3D Metalldruck — Verbundprojekt „AFiin“ startet

Am 18.05.2022 star­te­te im Indus­trie­park Schwar­ze Pum­pe das Ver­bund­pro­jekt „AFi­in“ der BTU Cott­bus-Senf­ten­berg und der MCR Engi­nee­ring Lau­sitz GmbH, einem Toch­ter­un­ter­neh­men der LEAG. Im Fokus steht die For­schung an einem Metall­druck­ver­fah­ren zur addi­ti­ven Fer­ti­gung groß­di­men­sio­na­ler Maschinenbaugruppen.

Struk­tur­wan­del in der Lau­sitz – die­ses The­ma bestimmt immer mehr den Arbeits­all­tag in der Regi­on. Es ist ein Pro­zess, der mit viel Enga­ge­ment und Inno­va­ti­ons­wil­len in Gang gebracht wer­den muss – das weiß auch Ron­ny Sem­bol. Er ist Pro­jekt­lei­ter von MCR Metal Print, dem Unter­neh­mens­zweig der LEAG-Toch­ter, der sich mit Schweiß­ver­fah­ren zur addi­ti­ven Fer­ti­gung befasst. Es ist ein beson­de­rer Tag, an dem wir spre­chen. In der Kick-Off-Run­de fällt der Start­schuss für ein weg­wei­sen­des Kooperationsprojekt,das genau die­ses Ziel ver­folgt: Gemein­sam mit dem Lehr­stuhl Füge- und Schweiß­tech­nik (LFT) der Bran­den­bur­gisch Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Cott­bus-Senf­ten­berg (BTU) geht „AFi­in“ ins Ren­nen.“ Hin­ter der Bezeich­nung ver­birgt sich der Pro­jekt­ti­tel „Addi­ti­ve Fer­ti­gung groß­di­men­sio­na­ler Maschi­nen­bau­grup­pen für kurz­fris­ti­ge Ersatz­teil­be­reit­stel­lun­gen als Bestand­teil eines inte­grier­ten Instand­hal­tungs­kon­zepts“. Er lässt erah­nen, wie kom­plex das The­ma wirk­lich ist. Zwei Jah­re lang wird das Pro­jekt im Rah­men der WIR!-Initiative „Lau­sitz – Life & Tech­no­lo­gy“ aus Mit­teln des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Bil­dung und For­schung (BMBF) mit 450.000 Euro gefördert.

Mit WAAM zum Maschinenbau-Dienstleister der Zukunft

„Bereits seit 2018 fin­det in der LEAG ein stra­te­gi­scher Ent­wick­lungs­pro­zess in Reak­ti­on auf den Struk­tur­wan­del in der Regi­on statt“, erläu­tert Ron­ny Sem­bol. „Im ers­ten Schritt hat man sich damals dazu ent­schlos­sen, Geschäfts­fel­der markt­nah aus­zu­wei­ten. Für uns hieß das: In der Instand­set­zungs­werk­statt der LEAG arbei­ten heu­te etwa 250 Mit­ar­bei­ter mit gro­ßen Maschi­nen­bau­tei­len, Tage­bau­ge­rä­ten und Schie­nen­fahr­zeu­gen. Unser Ziel ist es im Jahr 2039 in der glei­chen Grö­ße vor­han­den zu sein, nur dass das Pro­dukt­port­fo­lio dann ein ande­res sein wird.“ Die Kom­pe­ten­zen, das Know-how, der gro­ße Maschi­nen- und Anla­gen­park, die Struk­tu­ren – alles sei da, man müs­se es nur nut­zen. Aber wie? Über die­se Über­le­gung sei man auf das The­ma der Addi­ti­ven Fer­ti­gung im Zusam­men­hang mit gro­ßen Maschi­nen­bau­grup­pen gestoßen.

Das Ergeb­nis eines ers­ten Pilot­pro­jek­tes mit der BTU Cott­bus-Senf­ten­berg liegt an die­sem Tag gewich­tig auf dem Tisch des Bera­tungs­rau­mes. Ein Schweiß­kno­ten der per WAAM Ver­fah­ren schich­ten­wei­se, von unten nach oben auf­ge­baut wur­de. „Wir haben typi­sche Anfor­de­run­gen, die ein Kun­de an unse­ren Bereich stel­len wür­de, an die BTU gege­ben und haben damit in Koope­ra­ti­on die­ses Werk­stück ent­wi­ckelt, das unse­re Anfor­de­run­gen erfüllt“, erklärt Sem­bol. Dabei sei die BTU der wis­sen­schaft­lich tech­ni­sche Part­ner in der Kon­stel­la­ti­on. MCR lege den Fokus auf die Anwen­der­sei­te, um das Pro­jekt auf wirt­schaft­lich ver­markt­ba­res Niveau zu heben. „Das The­ma der kurz­fris­ti­gen Beschaf­fung von Ersatz­tei­len ist für uns als Dienst­leis­ter in dem Sek­tor ein bekann­tes Problem.

