Vom Pulver zum Bauteil: 3D-Druck für Hersteller mobiler Maschinen

May 20, 2023

Vom 12. bis 18. November ist die SYSTEMS & COMPONENTS in Hannover der führende Treffpunkt für alle Anbieter und Anwender mobiler Maschinen, die sich für den industriellen 3D-Druck interessieren.

Individuelle Verfügbarkeit, Anpassbarkeit, kleine Produktionsmengen und ein hoher Freiheitsgrad in Form und Form – durch additive Fertigung lassen sich Entwicklungszeiten drastisch verkürzen und hochkomplexe Bauteilgeometrien kosteneffizient herstellen. Die neuesten Entwicklungen stoßen auf zunehmendes Interesse in der Off-Highway-Branche und auf der SYSTEMS & COMPONENTS verlässt der 3D-Druck seine Rapid-Prototyping-Nische und bereitet sich darauf vor, die industrielle Wertschöpfungskette in allen Bereichen deutlich zu verändern. Im Gegensatz zur herkömmlichen subtraktiven Fertigung, bei der Material durch Fräsen, Drehen oder Schleifen abgetragen wird, wird bei der additiven Fertigung Material Schicht für Schicht zu einem Bauteil aufgetragen. Dabei kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, das Materialspektrum reicht von Kunststoffen über Metalle bis hin zu Keramik.

Neue Gestaltungsfreiheiten in der Entwicklung Neben den bekannten pulver- und drahtbasierten Technologien arbeiten Aussteller auf dem Messegelände Hannover auch an innovativen Materialkombinationen, um die Grenzen des 3D-Drucks zu erweitern. Zum einen nutzen sie die „Binder-Jetting“-Technologie, ein additives Verfahren zur schnellen Herstellung von Sandgussformen, mit denen sich Bauteile wie Achsgehäuse oder Radnaben hochwertig gießen lassen. Die Herstellung von 3D-Formen mit Sand bietet entscheidende Vorteile im Leichtbau. Darüber hinaus kann das Gussdesign komplexer als üblich sein, da der Bedarf an Trennfugen deutlich reduziert wird.

Druckanlagen zur kontinuierlichen Produktion von Sandgussteilen sind bereits in die Produktionslinien von Gießereien und Prototypenwerkstätten im Off-Highway-Bereich sowie OEMs integriert.

Auf der SYSTEMS & COMPONENTS und der parallel stattfindenden Fachmesse Agritechnica können Landmaschinenhersteller und ihre OEM-Partner, die bereits Bauteile direkt drucken, das volle Potenzial der additiven Fertigung ausschöpfen. Technologien wie „Fused Deposition Modeling“ (FDM) oder „Selective Laser Sintering“ (SLS) ermöglichen den Einsatz seriennaher Materialien beim Bau von Prototypen und Vorserienbauteilen, die dann repräsentativ für die industrielle Großserienfertigung sind.

Die additive Fertigung kann Besonderheiten bieten, die in der traditionellen Fertigung nicht zu finden sind, etwa flexible Dämpfungselemente aus thermoplastischem Polyurethan (TPU), Motorradabdeckungen aus hochfestem faserverstärktem Kunststoff oder Baugruppen, die mehr Freiheitsgrade bei der Ausstattung des Fahrerhauses ermöglichen . Mit dem 3D-Druck können auch Bauteile hergestellt werden, die im herkömmlichen Spritzgussverfahren nicht in einem Stück hergestellt werden können.

Additive Fertigung im industriellen Einsatz Ein Beispiel für die industrielle additive Fertigung sind fahrzeugspezifische Bedienkonsolen, wie sie beispielsweise von IBL Hydronic hergestellt werden, das in nur einem Monat die Entwicklung eines Bedienmoduls abgeschlossen und es dem Kunden aus der Landtechnikbranche vorgestellt hat. Die Gehäuseteile wurden mittels SLS gedruckt, zusammengebaut und mit einer Lederarmlehne versehen. Um es nicht nur funktional, sondern auch optisch ansprechend zu gestalten, wurde die Oberfläche strukturiert und die Komponenten eingefärbt und poliert. Das Ergebnis: eine lederähnliche Struktur, die die Oberfläche optisch aufwertet und das Design abrundet. Für kleinere Einzelteile wie die weißen und orangefarbenen Tasten kam Stereolithographie (SLA) zum Einsatz, eine additive Technologie, die den Druck transparenter Bauteile ermöglicht. Auf diese Weise könnten beleuchtete Warnleuchten direkt in die Tastatur integriert werden.

Das Beispiel zeigt auch den Bedarf an vielfältigen 3D-Druckmaterialien in der additiven Fertigung. Während sich viele Arten von Bauteilen allein aus Kunststoff herstellen lassen, sind Metalle eines der gefragtesten Materialien für additive Fertigungsverfahren. Es überrascht nicht, dass sie aufgrund ihrer Eigenschaften die ideale Wahl für anspruchsvolle Anwendungen sind und Leistung und Festigkeit bieten. Metalle können den Belastungen, Temperaturen und Drücken von Off-Highway-Anwendungen von Natur aus besser standhalten und ermöglichen so die Herstellung von Teilen mit der Festigkeit, die für Antriebskomponenten in mobilen Maschinen erforderlich ist. Aluminium hat ein besonderes Potenzial für effizienten Leichtbau.

