¿Lernprozess¿

Wer sich vor etwas mehr als einem Jahr die Technologie des Lasersinterns von Metallen angesehen hat wird feststellen, dass Welten zwischen dem liegen, was heute Status quo ist und dem, was damals schon zugegebenermaßen beeindruckt hat. Der Grund: Die Ve

Herr Dr. Shellabear, viele Werkzeug- und Formenbauer scheinen Akzeptanzhürden gegenüber dem Metalllasersintern aufgebaut zu haben. Und das, obwohl die von Ihrem Unternehmen in der Vergangenheit immer wieder präsentierten Projekte mit konkreten Fallbeispielen eine ganz andere Sprache sprechen: In der Prozesskette des Rapid Tooling birgt das Lasersintern sowohl technische als auch wirtschaftliche Potenziale. Eigentlich müsste doch bei jedem Werkzeugbauer eine Metall-Laser-Sinteranlage stehen? 
Da hätten wir nichts dagegen. Wir sind jetzt aktuell an einem Punkt angelangt, wo wir auf Grund der Qualität der Bauteile einer weiteren Verbreitung der Technologie entgegen sehen. Mit den beiden 20 µm-Metallpulvern, DirectSteel 20 und DirectMetal 20, haben wir einen Standard erreicht, dass die Teile, die aus der Maschine kommen, so gut sind, dass sie spritzgusstauglich sind. Das ist ein ganz entscheidender Schritt, um diese Akzeptanzhürden zu nehmen. Ehrlich gesagt, war das Metalllaser-sintern bis dato tatsächlich etwas für Spezia-
listen, die allerdings ganz gute Resultate erzielten.

Wenn Sie von spritzgusstauglich reden, meinen Sie dann schon Serienwerkzeuge? Bislang hatte das Metalllasersintern seinen Prozessketten-Platz doch vorwiegend im Bereich Vorserien- und Prototypwerkzeuge?
Dort wird es auch weiterhin seinen festen Platz haben. Aber was Sie ansprechen, kommt in der Tat immer mehr. Wir haben beispielsweise einen Kunden, der mit unseren Anlagen ausschließlich Serienwerkzeuge macht. Es gibt auch beeindruckende Zahlen von Anwendungen, wo mehrere hunderttausend Teile mit lasergesinterten Einsätzen gespritzt werden. Ein Kunde hat beispielsweise schon 20 Millionen Teile mit einem 4-fach Werkzeug hergestellt, also pro Werkzeugeinsatz mehr als
5 Mio. Teile. Die Grenzen werden zunehmend fließender  –  es kommt eben zunehmend auf die individuelle Anforderung an.
Grundsätzlich geht’s um Rapid Tooling, und um Werkzeuge herzustellen müssen sie zwei Grundvoraussetzungen erfüllen: Einerseits müssen sich die Formen schließen lassen und andererseits muss die Entformbarkeit gewährleistet werden. Beides ist mit unseren 20 µm-Pulvern gewährleistet, wenn auch mit wenigen Minuten Nachbehandlung durch Strahlen mit Stahlkugeln. Wenn es also um die schnelle Verfügbarkeit von Prototypen geht, kann man sofort auf die Spritzgießmaschine gehen. 
Innerhalb der RT-Prozesskette, die eben nicht nur aus der Datengenerierung, der Datenaufbereitung und dem eigentlichen Bauprozess besteht, stecken die Ressourcen in allem was danach kommt, also in der Nachbehandlung, um aus dem lasergesinterten Einsatz ein fertiges Werkzeug zu machen. Natürlich muss beispielsweise auch weiterhin poliert werden, um glänzende Bauteiloberflächen zu erhalten. Aber: Je besser die Ausgangsoberflächen sind, desto geringer ist der Nachbehandlungsaufwand, und da ist uns mit den neuen 20 µm-Pulvern ein deutlicher Schritt gelungen. Man kommt eben noch schneller zum Werkzeug, um letztendlich die Teile abzuspritzen  –  ob nun Prototypen oder Serie.

Nun ist es aber so, dass neben den Anforderungen an die Oberflächen wohl auch die Werkstoffeigenschaften eine Rolle spielen, gerade bei Serienwerkzeugen, wo Standzeiten gefordert sind. In dieser Beziehung könnten doch die jüngst vorgestellten Konzepte zum selektiven Laserschmelzen dem Lasersintern das Wasser abgraben? Schließlich stehen dann bekannte (Stahl-)Werkstoffe zur Verfügung, mit denen jeder im Werkzeugbau Erfahrung hat.
Ich werde immer wieder von Werkzeug- und Formenbauern gefragt, ob wir auch konventionellen Werkzeugstahl anbieten können. Die Antwort ist ein eindeutiges Nein. Wir halten dann im konkreten Fall entgegen, ob denn für die konkrete Applikation wirklich ein Werkzeug aus einem bestimmten Stahl benötigt wird. Meist geht es ebenso gut mit lasergesinterten Einsätzen, nur eben deutlich schneller und günstiger. Dass das Laserschmelzen dem Lasersintern „das Wasser abgräbt“ – diese Gefahr sehe ich nicht.
Wir haben eine grundsätzlich andere Strategie. Wir setzen darauf, mit für das generative Lasersinterverfahren optimierten Werkstoffen zu arbeiten. Nur so lassen sich alle verfahrensspezifischen Pluspunkte optimal umsetzen. Sehen Sie, konventioneller Stahl ist optimiert für Fräsen oder Erodieren usw. Das Problem des Laserschmelzens ist, dass man sich hohe Dichte mit einem überproportional großen Schwund erkaufen muss. Konventionelle Strahlwerkstoffe haben einfach einen zu hohen Schwund. Deswegen ist es sehr schwierig, mit diesen Stoffen eine hohe Genauigkeit zu erreichen.