Auch vor den Lie­fer­eng­päs­sen der heu­ti­gen Zeit war die Beschaf­fung sol­cher spe­zi­el­len Ersatz­tei­le oft mit lan­gen War­te­zei­ten ver­knüpft. Jetzt hat sich die Situa­ti­on sogar noch ver­schärft. Guter Rat ist da teu­er. Auch die kurz­fris­ti­ge Her­stel­lung von Ersatz­tei­len mit klei­nen Los­grö­ßen ist nor­ma­ler Wei­se ein Pro­blem. Wir stre­ben mit unse­rem Pro­jekt ins­ge­samt die Ver­kür­zung der Gesamt­re­pa­ra­tur­zei­ten an.“ Redu­zier­te Still­stand­zei­ten und Lager­kos­ten und somit schließ­lich die Stei­ge­rung der Effi­zi­enz, das alles wer­de für die Unter­neh­men immer wich­ti­ger. „Da hän­gen Lie­fer­zei­ten hin­ten dran, da hän­gen Mit­ar­bei­ter hin­ten dran. Mit die­sem Fokus gehen wir da rein.“

Die Zielsetzung von „AFiin“

„Wir wol­len auf den gesam­ten Pro­zess schau­en und einen voll­stän­dig inte­grier­ten Instand­hal­tungs­an­satz bie­ten“, sagt Sem­bol. „Das heißt die kom­plet­te Scha­dens­be­he­bung von Aus­bau, Befun­dung, Ersatz­teil­druck, über den Ein­bau und die Qua­li­täts­si­che­rung soll aus einer Hand erfol­gen. Was inter­es­sant ist: Wir kön­nen zudem Ersatz­tei­le kre­ieren, ohne dass eine tech­ni­sche Zeich­nung oder Doku­men­ta­ti­on nötig ist. Das ist unser Bene­fit, denn bei uns ist ein 3D-Scan mög­lich und uns ste­hen Mate­ri­al­la­bo­re zur Ver­fü­gung. Außer­dem kön­nen wir auf unse­re eige­ne Zer­spa­nung und auf eige­ne Mon­teu­re zurück­grei­fen.“ Das sei die Ziel­stel­lung, die man am Ende errei­chen wol­le — Ziel des Ver­bund­pro­jekts „AFi­in“ ist es nun aber erst­mal, am Ende der zwei Jah­re min­des­tens ein groß­di­men­sio­na­les Ersatz­bau­teil als Tech­no­lo­gie­trä­ger zu fer­ti­gen. „Die­ses soll dann als Bei­spiel dafür die­nen, dass unser Ver­fah­ren funk­tio­niert. Wir wol­len in den Unter­neh­men, unse­ren spä­te­ren Kun­den, Ver­trau­en in das Pro­dukt schaffen.“

Über die­se Ziel­set­zung hin­aus, haben alle Betei­lig­ten den Nut­zen für die Regi­on selbst im Blick, der einen beson­de­ren Schwer­punkt des Pro­jekts bil­det. „Wir wol­len den Wirt­schafts­stand­ort wert­schöp­fen­der Indus­trie in Schwar­ze Pum­pe unbe­dingt erhal­ten und vor­an­brin­gen. Mit der Schaf­fung eines ein­zig­ar­ti­gen Dienst­leis­tungs­an­ge­bots stei­gern wir natür­lich auch das Poten­zi­al, Arbeit in der Regi­on zu hal­ten und für die Zukunft zu sichern. Eine viel­fäl­ti­ge Part­ner­struk­tur, Koope­ra­tio­nen und Bünd­nis­se stär­ken alle Sei­ten und schaf­fen Per­spek­ti­ven“, so Sembol.

Herausforderungen in der Forschungsphase

Um die­se Zie­le zu errei­chen, gilt es noch eini­ge Hür­den zu über­win­den. „Wäh­rend der zwei­jäh­ri­gen For­schungs- und Ent­wick­lungs­pha­se wer­den drei Lücken auf tech­nisch-wis­sen­schaft­li­cher Sei­te zu schlie­ßen sein“, erklärt Sebas­ti­an Fritz­sche vom Lehr­stuhl Füge- und Schweiß­tech­nik der BTU Cott­bus-Senf­ten­berg. „Das WAAM Ver­fah­ren, also die Addi­ti­ve Fer­ti­gung mit­tels auto­ma­ti­sier­tem Licht­bo­gen­schweiß­ver­fah­ren, bringt vie­le Vor­tei­le mit sich: Kos­ten­güns­ti­ge Anla­gen­tech­nik, nahe­zu kei­ne Bau­raum­be­schrän­kung, Instand­set­zen statt Erset­zen – was Kos­ten deut­lich redu­ziert, eine brei­te Ver­füg­bar­keit an Werk­stof­fen und die Mög­lich­keit, spe­zi­el­le Werk­stoff­le­gie­run­gen anwen­dungs­an­ge­passt her­stel­len zu können.

