Schichtarbeit

Das additive Fertigungsverfahren erobert den Markt

Am Anfang stand eine Mitarbeiteridee. Mittlerweile hat sich das von Rheinmetall Automotive gegründete Start-up Solidteq im rasch wachsenden Markt für metallischen 3D-Druck als Dienstleister etabliert.

Wenn Thomas Bartels einen Besucher von den Vorzügen des 3D-Drucks überzeugen will, drückt er ihm einen Flaschenöffner aus Aluminium in die Hand. Ultraleicht und biegsam wirkt er. „Versuchen Sie bitte, ihn zu zerstören“, fordert Bartels auf. Doch alles Biegen, Drücken und Ziehen hilft nichts; der Öffner bleibt heil. Dafür sorgt eine filigrane Stützstruktur. „Bionisch, also der Natur nachempfunden“, sei dies, „und definitiv nur im 3D-Druck zu fertigen.“ Eigentlich ist Bartels ein nüchtern rechnender Kaufmann, doch man merkt ihm die Begeisterung für die neue Technik an, die 2012 erstmals bei Rheinmetall Automotive Einzug gehalten hat. Damals kamen die ersten Kunststoff-3D-Drucker in den Elektronik-Fachhandel – gut allenfalls um Schlüsselanhänger oder anderen Nippes zuhause zu fertigen. Im Prototypenbau von Rheinmetall erkannten einige Experten jedoch das wahre Potenzial: Mittlerweile war es möglich geworden, auch metallische Gegenstände zu drucken, in einer Festigkeit, die klassischen Fertigungsmustern in nichts nachstand. Zudem brachten die Teile aus dem Metalldrucker einen entscheidenden Vorteil mit sich: Zuvor mussten die Ingenieure einige Wochen warten, bevor sie eine Konstruktion testen konnten. Diese Zeit brauchte ein Formenbauer, um anhand der Konstruktionsdaten das Werkzeug zu bauen, das für das Gießen des Bauteils benötigt wurde. Die gewonnene Zeit verkürzt nicht nur die gesamte Entwicklungsdauer, sondern kann auch genutzt werden, um kurzfristig noch Änderungen einzubringen und abzusichern.

Seit 2017 ein eigenständiges Unternehmen

Der 3D-Druck hat den Prototypenbau bei Rheinmetall Automotive revolutioniert. Mittlerweile werden 99 Prozent aller Musterbauteile additiv gefertigt, so der fachlich korrekte Ausdruck. Und wie bei Revolutionen üblich, gab es Folgen, die zu Beginn niemand vorhersehen konnte. 2015, da standen die ersten drei Maschinen des Herstellers SLM Solutions in Neuss, schlugen einige Mitarbeiter vor, ein eigenes Unternehmen zu gründen, das den 3D-Druck als Dienstleistung auch für externe Kunden anbieten würde.

Zwei Jahre später war es so weit: Seither arbeitet Solidteq als eigenständige GmbH, die rund die Hälfte ihres Umsatzes mit Kunden außerhalb von Rheinmetall Automotive macht. Ganz losgelöst von den Strukturen der Konzernmutter arbeitet das Start-up allerdings nicht. „Wir können in einigen Bereichen auf die Expertise unserer Muttergesellschaft zurückgreifen“, erläutert Benedikt Szukala, bei Solidteq für die Unternehmensentwicklung verantwortlich. „Relevant ist dies beispielsweise, wenn es darum geht, einen Kunden hinsichtlich seiner Konstruktion zu beraten.“ Tatsächlich ist der 3D-Druck zwar das Herzstück von Solidteq, aber nur Teil einer fünfstufigen Wertschöpfungskette, die von der Beratung des Kunden über Designoptimierungen und die Aufbereitung der Konstruktionsdaten bis hin zu Druck und Nachbearbeitung reicht.

Rund die Hälfte des Umsatzes macht Solidteq heute außerhalb von rheinmetall automotive

Denn einfach die Daten eines Bauteils an den Drucker senden und loslegen, so einfach ist der metallische 3D-Druck für professionelle Anwendungen dann doch nicht. „Vorab versuchen wir, mit dem Kunden herauszufinden, was er erreichen will“, erläutert Szukala. Denn wenn das Bauteil aus dem Drucker seine Dienste nicht nur als Prototyp verrichten, sondern als Kleinserienbauteil direkt in einer Maschine oder Anlage zum Einsatz kommen soll, kann die Konstruktion auf die Möglichkeiten angepasst werden, die additive Fertigungsverfahren bieten.

Ein Beispiel: Kürzlich fertigte Solidteq für das Ingenieurbüro RSC Engineering einen Matrixmischer für eine großtechnische Anlage. Die Kanäle im Mischer weisen nur zwei Zehntel Millimeter Durchmesser auf. „Mit einem Gussverfahren wäre dies nicht herzustellen“, sagt Szukala. 

