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24.01.2014 - 

Wandel im Maschinenbau

Turbinenschaufeln aus dem 3D-Drucker

Der 3D-Druck ist auch bei Metallen auf dem Vormarsch. Bei Siemens werden auf diese Weise schon Kleinteile für Turbinen hergestellt. Die Forscher stoßen aber auch an Grenzen.

Mit Gutenbergs Druckerpresse hat das eigentlich nichts zu tun: Ein Laserstrahl saust in dem Metallschrank hinter einem Sichtfenster über eine Platte. Wo er auftrifft, schlagen Funken. Der aufgetragene Metallstaub schmilzt, verbindet sich mit der Schicht darunter. Die Maschine, in der dies geschieht, wird dennoch Drucker genannt, genauer 3D-Drucker. Es ist eine Laserstrahl-Schmelzanlage in einem Backsteingebäude von Siemens im Westen Berlins.

Was in dem Labor Schicht für Schicht in Tausenden Schritten mikrometerweise als Werkstück entsteht, wird mitunter wenig später im nur vier Kilometer entfernten Werk in Moabit in riesige Gasturbinen eingebaut, die dann in Kraftwerken auf der ganzen Welt Strom und Wärme erzeugen. Das kann zum Beispiel ein Brennerkopf sein oder eine Zerstäuberdüse. Diese Teile wurden bisher gegossen, was aufwendig ist und mit Vorbereitung der Passform viele Wochen dauert. Die Lasermaschine schafft das bei kleinen Teilen in 48 Stunden.

Siemens nutzt 3D-Druck-Verfahren, um Gasturbinen schneller zu reparieren.
Siemens nutzt 3D-Druck-Verfahren, um Gasturbinen schneller zu reparieren.
Foto: Siemens

Es gab eine lange Anlaufzeit, doch nun scheint die Verfahrenstechnik nicht nur bei Kunststoffen, sondern auch bei Metallen auf dem Vormarsch. Der weltweite Umsatz des 3D-Drucks wurde im einschlägigen Wohlers Report für das Jahr 2012 auf 2,2 Milliarden US-Dollar (1,6 Mrd Euro) geschätzt. Auf absehbare Zeit werde der Markt jährlich um 25 Prozent wachsen, sagt der Geschäftsführer des Verbandes Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA), Markus Heering.

Nicolas Vortmeyer, Technologiechef der Siemens-Sparte Fossile Energieerzeugung, ist überzeugt: "In zehn Jahren wird das Laserschmelzen ein selbstverständlicher Teil des Maschinenbaus sein." Wenn das so kommt, wäre das ein Umbruch auch für die Techniker in den Fabrikhallen. Wo heute noch gegossen, gefräst oder geschleift wird, könnten Ingenieure häufig den Laser einsetzen. Der Vorteil des 3D-Drucks: Man kann neue Materialien erfinden, Prototypen und Kleinserien schneller herstellen und in vielen Fällen Bauteile präziser anfertigen.

Die Möglichkeiten sind groß: Schon heute stellen Zahntechniker per 3D-Druck Zahnimplantate her. Der italienische Lebensmittelkonzern Barilla will bald Geräte an Restaurants verkaufen, die auf Knopfdruck Nudelsorten in Wunschform erzeugen. Das US-Unternehmen Hershey kündigte Experimente mit 3D-Schokoladendruckern an. In Berlin öffnete Ende November der Laden Botspot. Dort können Menschen, Tiere und Gegenstände dreidimensional eingescannt werden. Anhand der Daten wird per 3D-Drucker eine Miniatur aus Plastik gefertigt.

Funkenmeer: Laser verschweißen Metallpulver
Funkenmeer: Laser verschweißen Metallpulver
Foto: Siemens

Bei solchen Beispielen stellt sich die Frage: Was ist Spielerei und was ist für Anwendungen in verschiedensten Bereichen nutzbarer Fortschritt? Botspot etwa kreiert auch individuelle Lampen und Spezialwerkzeuge für Uhrmacher. Wo lohnt sich der Umstieg auf 3D-Druck, wo haben herkömmliche Verfahren Vorteile? Klar ist, dass sich Massenprodukte in der Regel günstiger auf traditionelle Weise herstellen lassen - zumindest vorläufig noch. Für persönliche Gegenstände des Alltags und Spezialanfertigungen in der Industrie bieten sie die Chance auf Innovationen.

Riesenteile wie das Gehäuse einer Turbine werden wohl niemals per 3D-Drucker produziert werden. Doch sonst sieht der Leiter der Siemens-Forschungsgruppe, Ursus Krüger, auch abseits der Energietechnik viele Anwendungen: "Wir können kreativ sein, mit der Physik spielen."

Dabei gelingt längst nicht alles auf Anhieb. Von den Schaufeln für ihre Gasturbinen haben die Siemens-Fachleute zwar schon Prototypen im Laser-Schichtverfahren erzeugt. Bis diese für den Dauereinsatz geeignet seien, werde es wohl noch fünf bis zehn Jahre dauern, sagt Krüger. Denn das Gießen von Metall hat einen entscheidenden Vorteil: Das langsame Erkalten führt zu einer hohen Zähigkeit, die notwendig ist, damit die Schaufel den enormen Fliehkräften der rotierenden Turbine standhält. Der Laser erhitzt hingegen den Stahl nur ganz kurz - dabei entsteht eine andere Kristallstruktur, die zu schwach ist. Nach der Lösung des Problems wird gesucht. (dpa/tc)

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