Für die wirt­schaft­li­che Anwen­dung muss man Bau­tei­le aller­dings schnell her­stel­len kön­nen. Das heißt: schnell dru­cken. Dafür ist die soge­nann­te Auf­bau­ra­te ent­schei­dend. Sie ist der begren­zen­de Fak­tor für die Bau­teil­grö­ße, aber auch für die Bereit­stell­bar­keit. In der ers­ten Pilot­pha­se haben wir cir­ca 1 Kilo­gramm pro Stun­de gedruckt, was noch zu wenig ist. Zu die­sem Zeit­punkt stand auch vor­der­grün­dig die all­ge­mei­ne Mach­bar­keit und die Errei­chung der Qua­li­täts­ei­gen­schaf­ten im Vor­der­grund. Die Auf­bau­ra­te soll wesent­lich gestei­gert wer­den, bes­ten­falls auf 5 bis 10 Kilo­gramm pro Stun­de.“ Das sei der ers­te, wich­ti­ge Punkt, so Fritzsche.

„Die zwei­te Bau­stel­le ist die tech­no­lo­gi­sche Vor- und Nach­be­rei­tung der Pro­duk­te. Das umfasst so gut wie alles, das den ange­streb­ten digi­ta­len, voll­stän­dig inte­grier­ten Pro­zess­ab­lauf betrifft. Von der tech­ni­schen Doku­men­ta­ti­on bis hin zu bana­len Din­gen wie dem phy­si­schen Waren­ein- und ‑aus­gang. Da sind noch eini­ge Punk­te zu lösen. Das letz­te Arbeits­pa­ket“, erläu­tert der BTU-Wis­sen­schaft­ler, „befasst sich mit der Ver­zah­nung von klas­si­schem Maschi­nen- und Stahl­bau mit 3D Metall­druck.“ Noch gebe es wenig Anwen­dungs­bei­spie­le, weil sich die Berei­che bis­her wenig berüh­ren. „MCR hat den Vor­teil, bei­de Spra­chen spre­chen zu kön­nen und kann als Weg­be­rei­ter eine Brü­cke zwi­schen den Berei­chen schlagen.“

Vorteile der Fertigung mittels WAAM

Schon in der Pilot­pha­se war klar, dass das Ver­fah­ren vie­le Vor­tei­le in sich birgt und Poten­zi­al besitzt, da es weni­ger pla­nungs- und aus­füh­rungs­auf­wän­dig als das klas­si­sche Gieß­ver­fah­ren und gleich­zei­tig indi­vi­du­el­ler als das Ver­bin­dungs­schwei­ßen mit Stan­dard­pro­fi­len ist. „Zum Bei­spiel kann man Quer­schnit­te und For­men leich­ter anpas­sen und ändern, so wie es etwa die Bean­spru­chung vor­gibt“, sagt Fritz­sche und bringt eine bereits gelun­ge­ne Stu­die eines Schweiß­kno­tens an. „Es ist uns gelun­gen, die Bean­spruch­bar­keit eines ein­fa­chen Kno­tens um mehr als das Dop­pel­te zu erhö­hen – und gleich­zei­tig über 37% des Gewichts ein­zu­spa­ren, wodurch die Fer­ti­gungs­kos­ten und die Fer­ti­gungs­zeit sin­ken.“ Außer­dem wer­de die Lebens­dau­er des Bau­teils durch den opti­mier­ten Span­nungs­ver­lauf inner­halb des Werk­stücks erhöht. Die Her­stel­lung sei klar res­sour­cen­spa­rend, der CO2-Fuß­ab­druck wer­de in der Bau­teil­her­stel­lung, im Ver­gleich zu klas­si­schen Ver­fah­ren, verringert.

„Dazu brau­chen wir die ent­spre­chen­den Fer­ti­gungs­stra­te­gien und ‑pro­zes­se, die wir ent­wi­ckeln müs­sen, um wirt­schaft­lich zu fer­ti­gen und einen schnel­len Out­put zu gene­rie­ren. Mit der Ent­wick­lung die­ser Pro­zess­ket­te wird uns die Mög­lich­keit gege­ben, sogar noch wei­ter zu den­ken zum Bei­spiel in Form eines digi­ta­len Lagers für Ersatz­tei­le, das wir auf­bau­en kön­nen. Damit könn­ten wir schnell eine gute Ver­füg­bar­keit für wich­ti­ge Bau­tei­le erzeu­gen, die kurz­fris­tig gebraucht wer­den. Das wäre ein gro­ßer Bene­fit“, ist sich Fritz­sche sicher.