Nur 50 Mikrometer pro Schicht

Steht die Konstruktion endgültig fest, müssen die Daten für den Druck zunächst aufbereitet werden. Denn das bei Solidteq eingesetzte selektive Laserschmelzen basiert darauf, dass auf einer Grundplatte aufgebrachtes Pulver mit einem oder mehreren Lasern aufgeschmolzen wird und anschließend erstarrt. Allerdings entsteht auf diese Weise nur eine hauchdünne Schicht festen Materials, je nach Einstellung der Maschine rund 50 Mikrometer oder auch etwas mehr. Erst dann folgt die nächste, ebenso dünne Schicht. Daher wird das Bauteil virtuell bereits vorab in entsprechend viele Schichten zerlegt – und die Verfahrwege der bis zu vier parallel arbeitenden Laser steuert das Programm so, dass sie sich gegenseitig nicht stören. Zudem gilt es, Stützen zu konstruieren, die mit dem Werkstück in die Höhe wachsen. Ohne sie würde sich das Bauteil unter dem Einfluss des eigenen Gewichts und der Umgebungswärme während des Prozesses leicht verziehen. Die später zu entfernenden Stützen selbst sind so filigran aufgebaut wie möglich, damit möglichst wenig Material verschwendet wird. Die komplette Aufbereitung der Konstruktionsdaten erfolgt softwaregestützt. „In diesem Prozessschritt steckt erhebliches Know-how“, sagt Szukala. Wie schnell die Datenaufbereitung erfolgt, entscheidet wesentlich darüber, wie wettbewerbsfähig das gesamte Verfahren ist.  

Welche Maschine danach zum Einsatz kommt, hängt nicht nur an der generellen Verfügbarkeit, sondern auch an dem Material, aus dem das Bauteil entstehen soll. Derzeit verarbeitet der Dienstleister Stahl, Aluminium sowie besonders korrosionsfeste Nickelbasislegierungen. „Wenn möglich, lassen wir auf einer Maschine immer nur einen Werkstoff laufen“, erläutert Szukala. Denn bereits minimale Rückstände eines fremden Pulvers könnten bewirken, dass es beispielsweise zu Korrosion kommt oder die Festigkeit im späteren Betrieb nicht gewährleistet ist. Startet der Druck erst einmal, heißt es abwarten. Wie lange, hängt im Wesentlichen von der Höhe des Werkstücks ab, denn das Pulver wird Schicht für Schicht aufgebracht und dann vom Laser aufgeschmolzen.

Gerade für mittelständische kunden ist es interessant, Ein fertiges bauteil zu erhalten, das sofort einsatzfähig ist

Maximal 330 Millimeter Höhe erlauben die derzeitig vorhandenen Maschinen, bei einer Länge von 500 und einer Breite von 280 Millimetern. In der Praxis werden aber derzeit selten so große Bauteile gefertigt. Stattdessen wachsen auf einer Grundplatte mehrere Teile in die Höhe – auch das spart Zeit und Kosten. Im Schnitt dauert es rund zwei Tage, bis der Vorgang beendet werden kann. Doch damit ist der Auftrag für die Experten von Solidteq noch nicht erledigt. Denn zunächst müssen die Werkstücke nun von der Platte und den Stützen befreit werden – ein Vorgang, der nicht zu automatisieren ist und hohe handwerkliche Geschicklichkeit erfordert. So erhält man einen Rohling, der ähnlich wie ein Gussteil noch nachbearbeitet werden muss, in der Regel erst einmal durch Sandstrahlen, um eine gleichmäßige Oberflächenstruktur zu erhalten. Anschließend wird gefräst und gedreht, ganz so wie in jeder klassischen Fertigung – etwa um Gewinde einzubringen, mit denen das Bauteil später verschraubt werden kann.

 „Hier können wir auf das gesamte Leistungsportfolio und das vorhandene Wissen der Rheinmetall-Gruppe zurückgreifen“, erläutert Szukala. „Gerade für mittelständische Kunden ist es interessant, ein fertiges Bauteil zu erhalten, das sofort einsatzfähig ist.“ 

Wenn jede Stunde zählt

Schnell zum fertigen Bauteil zu kommen, ist nicht nur im Prototypenbau notwendig. Gerade im Maschinen- und Anlagenbau kommt es immer wieder vor, dass aufgrund eines Defekts dringend ein Ersatzteil benötigt wird. Liegt dieses nicht auf Lager und ist das Werkzeug nicht mehr vorhanden, ist 3D-Druck eine Alternative zu klassischen Herstellverfahren. Da jede Stunde zählt, wenn etwa ein Walzwerk stillzustehen droht, arbeitet Solidteq an einem neuen, internetbasierten Service: Von jedem Ort der Welt aus sollen potenzielle Kunden künftig Konstruktionsdaten eines Bauteils hochladen können. Sie erhalten dann unmittelbar ein Angebot und können den Auftrag auch online bestätigen. Doch die Automatisierung des kaufmännischen Prozesses ist nur eine Seite des Ausbaus von Solidteq. Die andere besteht in noch besserer Beratung, zum Beispiel, wenn es zu dem dringend benötigten Bauteil keine Konstruktionsdaten gibt, etwa weil der Anbieter nicht mehr existiert. „Wir sind in der Lage, über Reverse Engineering anhand eines physisch existierenden Bauteils die Daten zu erzeugen, die wir für den 3D-Druck benötigen“, verspricht Szukala. 

