Renishaw: ZPP forscht und lehrt für zukunftsweisenden 3D-Druck

F & E für Additive Manufacturing

| Redakteur: Konrad Mücke

«Mit praxisnaher Forschung und Entwicklung sowie mit unseren Aus- und Weiterbildungsangeboten treiben wir den effizienten Einsatz der additiven Fertigung voran», sagt Dr. Andreas Kirchheim, Schwerpunktleiter Advanced Production Technologies, Additive Manufacturing am Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung am Standort Winterthur der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften.
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«Mit praxisnaher Forschung und Entwicklung sowie mit unseren Aus- und Weiterbildungsangeboten treiben wir den effizienten Einsatz der additiven Fertigung voran», sagt Dr. Andreas Kirchheim, Schwerpunktleiter Advanced Production Technologies, Additive Manufacturing am Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung am Standort Winterthur der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften. (Bild: Konrad Mücke / SMM)

Das Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Winterthur lehrt und trainiert Studierende im Maschinenbau und bereits im Beruf erfahrene Fachkräfte hinsichtlich additiver Fertigungsverfahren.

Das ZPP in Winterthur ist auf innovative Produkt- und Prozessentwicklung spezialisiert. Dabei fokussiert man auf richtungsweisende Methoden, Werkzeuge und Verfahren. Diese sollen ermöglichen, innovative Produkte effizient zu entwickeln. Die Spezialisten nutzen aktuelle 3D-Software und digitale Technologien, um rasch hochwertige Produkte und Prozesse zu verwirklichen. Zudem arbeitet das ZPP mit fortschrittlichen Fertigungstechnologien. Auch diese werden fortlaufend hinsichtlich ihrer Qualität und Wirtschaftlichkeit optimiert.

SLM im Fokus

Die Experten in Winterthur forschen zum einen an Verfahren zum HPC (High Performance Cutting), zum anderen an zukunftsweisenden additiven Fertigungstechnologien. Dabei konzentrieren sie sich auf das Verfahren Selective Laser Melting (SLM) für komplexe Metallstrukturen. Sie betrachten dazu geeignete Konstruktionsregeln für die Produktentwicklung. Zudem ermitteln sie ideale Prozessparameter für ausgewählte Werkstoffe und Anwendungen. Dabei arbeiten sie mit zwei zeitgemässen Laserschmelzsystemen des Messtechnik- und Maschinenherstellers Renishaw. Auf ihnen fertigen sie Bauteile aus Titan- und Aluminiumlegierungen, aus Edel-, Werkzeug- und Vergütungsstahl (Werkstoff-Nr. 1.4404, 1.2709 und 1.6580) sowie aus Nickel-Chrom-Legierung (Werkstoff-Nr. 2.4668, Inconel 718). Beim Verfahren des pulverbettbasierten Laserschmelzens (laser powder bed fusion, LPBF), auch selektives Laserschmelzen (selective laser melting, SLM) genannt, arbeiten die Forscher des ZPP mit dem Maschinenhersteller eng zusammen. Für industrielle Prozesse optimieren sie die Prozessparameter für unterschiedliche Pulver.

Dazu sagt Andreas Kirchheim: «Mit unseren Aus- und Weiterbildungsangeboten sowie unserer Arbeit in angewandter Forschung und Entwicklung fokussieren wir eindeutig auf die industrielle Praxis.» Er leitet das Arbeitsteam aus Wissenschaftlern und Technikern in den Schwerpunkten Advanced Production Technologies und Additive Manufacturing.

Fertigungstechniken optimieren

Wie Andreas Kirchheim weiter berichtet, forschen und entwickeln er und sein Team seit inzwischen sechs Jahren in der besonders zukunftsträchtigen additiven Fertigung metallischer Bauteile. «Deshalb konzentrieren wir unsere Tätigkeit darauf, geeignete Verfahren und Maschinen intensiv weiterzuentwickeln und zu optimieren. Dazu gibt es fortlaufend eine Vielzahl an Projekten, die von Studierenden in engem Kontakt mit Unternehmen an der Hochschule bearbeitet werden», fügt er hinzu. Dabei orientieren sich die Arbeiten sehr nah an aktuellen Forderungen und Aufgaben aus der Industrie.