„Als Uni kön­nen wir das natür­lich nicht allein umset­zen. Wir brau­chen die Wirt­schaft um als For­schung und Ent­wick­lung ziel­ge­rich­tet zu arbei­ten, denn wir benö­ti­gen die ent­spre­chen­den Anwen­dungs­sze­na­ri­en für die Bau­tei­le – den Input, die Rand­be­din­gun­gen. Wo wer­den sie eingesetzt,welche Werk­stof­fe wer­den benö­tigt? Die geziel­te Ent­wick­lung von Werk­stof­fen, um Pro­zes­se vor­an­zu­trei­ben und nach­her an der Design­ent­wick­lung der Bau­tei­le zu arbei­ten und schließ­lich das Wis­sen in Unter­neh­men zu trans­fe­rie­ren, da wol­len wir hin“, erläu­tert Fritz­sche und schließt: „Hier bekom­men Betrie­be die Mög­lich­keit, ihre Inno­va­ti­ons­fä­hig­keit zu stär­ken und somit auch Fach­kräf­te zu bin­den und der Abwan­de­rung ent­ge­gen­zu­wir­ken. Durch die­se Zusam­men­ar­beit von Wis­sen­schaft und Wirt­schaft wer­den neue Ideen gene­riert und umge­setzt. So kön­nen wir dem Struk­tur­wan­del in der Lau­sitz erfolg­reich begegnen.“

„Lausitz — Life & Technology“ — ein starkes Bündnis für den Strukturwandel

Ziel ist es, die Lau­sitz zukunfts­fä­hig auf­zu­stel­len und mit neu­en For­schungs- und Ent­wick­lungs­an­sät­zen einen Bei­trag zu einer inno­va­ti­ven und nach­hal­ti­gen Regio­nal­ent­wick­lung zu leisten.Vor über zwei Jah­ren haben sich die Kon­sor­tio­nal­part­ner Hoch­schu­le Zittau/Görlitz, Land­kreis Gör­litz, ULT AG und das Fraun­ho­fer IWU mit einer gemein­sa­men Stra­te­gie zur posi­ti­ven Gestal­tung des Struk­tur­wan­dels in der Lau­sitz um ein Gesamt­bud­get von ca. 9MIO EUR bewor­ben. Seit­dem ist das Netz­werk des Bünd­nis­ses auf über 70 Part­ner ange­wach­sen. Dabei konn­ten bis zum jet­zi­gen Zeit­punkt bereits 15 Pro­jek­te erfolg­reich an den Start gebracht werden.

Die addi­ti­ve Fer­ti­gung ist wie gemacht, um die Unter­neh­men der Regi­on, die stark durch Maschi­nen­bau, Anla­gen­bau und Schie­nen­fahr­zeug­bau sowie der Metall- und Kunst­stoff­ver­ar­bei­tung geprägt sind, mit neu­en Fer­ti­gungs­tech­no­lo­gien wei­ter­zu­ent­wi­ckeln und die­se hier zu eta­blie­ren. “Das For­schungs­pro­jekt AFinn setzt genau an die­ser Stel­le an und ist ein wei­te­rer Schritt in der Umset­zung unse­rer Bünd­nis­stra­te­gie, die wir im tech­no­lo­gi­schen Bereich mit der addi­ti­ven Fer­ti­gung ver­fol­gen“, so Leo­nie Lie­mich, Pro­jekt­ko­or­di­na­to­rin von Lau­sitz – Life & Tech­no­lo­gy. Im Netz­werk wer­den drei Pro­jek­te im Bereich der addi­ti­ven Fer­ti­gung geför­dert, die die unter­schied­li­chen Pro­zess­ver­fah­ren (pul­ver­ba­sier­tes SML-Ver­fah­ren/ draht­ba­sier­tes EHLA-Ver­fah­ren oder draht­ba­sier­tes WAAM-Ver­fah­ren) ein brei­tes tech­no­lo­gi­sches Know-how zur Ver­fü­gung stellt sowie den Know-how Trans­fer von der Nie­der­lau­sitz bis hin zur Ober­lau­sitz stärkt.

Der Ansatz der L&T‑Strategie geht aller­dings über die rei­ne Ent­wick­lung von Tech­no­lo­gien hin­aus. Eine wei­te­re wich­ti­ge Dimen­si­on ist die Ver­zah­nung von tech­no­lo­gi­schen mit sozia­len Inno­va­tio­nen – also neue Fer­ti­gungs­tech­no­lo­gien mit Bil­dung und Wei­ter­bil­dung zu den­ken. Denn ohne die aus­ge­bil­de­ten Fach­kräf­te und Exper­ten, kön­nen die neu­en Tech­no­lo­gien in der Regi­on nicht umge­setzt werden.