AM for Precision square zeigt 3D-Metalldruck als Teil der Präzisionstechnologie

Seit einigen Jahren bauen Tier-1-Zulieferer der Halbleiterindustrie Fertigungskapazitäten für die additive Fertigung auf. Ist die additive Fertigung endgültig in der High-Tech-Fertigungsindustrie angekommen? Der Themenplatz AM for Precision während der 22. Ausgabe der Precision Fair wird zeigen, wo die Zulieferer stehen und was technisch möglich ist.

John Hagelaars von De Valk Additive (wie die Machinefabriek De Valk nach ihrer Übernahme durch die Anvil Group heißt) ist einer der Vorreiter in der niederländischen AM-Industrie. Vor zehn Jahren ging er mit hohen Erwartungen an die Sache heran. Jetzt arbeitet er an den ersten konkreten Aufträgen für die Serienproduktion mit 3D-Druck von Metallteilen. "Es fängt an, zu den High-Tech-Unternehmen durchzusickern", sagt er. "Allerdings hat sich ihr Leitmotiv für die additive Fertigung geändert."

Fehlende Kapazitäten

In den letzten Jahren haben Feinwerkmechaniker, die sich mit dem 3D-Metalldruck beschäftigen, vor allem versucht, die typischen Vorteile der additiven Fertigung herauszustellen. Eine optimalere Positionierung von Kühlkanälen zum Beispiel. Oder Gewichtsreduzierung durch Topologieoptimierung. Die oft organisch geformten, komplexen Bauteile waren jedes Jahr auf der Precision Fair (15. und 16. November, Den Bosch) zu sehen. Anno 2023 scheint das Motiv vor allem in fehlenden Kapazitäten in der Lieferkette zu liegen. "Vor zehn Jahren hieß es noch Gestaltungsfreiheit beim 3D-Metalldruck. Je schwieriger das Teil, desto einfacher war es zu drucken", sagt Henk Jansen, Direktor von FMI Additive.

Vor zehn Jahren hieß es noch "Designfreiheit", wenn es um den 3D-Metalldruck ging. Je härter das Teil, desto einfacher ist es zu drucken, sagt Henk Jansen, Direktor von FMI Additive

Die Welt ist zur Vernunft gekommen, stellt er fest. "Der Mehrwert, den die Leute jetzt im 3D-Metalldruck sehen, ist, dass man Baugruppen einfacher und in weniger Prozessschritten herstellen kann. Und solange es sich um kritische Teile handelt, sind wir preislich wettbewerbsfähig." FMI Additive beabsichtigt, neben den medizinischen Implantaten, für die die Serienproduktion bereits läuft, einen zweiten Markt mit kritischen Titanteilen für die Halbleiterindustrie zu erschließen.

"Bei einigen Systemanbietern haben wir bereits mit der Produktion begonnen, oft von mannigfaltigen, dünnwandigen Produkten. Bei ASML sind wir gerade dabei, die Qualifizierung und Validierung abzuschließen." Ursprünglich handelt es sich dabei zum Beispiel um gefräste Teile mit internen Kühlkanälen, die dann durch Laserschweißen zusammengeschweißt werden. Das Laserschweißen ist eine Spezialität. Nicht jeder Zulieferer hat diese Technologie im Haus, so dass die Teile transportiert, nach dem Laserschweißen auf Dichtheit geprüft und dann zur mechanischen Nachbearbeitung an den Zulieferer zurückgeschickt werden müssen. Wenn man all diese Schritte zusammenzählt, spart der 3D-Druck und die mechanische Nachbearbeitung im selben Unternehmen eine Menge Vorlaufzeit.

Dies hat die Augen der High-Tech-OEMs für die additive Fertigung geöffnet. John Hagelaars: "Es geht nicht in erster Linie um die direkten Kosten, sondern darum, wie man den Prozess kostengünstiger gestalten kann. Dabei geht es nicht nur um das Curling, sondern auch um Logistik, Fußabdruck, Kreislaufwirtschaft und so weiter. Wir können jetzt Teile bereitstellen, bei denen es in der Lieferkette Kapazitätsengpässe gibt."

Manchmal bis zu 80% Präzisionstechnik erforderlich

Bei der additiven Fertigung geht es nicht darum, etwas zu drucken, zu verschnüren und an den Kunden zu schicken. Nein, die Anbieter, die derzeit in der additiven Fertigung erfolgreich sind, bieten eine Komplettlösung an. Inklusive mechanischer Nachbearbeitung, um Maßgenauigkeiten von wenigen Mikrometern und Ra-Werte von Oberflächen von deutlich unter 1 Mikrometer zu erreichen.

Sie brauchen manchmal bis zu 80% Präzisionstechnik: Sie brauchen Kenntnisse im klassischen Drehen und Fräsen - John Hagelaars

 "Nach dem Druck stößt man auf Probleme, die bei jedem Auftrag wieder auftauchen", bringt es John Hagelaars auf den Punkt. Die additive Fertigung ist nur ein Schritt im gesamten Prozess. Sowohl FMI Additive als auch De Valk Additive sind Zulieferer, die den gesamten Prozess liefern und die meisten Schritte im eigenen Haus oder bei einem ihrer Schwesterunternehmen durchführen. "Drucken allein ist noch gar nichts. Man muss mit einem Müller gesprochen haben, um zu etwas zu kommen", sagt John Hagelaars.