Maschinen einer neuen Gewichtsklasse Vom Wärmetauscher bis zum Kühlkörper, für voll funktionsfähige Prototypen oder den Werkzeug- und Vorrichtungsbau – der 3D-Metalldruck ermöglicht die Erstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien, Hohlräumen, Hinterschnitten und detaillierten Innenstrukturen, ohne den Einsatz zusätzlicher Werkzeuge, anderer Vormaterialien oder zusätzlicher Montage Schritte, alles direkt aus einer digitalen Designdatei, dem CAD-Modell, bei minimalem Gewicht und maximaler Steifigkeit. Bei dem Verfahren wird ein Metallpulver mit einem fokussierten Laserstrahl geschmolzen und beim Erstarren des Metalls eine neue Pulverschicht aufgetragen, wodurch ein homogenes 3D-Bauteil entsteht.

Zu den aufkommenden additiven Fertigungsverfahren gehört das „Metal Binder Jetting“ (MBJ). John Deere nutzt die Metal Jet S100-Technologie von HP, um Kraftstoffsystemventile für Traktoren herzustellen, die unter extremen Wetterbedingungen funktionieren. Ähnlich wie beim „selektiven Laserschmelzen“ (SLM) wird bei diesem Verfahren ein Pulverbett Schicht für Schicht aufgebaut, doch anstatt das Pulver mit einem Laser zu schmelzen, setzt der Druckkopf Tröpfchen des Bindematerials an den definierten Positionen ab und bindet so das Pulver Schicht für Schicht zum Bauteil formen. Das resultierende „Grünteil“ wird aushärten gelassen und anschließend gesintert, wobei der Binder entfernt wird und das fertige Bauteil entsteht. Die 3D-Drucker von HP können bis zu 630 Millionen Nanotröpfchen des Bindemittels pro Sekunde präzise auf das Pulverbett auftragen. John Deere nutzt die Technologie auch für Prototypen, um Komponenten wie Windschutzscheibenhalterungen zu testen und zu optimieren. „Wir gehören zu den Ersten in der Agrarindustrie, die den 3D-Druck sowohl für die Prototypenerstellung als auch für die Endfertigung von Bauteilen nutzen“, betont Dr. Jochen Müller, Manager Global Digital Engineering bei John Deere.

Schlüssel für eine effektive Wartung Ein weiteres Schwerpunktthema bei SYSTEMS & COMPONENTS sind Ersatzteile auf Abruf und deren Produktion für den After-Sales. Mit einem 3D-Drucker können immer mehr Ersatzteile exakt nach Kundenwunsch und in der Qualität des Originals hergestellt werden. Der Vorteil besteht darin, dass die Ersatzteile lediglich als Datenmodelle erstellt und gespeichert werden müssen, während die Produktion bedarfsgerecht erfolgen kann. Gerade bei älteren Landmaschinen, bei denen sich verschlissene Teile mit herkömmlichen Produktionsmethoden nicht mehr wirtschaftlich herstellen lassen, ist der 3D-Druck von Vorteil.

Das volle Potenzial der additiven Fertigung lässt sich nur mit koordinierten Verbesserungen bei Anlagen, Materialien und Prozessen ausschöpfen. Den vielfältigen Anforderungen mobiler Arbeitsmaschinen, bei denen beispielsweise Flexibilität, Temperaturstabilität und magnetische Eigenschaften in einem Bauteil vereint werden müssen, genügen die derzeit verwendeten Materialien oft nicht. Darüber hinaus können die meisten Stähle und Legierungen aufgrund der möglichen Rissbildung noch nicht erfolgreich gedruckt werden, ein Problem, das bei der additiven Verbindung von zwei oder mehr Materialien noch deutlicher wird. „Die Multimaterialfertigung mittels 3D-Druck steckt noch in den Kinderschuhen. „Die Unfähigkeit, Materialien beliebig zu kombinieren, ist das größte Hindernis für einen Durchbruch dieser Technologie“, betont Prof. Dr. Thomas Tröster, Vorsitzender des Instituts für Leichtbau mit Hybridsystemen (ILH) und des Instituts für Leichtbau mit Hybridsystemen Additive Fertigung (PIAF, Paderborner Institut für Additive Fertigung) an der Universität Paderborn. Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Paderborn entwickelt industrielle Anwendungen für diese revolutionäre Technologie. MADE-3D (Multi-Material Design using 3D Printing), ein von Prof. Tröster koordiniertes Projekt, zielt darauf ab, die additive Fertigung auf die nächste Stufe zu heben und mehrere Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu verwenden. Ziel ist es, eine noch nie dagewesene Gestaltungsfreiheit für hochkomplexe Leichtbaukomponenten zu ermöglichen, wovon künftig auch der Off-Highway-Bereich profitieren könnte.