucker entstehen. Und das ist erst der Anfang. Bei Einsatz und Entwicklung von Additive Manufacturing ist Siemens gegenüber den Wettbewerbern vergleichsweise weit und hat große Pläne, diese Zukunftstechnologie voranzutreiben.

Beim „Additive Manufacturing“ (englisch, „additive Fertigung“), oft auch als 3D-Druck bezeichnet, werden Bauteile auf Basis dreidimensionaler Konstruktionsdaten Schicht für Schicht – also additiv – aufgebaut. Das funktioniert mit Kunststoffen, mit Metallen und mit anderen Werkstoffen. Damit können technische Konzepte und Geometrien nahtlos umgesetzt werden. Bei herkömmlicher industrieller Fertigung ist das nicht möglich. Insbesondere macht Additive Manufacturing die Fertigung von dreidimensionalen Gebilden mit kompliziertem Innenleben wie zum Beispiel ein gewendeltes Schneckenhaus möglich oder – im industriellen Umfeld – Turbinenschaufeln mit unregelmäßigen inneren Hohlräumen zur Kühlung: Herkömmlich müssten dafür zwei Teile gefräst und dann verschweißt werden. Eine additive Fertigung lässt das komplexe Gebilde dagegen in einem Stück entstehen. Analysten sprechen von einer Revolution in der Fertigung und prognostizieren dem Weltmarkt von Additive Manufacturing einen Wert von rund acht Milliarden Euro im Jahr 2022 – also für Material, Maschinen, Software und Services. Für Siemens ergeben sich daraus enorme Chancen: „Mit Additive Manufacturing können wir die reale Welt, die Siemens auch in Zukunft stark durch Hardware prägen wird, mit der virtuellen Welt der Digitalisierung verbinden“, erklärt Prof. Siegfried Russwurm, Cheftechnologe von Siemens.

Bessere Bauteile schneller entwickelt

Siemens kombiniert dazu sein Kunden- und Daten-Know-how mit dieser innovativen Fertigungstechnik und ist bei Einsatz und Entwicklung von Additive Manufacturing vergleichsweise weit gegenüber den Wettbewerbern. Mehrere Divisionen nutzen die Technologie bereits, um die eigenen Produkte zu optimieren und dem Markt bessere Angebote machen zu können.

Wo bisher geschmiedet, gefräst oder gegossen wurde, kommt immer häufiger der Laser zum Einsatz. Lage für Lage wird beim sogenannten Laserstrahlschmelzen ein Gegenstand erzeugt.

Die Betreiber von Gasturbinen können beispielsweise enorme Leistungssteigerungen erwarten, weil ein neues Komponentendesign eine effizientere Verbrennung oder Kühlung und die Verwendung kosteneffizienterer Einspritzdüsen erlaubt. Ähnliches gilt für Elektromotoren: Neue Geometrien und andere Materialien können die Leistungsdichte um bis zu 50 Prozent erhöhen.

Zudem wird die Entwicklung schneller. Um rund 75 Prozent sinkt die Herstellungszeit von Prototypen für Lauf- und Leitschaufeln für Gasturbinen, die Reparaturzeit bei Gasturbinenbrennern sogar um 90 Prozent. Das Servicegeschäft profitiert ebenfalls davon, weil Ersatzteile nicht nur schneller, sondern auch individueller gefertigt werden können. Und sogar nachträgliche Optimierungen sind möglich.

„Wir haben schon heute einen Spitzenplatz bei Additive Manufacturing“, sagt Russwurm. „Aber wir wollen noch massiv Geschwindigkeit aufnehmen.“ Etwa mit Hilfe der bereits zahlreichen Kompetenzzentren in den Siemens-Divisionen, die von der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) koordiniert werden.

Knowhow und Erfahrung von Corporate Technology

CT bringt seine Expertise vor allem bei der Materialentwicklung und der Simulation des Fertigungsprozesses ein. Das ist kein leichtes Unterfangen. Etwa beim Laserschmelzen – das für Siemens derzeit wichtigste Verfahren aus dem Bereich additive Fertigung, bei dem ein Laser ein Metallpulver aufschmilzt, das schichtweise zum gewünschten Bauteil wird. Im Bruchteil von Millisekunden treten dabei Temperaturunterschiede von 1.000 Grad Celsius innerhalb von Mikrometern auf.

Ein weiterer Aspekt, den CT begleitet, ist die Weiterbildung in der Entwicklungs- und Fertigungs-Community von Siemens. Denn damit Mitarbeiter neue Designs und Anwendungen mit Additive Manufacturing erarbeiten können, brauchen sie völlig neue Kompetenzen. CT hat daher mit Siemens Professional Education und Learning Campus sowie gemeinsam mit den Spitzenuniversitäten TU München und RWTH Aachen spezielle Trainings entwickelt.

Norbert Aschenbrenner
Picture credits: von oben: 1. Bild und 2. Bild DMG MORI