Bei so vielen Vorteilen stellt sich die Frage, ob der metallische 3D-Druck konventionelles Urformen wie das Gießen eines Tages gänzlich wird verdrängen können. „Das ist extrem unwahrscheinlich“, sagt Szukala. „Wir sehen das Verfahren als ergänzende Technologie.“ Denn bei hohen Stückzahlen, wie sie in der Automobilindustrie üblich sind, zählt man die Taktzeit auf den Maschinen in Minuten und nicht in Tagen. Wo genau die Grenze liegt, ist schwierig zu bestimmen, denn die hängt auch davon ab, wie komplex die Geometrie des Bauteils ist. So kann im 3D-Druck beispielsweise auch ein einziges Teil gefertigt werden, wo es mit konventionellen Verfahren zwei oder drei wären. Dadurch wird wiederum Zeit in der Montage gespart. „Wir empfehlen, immer eine Vollkostenbetrachtung durchzuführen“, gibt Szukala Interessenten mit. So konnte Solidteq bei der Wehrtechnik-Sparte von Rheinmetall schon punkten und wartet mit Spannung auf die Ergebnisse der Validierung von gelieferten Vorserienteilen eines Kameragehäuses.

Thomas Bartels

„3D-Druck ermöglicht extrem stabilen Leichtbau“

Herr Bartels, man findet im Internet sehr viele Dienstleister, die metallischen 3D-Druck anbieten. Was macht Solidteq in diesem fragmentierten Markt zu einer guten Wahl?

Wir sind einerseits ein Start-up mit der Flexibilität eines jungen Unternehmens, andererseits aber integriert in den Rheinmetall-Konzern. Für unsere Kunden bedeutet das: Sie bekommen auch bei sehr speziellen Anfragen eine individuelle Beratung, zugleich aber auch das komplette Maschinenbau-Know-how von Rheinmetall. Diese Kombination ist am Markt ziemlich einzigartig.

Was ist denn an der Beratungsleistung so wichtig?

Mancher hat ja die Vorstellung: Man nimmt einfach die Konstruktionsdaten und druckt das Bauteil dann so, wie man ein Word-Dokument im Büro ausdruckt. Das ist aber nicht so, denn nur durch eine saubere Datenaufbereitung erhält man ein gutes Ergebnis. Und außerdem kann man mit dem 3D-Druck Bauteile herstellen, die anders gar nicht zu fertigen wären. Wenn man das volle Potenzial der additiven Fertigung nutzen will, braucht man ein gerüttelt Maß an konstruktivem Wissen.

Wem bieten Sie sich heute als Dienstleister an?

Solidteq ist zwar weiterhin an den Prototypenbau von Rheinmetall Automotive angebunden, agiert aber im Markt als unabhängiger Dienstleister, vor allem für mittelständische Maschinen- und Anlagenbauer. Da beliefern wir quasi alle Branchen, mit zwei Ausnahmen: Wir arbeiten aufgrund der speziellen Zertifizierungsvorschriften nicht für die Luftfahrt und nicht für die Medizintechnik.

Und international?

Wir haben durchaus auch Bestellungen aus China und Japan, die wir vom Standort Neuss aus bearbeiten. Aber das sind Einzelfälle.

Was hat Rheinmetall von seiner jungen Tochtergesellschaft?

Wir sehen unsere Kompetenz im metallischen 3D-Druck langfristig als Wettbewerbsvorteil. Gerade in der Wehrtechnik sind kleinere Serien üblich. Zudem ermöglicht der 3D-Druck extrem formstabilen Leichtbau. In der Kombination verschaffen wir somit auch unseren eigenen Konstrukteuren neue Freiheitsgrade.

Hand aufs Herz: Glauben Sie wirklich, dass additive Fertigungsverfahren eines Tages klassische Gussverfahren ersetzen können?

Im Prototypenbau ist das bereits heute der Fall. In Großserie sind additive Verfahren heute allerdings bei Weitem nicht wettbewerbsfähig. Es wird also auf lange Zeit ein Nebeneinander geben. Aber: Man soll in der Technik nie nie sagen. Wer hätte von 20 Jahren gedacht, dass wir heute alle ein Smartphone in der Tasche haben?

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