Stahl ist aber ein für die Branche bekannter
Werkstoff . . .
Nochmals: Unsere Strategie basiert auf der Anwendung, größter Anwendungsbereich ist das Spritzgießen.
Was sind hier die Anforderungen?
Da ist erstens eine für den Werkzeugbau ausreichende Genauigkeit  –  der Zehntelbereich genügt da nicht, hier geht es schon um Hundertstel. Die zweite Anforderung ist eine gute Oberflächenqualität, einerseits um die Entformbarkeit zu gewährleisten und andererseits, um akzeptable Bauteile zu erhalten. Wenn das Werkzeug nicht schließt, bekommen Sie nicht ein Teil, geschweige denn 10 000 Teile. Da ist noch die Schwierigkeit mit den Stählen, auch wenn ich glaube, dass auch diese Verfahren besser werden. Aber die müssen noch hart kämpfen. Und drittens Ø
× spielen die Werkstoffeigenschaften eine Rolle  –  und da wird es künftig nicht nur um Standzeiten gehen.

Sondern?
Derzeit ist das Thema Rapid Manufacturing in aller Munde und alle Beteiligten sind sich einig, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren ein großes Potenzial entsteht, was die Herstellung von Endprodukten mit generativen Verfahren betrifft. Das setzt allerdings voraus, dass ein Umdenken bzw. ein Lernprozess unter Konstrukteuren und Produktentwicklern stattfindet  –  natürlich auch anlagen- und prozessseitig. Da sind wir gefordert.
Dann wird man allerdings die spezifischen Vorteile generativer Verfahren erst richtig einsetzen wollen und können. Ein Beispiel wäre die lokale, örtliche und dreidimensionale Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften. Sie können an unterschiedlichen Stellen eines Bauteils unterschiedliche Festigkeiten erzeugen. Man ändert die Belichtungsstrategie und hat sofort unterschiedliche Eigenschaften im Bauteil.
Ich will damit sagen, dass die Werkstoffe, die für generative Bauteile in Zukunft eingesetzt werden, nicht die heute bekannten Standardwerkstoffe sein werden. Alle Vorteile wird man nur dann effizient nutzen können, wenn man die Werkstoffe für die generativen Verfahren optimiert. Hier wird noch ein Lernprozess stattfinden müssen  –  auch wenn man traditionell Werkzeugstähle bevorzugen mag, die tatsächlichen Wertschöpfungen im Rapid Manufacturing werden unter anderem in ange-passten Werkstoffen liegen. Bis es soweit ist, gibt es jedoch noch einiges zu tun. Etwa was die hierfür fehlenden Datenformate betrifft. Die gibt es für Geometriedaten, aber eben nicht für Werkstoffeigenschaften.

Das Einbringen unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften im Bauprozess selbst hört sich sehr nach Zukunftsmusik an. Gibt es hierzu schon Ansätze?
Die gibt es. Das ist bei uns heute in den Tooling-Anwendungen insofern schon Standard, als wir das so genannte „Hülle-Kern“-Verfahren nutzen. Die Software trennt hierbei die 3D-Geometrie in eine äußere Hülle, die zwischen einem und drei Millimeter dick sein kann, und in den Kern. Mit den 20 µm-Pulvern wird dann die Hülle in 20 µm-Schichten bei relativ hoher Laserleistung belichtet. Das heißt, wir bekommen eine sehr hohe Detailauflösung und bestmögliche Oberflächenqualität. Im Kern wird dagegen nur jede dritte Schicht belichtet, was übrigens auch Bauzeit einspart und die Effizienz erhöht. Dadurch bekommen wir deutlich andere Eigenschaften im Kern als in der Oberfläche. Eine solche Vorgehensweise ist bei uns bereits Standard.

Begegnet Ihnen das Laserschmelzen schon draußen auf dem Markt?
Nein. Überhaupt nicht. Wenn Sie mich fragen, wo der größte Wettbewerb für das Lasersintern im Rapid Tooling liegt, dann lautet die Antwort: HSC-Fräsen. Bei anderen generativen Verfahren sehe ich den kaum. Wir haben weltweit bereits mehr als 70 EOSINT M im Feld, und nach der Verfügbarkeit der 20 µm-Pulver registrieren wir ein steigendes Interesse. Ich denke schon, dass wir mit unserer Strategie auf dem richtigen Weg sind.      

Das 20 µm-Pulver scheint einen echten Meilenstein für das Verfahren zu markieren. Sind 20 µm das Ende? Wohin geht die weitere Entwicklung?
20 µm sind sicherlich nicht das Ende. Aber im Moment geht der Fokus der Entwicklungen in eine andere Richtung. Unser Credo ist derzeit nicht, „so fein wie möglich“ sondern „so fein wie nötig“. Die Anforderungen des Werkzeugbaus bestimmen letztlich unsere Entwicklungsrichtungen, und die fokussieren unser Augenmerk jetzt stärker auf andere Stellen in der Prozesskette. Jetzt geht es um eine noch bessere Integration, vor allem was die Nachbehandlung, aber auch die Werkzeugkonstruktion betrifft. Gerade bei den Konstrukteuren muss noch ein Lernprozess greifen, um die Potenziale generativer Verfahren voll auszuschöpfen, das kann man durch entsprechende Software-Tools unterstützen. Wir befassen uns aber auch mit Dingen, die den Trend hin zur Serien-Werkzeugherstellung unterstützen, etwa die Erhöhung der Standzeiten durch Hartbeschichtungsstrategien. Man kann auch laserseitig was tun, um die Effizienz des
Verfahrens zu steigern. Und so weiter. Die Schwerpunkte unserer Entwicklung liegen
derzeit eher auf solchen Dingen.