Industrieller 3D-Druck

So tragen er und sein Team beispielsweise dazu bei, die beiden Anlagen zum additiven Fertigen von Renishaw und die darauf ablaufenden Prozesse zum selektiven Laserschmelzen weiter zu optimieren. Beide Systeme eignen sich zum einen für die industrielle Fertigung, zum anderen für die Forschung. Die grössere Anlage AM 400HT verfügt über einen Laser mit 400 W Strahlleistung und einen 234 x 234 x 230 mm messenden, auf bis zu 495 °C erwärmbaren Bauraum. Die Metallpulver werden in einem gut zugänglichen Tank bevorratet. In diesen können Bediener bei laufendem Prozess schnell und sauber Pulver nachfüllen und gegebenenfalls wechseln. Dabei sind die Pulver gegen Feuchtigkeit und Verschmutzen bestens geschützt. Auch die beim Laserschmelzen verbleibenden Pulverreste werden in einem separaten Behälter gesammelt. Dieser lässt sich ebenfalls hauptzeitparallel wechseln und leeren. Somit kann man Pulverreste unverzüglich aufarbeiten und für den weiteren Prozess erneut verwenden.

Für diese Pulverbett-AM-Systeme hat das Team um Kirchheim in Winterthur in partnerschaftlicher Zusammenarbeit mit Renishaw unter anderem eine Prüfeinrichtung verwirklicht. Auf ihr kann man den Pulverauftrag untersuchen und optimieren. Diese Prüfstände nutzen inzwischen auch andere Forschungsinstitute. Das Team des ZPP hat zudem für die Anlagen von Renishaw einen Beschichter deutlich vereinfacht. Er dient dazu, das Pulver in jeweils 20 bis 100 µm dünnen Schichten aufzutragen und einzuebnen. Die aus Silikon bestehende Beschichterlippe lässt sich nunmehr schneller und kostengünstiger wechseln.

Gesamtprozesse betrachten

Insbesondere für Industriepartner entwickelt das Team am ZPP Produkte, die dank additiver Fertigung einen herausragenden Mehrwert für Anwender bieten. Darüber hinaus optimieren sie die gesamte Prozesskette vom Aufbereiten der 3D-CAD-​Modelle über das Laser-Schmelzverfahren bis zum Abtrennen sowie mechanischen und thermischen Nachbearbeiten der additiv gefertigten Bauteile. Auch mit der zunehmend geforderten Automatisierung der additiven Fertigung befassen sich die Exper­ten. Beispielsweise konzipieren sie Nullpunkt-​Spannsysteme, die durchgängig auf Additive-Manufacturing-Anlagensystemen und spanend bearbeitenden Maschinen zum Fertigbearbeiten der additiv gefertigten Bauteile geeignet sind.

Wie Kirchheim anmerkt, erweist sich die additive Fertigung allerdings nur unter besonderen Bedingungen als profitabel. Bauteile, die konventionell gefertigt werden können, additiv herzustellen, sei meist nicht sinnvoll. «Vor allem ist es wichtig, dass die additiv gefertigten Bauteile Merkmale aufweisen, die bisher bei üblicher Fertigung durch abtragende Fertigungsverfahren nicht zu verwirklichen waren. Additive Fertigung muss einen Mehrwert, einen ‹added value› schaffen. Das betrifft beispielsweise die Integration mehrerer Funktionen. Auch ein deutlich verringerter Aufwand zur Montage, eine wesentlich niedrigere Masse bei gleicher oder sogar höherer Festigkeit können eindeutig begründen, generative zu fertigen», ergänzt Kirchheim. Als Beispiel führt er Werkzeuge mit den heute schon üblichen konturnahen Kühlkanälen an. Diese verkürzen beim Spritz- und Druckgiessen deutlich die Zykluszeiten. Oft ermöglichen sie überhaupt erst, Bauteile mit besonders verwickelten Geometrien spritz- und druckgiessen zu können. Nach diesem Konzept haben die Mitarbeiter am Zentrum in Winterthur auch Zahnräder mit hohlen Innenkonturen entwickelt. Dadurch werden diese zum einen leichter und haben ein niedrigeres Trägheitsmoment. So kann man beispielsweise kompaktere Getriebe verwirklichen. Zum anderen verlängern eine Kühlung und die Zufuhr von Schmiermitteln durch die inneren Kanäle die Lebensdauer. - kmu - SMM

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