"Manchmal braucht man Präzisionstechnologie bis zu 80%; man braucht Kenntnisse im klassischen Drehen und Fräsen." Ein Beispiel ist die Reinigung: De Valk Additive erfüllt die Anforderungen von ASML für Grade 2, was OEMs vor Jahren noch nicht für möglich hielten. Er ist daher der Meinung, dass die AM for Precision-Plaza gut zur Precision Fair passt. "Viel besser als eine einzelne AM-Veranstaltung."

Qualitätssicherung im Prozess

Ein wichtiger Schritt in diesem Prozess ist die Qualitätskontrolle. Dies ist vor allem ein Kostenfaktor, der nicht ignoriert werden kann. FMI Additive hat in den letzten zehn Jahren beim 3D-Druck von Titanimplantaten für große medizinische Unternehmen viel Erfahrung damit gesammelt. Henk Jansen ist der Meinung, dass sich die Qualitätsverfahren in der Medizintechnik und in der Halbleiterindustrie nicht wesentlich unterscheiden. In der Medizintechnikbranche muss FMI Additive nachweisen, dass sowohl das erste als auch das fünftausendste Implantat gut, stabil und sauber ist.

Sie sollten auch nachweisen, dass die Handhabung des Pulvers, die Reinigung einer Maschine, das Sieben des Pulvers usw. nach einem festgelegten Verfahren erfolgt. - Henk Jansen

Durch die Validierung von Prozessen wird vermieden, dass jede Komponente einzeln geprüft werden muss. So wie das Bedrucken von Ziehstäben und Testcoupons, um zu beweisen, dass, wenn Produkt 1 gut ist, auch alle anderen gut sind, ohne jedes Produkt durch den CT-Scan laufen lassen zu müssen. Henk Jansen: "Es gibt akzentuierte Unterschiede zur Halbleiterindustrie, aber im Grunde genommen werden für kritische Hightech-Teile die gleichen Prozesse eingesetzt. Diese Validierung geht über das Drucken selbst hinaus. Man muss auch nachweisen, dass die Handhabung des Pulvers, die Reinigung der Maschine, das Sieben des Pulvers usw. nach einem bestimmten Verfahren erfolgt."

Zusätzlicher Nutzen des Lieferanten

Als einer der Anbieter von AM-Technologien auf der AM for Precision Plaza auf der Precision Fair bietet Renishaw eine Software an, die genau darauf ausgelegt ist, die von den Ingenieuren eines OEMs entwickelten Bauaufträge genau so zu drucken, wie sie bei einem Zulieferer gedruckt werden. Eine End-to-End-Lösung für kritische Teile. Philippe Reinders Folmer, Direktor Renishaw Benelux: "Alle Parameter sind in der Datei enthalten. Der Bediener kann nichts ändern. Die einzigen Einflussfaktoren sind dann Dinge wie Gasfluss, Reinigung und Pulverhandling."

Es geht darum, Teile, wenn nötig, weit weg von zu Hause zu replizieren, wobei die Qualität ausreichend gesichert ist - Philippe Reinders Folmer, Geschäftsführer Renishaw Benelux

Damit will Renishaw den Einfluss des Bedieners auf die Endqualität minimieren und eine gleichbleibende Qualität sicherstellen. Das scheint für Lieferanten weniger attraktiv zu sein? Was können Sie als Zulieferer also beitragen? Philippe Reinders Folmer: "Der Mehrwert des Zulieferers liegt in der Nachbearbeitung der Teile, der Inspektion und der ultrasauberen Lieferung. Und nicht im Druckprozess selbst. Hier sollte es so wenig Variablen wie möglich geben."

Rein van der Mast weist darauf hin, dass die gleichen Überlegungen auch im Verteidigungsministerium angestellt werden, das sich mit dem Potenzial der additiven Fertigung befasst. "Es geht darum, Teile bei Bedarf weit weg von zu Hause zu replizieren, wo die Qualität ausreichend gesichert ist.

Unterstützung durch IAMM

Beide Anbieter haben eine lange Erfolgsbilanz im Bereich der additiven Fertigung. "Wir wussten, dass es ein Tal der Enttäuschung geben würde, aber dass es so lang und so tief sein würde, haben wir nicht erwartet. Jetzt fangen die Dinge an, sich zu fügen", sagt John Hagelaars. Es war allerdings ein Lernprozess. In der Tat ist der gesamte AM-Prozess mit allen Beteiligten schwierig, fügt Henk Jansen hinzu.

Letztendlich muss der Markt die additive Fertigung an sich ziehen, anstatt dass eine Handvoll Willie Roots sie weiter vorantreibt. Dabei sollte es nicht nur um die Technologie gehen, sondern um die gesamte Kette, Rein van der Mast (Fontys University of Applied Sciences), Initiator der IAMM

Um die niederländische Metallindustrie bei der Einführung der additiven Fertigung zu unterstützen, haben mehrere Fachhochschulen (Fontys, Windesheim und Saxion) ihr Fachwissen in einer nachhaltigen Zusammenarbeit gebündelt: Industrial AM in Metals (IAMM). Daran beteiligen sich auch Universitäten (Delft, Enschede), Technologieunternehmen und andere Organisationen. Auf der Precision Fair in Den Bosch (15. und 16. November) wird das Projektteam einen Stand haben, an dem die Messebesucher Fragen stellen können.

Gemeinsam mit ihren Partnern wollen die Hochschulen der Industrie helfen, die Chancen zu erkennen und zu nutzen. Rein van der Mast (Fontys Universities of Applied Sciences), Initiator der IAMM: "Letztendlich muss der Markt die additive Fertigung an sich ziehen, anstatt dass eine Handvoll Willie Roots sie weiter vorantreibt. Dabei sollte es nicht nur um die Technologie gehen, sondern um die gesamte Kette.

Schließlich sind die Ketten mit dem Markt verbunden, nicht die Techniker". Die IAMM-Theke bietet einen niedrigschwelligen Zugang zu Wissen, Schulungen, Testeinrichtungen und so weiter. Für den Metalldruck stehen den Partnern neben dem bekannten Laser-Pulverbettdruck mehrere Technologien zur Verfügung. Man denke nur an die DED-Technologie von Meltio und das Kaltgasspritzen, relativ unbekannte Techniken, die sich jedoch sehr gut für Zerspaner eignen.

Was wird benötigt?

Sind diese und andere neue Technologien erforderlich, um AM weiter voranzubringen? John Hagelaars ist der Meinung, dass es eine bessere Verbindung zwischen dem additiven und dem maschinellen Verfahren geben muss, zum Beispiel mit Nullpunkt-Spannsystemen, so dass man vom Metalldrucker aus Teile direkt auf ein 5-Achsen-Bearbeitungszentrum legen kann.

Henk Jansen erwartet, dass sich andere Drucktechniken stärker durchsetzen werden. Man denke an das Electron Beam Melting, die Arcam-Technologie, mit der FMI Additive in Tilburg große Serien von Implantaten druckt. 

Einige Hersteller arbeiten bereits daran. "Aber es sind wirklich noch zwei Welten, da gibt es noch viel zu gewinnen", sagt er. Henk Jansen geht davon aus, dass sich (mit zunehmender Marktreife) andere Drucktechniken besser durchsetzen werden. Zum Beispiel das Electron Beam Melting, die Arcam-Technologie, mit der FMI Additive in Tilburg große Serien von Implantaten druckt. In der Präzisionsindustrie ist es vor allem das Laser Powderbed Fusion, das den Ton angibt. "Der Elektronenstrahl hat den Vorteil, dass wir im Vakuum bei einer hohen Temperatur drucken und daher fast keine Spannungen aufbauen. Und wir können stützenfrei drucken."

Unbekannt aber macht ungeliebt. Rein van der Mast sieht im digitalen Zwilling das Potenzial, das Ergebnis des Druckprozesses besser vorherzusagen und Abweichungen rechtzeitig zu erkennen. Im Rahmen des Projekts untersuchte einer der Diplomanden, wie zuverlässig die Vorhersagen von Siemens NX für den Pulverbettdruck sind. "Die Vorhersagen der Software sind ziemlich genau. Das ist wichtig, weil dann mehr Iterationen im virtuellen, digitalen Bereich stattfinden können, was Zeit und Kosten spart."

Wird der AM-Markt jetzt wachsen?

Wird der niederländische AM-Markt endlich wachsen? John Hagelaars erwartet, dass AM noch etwa fünf Jahre lang eine Nischentechnologie bleiben wird. Er sieht außer der Halbleiterindustrie nur wenige High-Tech-Sektoren, die sich noch bewegen. Hier kann der IAMM-Schalter helfen. Der wirkliche Durchbruch wird von den Ingenieuren kommen, wenn sie wirklich anfangen, die Möglichkeiten des 3D-Drucks zu nutzen. Das steckt derzeit noch in den Kinderschuhen. Henk Jansen geht davon aus, dass die Akzeptanz weiterhin schrittweise erfolgen wird, wie es eigentlich bei jeder neuen Technologie der Fall ist. "Als die Drahterosion auf den Markt kam, mussten die Ingenieure lernen, dass sie Sägestempel in Metall darstellen können. Das war der Beginn der Revolution beim Drahterodieren. Das Gleiche kann man jetzt bei AM beobachten."

Der AM for Precision square auf der Precision Fair hat 14 Aussteller und es gibt eine Besprechungsraum wo die Besucher in aller Ruhe mit diesen Teilnehmern diskutieren können. Die Precision Fair findet am 15. und 16. November in den Brabanthallen in 's Hertogenbosch statt. Der Besuch der Messe ist an beiden Tagen kostenlos, melden Sie sich hier an.