Schicht für Schicht in Richtung Zukunft

Additive Produktionsverfahren in der Pumpenindustrie

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10.03.2017 Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts stellt die Industrie vor allem solche Produkte her, die sie effizient in großer Menge fertigen kann. Ob in den klassischen Transferstraßen oder in automatisierten Bearbeitungszentren – die Vorgabe war immer dieselbe. Doch nur bei bestimmten Losgrößen lohnte sich die Investition in teure, automatisierte Anlagen.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • 3D-Druck war in der Prozesstechnik lange nur als Technologie für den Bau von Prototypen anerkannt. Schon alleine, weil es von der Werkstoffseite starke Einschränkungen gab.
  • Mittlerweile hat es hier spannende Entwicklungen gegeben, durch die die additive Fertigung auch als Herstellungsverfahren für das finale Produkt interessant wird – für individuelle Einzelanfertigungen, aber auch für größere Stückzahlen.
  • Weiterer Vorteil: CAD-Daten vorausgesetzt, ist die Herstellung von Produkten überall auf der Welt möglich.

Bild: KSB

Herstellung von
Fertigungshilfsmitteln in der Gießerei in Pegnitz.
Bild: KSB

Langzeitbelichtung beim Ausdruck eines Bauteiles im Pulverbett einer Laserschmelz-Anlage. Bild: KSB

Langzeitbelichtung beim
Ausdruck eines Bauteiles im Pulverbett einer Laserschmelz-Anlage.
Bild: KSB

Mit einer Laserschmelzanlage lassen sich endkonturnahe, physikalisch dichte Bauteile ausdrucken. Bild: KSB

Mit einer Laserschmelzanlage lassen sich endkonturnahe, physikalisch dichte Bauteile ausdrucken.
Bild: KSB

Solange dies in einem Prozessschritt möglich ist, eignet sich 3D-Druck auch für die Produktion größerer Stückzahlen. Bild: KSB

Solange dies in einem Prozessschritt möglich ist, eignet sich 3D-Druck auch für die Produktion größerer Stückzahlen.
Bild: KSB

Wie ein Produkt aussieht, bestimmte der, der eine sehr große Stückzahl davon kaufte oder verkaufte. Um dem Anwender trotzdem für seinen individuellen Betriebspunkt das optimale Produkt anbieten zu können, entwickelten die Konstrukteure von KSB in den Dreißigerjahren des 20. Jahrhunderts das Raster. Der Nachteil für den Hersteller in diesem System liegt darin, dass er ein sehr effizientes Komplexitätsmanagement betreiben muss, um wirtschaftlich erfolgreich zu sein. Alleine für die Wassernormpumpen Etanorm gibt es über 40 verschiedene Gehäusegrößen. Dazu kommen noch diverse Werkstoffausführungen und Wellendichtungsvarianten. Heute liegt die durchschnittliche Losgröße bei der Etanorm-Produktion etwa bei 1,4. Wer sich im Internet beispielsweise den KSB-Webshop anschaut, kann sehen, welche Konfigurationsmöglichkeiten Kunden schon heute bei der Auswahl einer Kreiselpumpe haben.

Richtung Losgröße „eins“

Die Pumpenfabrik der Zukunft soll aber noch einige Schritte weiter gehen und viele kleine und größere Abweichungen von dem standardisierten Design zulassen. Zusätzliche Funktionalitäten, die mit den heute gebräuchlichen Fertigungsmethoden nicht wirtschaftlich oder gar nicht herzustellen sind, sollen künftig im Betrieb von Pumpen neue Möglichkeiten bieten. In der Zukunft werden individualisierte, maßgeschneiderte Pumpen durch einen überschaubaren Engineering-Aufwand bei der Auftragsvergabe, der Abwicklung sowie der Inbetriebnahme gekennzeichnet sein. Im Extremfall existiert eine solche „tailor-made pump” nur ein einziges Mal ‒ nämlich für eine Anlage mit der Stückzahl „eins“. Dabei ist so eine maßgeschneiderte Maschine aber nicht mit einem „Prototyp“ zu verwechseln, der noch „erprobt“ werden muss. Der große Erfahrungsschatz an erfolgreich produzierten Vorläufern, kombiniert mit modernen Entwicklungstools, macht eine solche „tailor-made pump” zuverlässig und effizient. Gekennzeichnet ist eine solche maßgeschneiderte Pumpe durch sehr konträre Anforderungen: Während Qualität und Zuverlässigkeit hoch sein müssen, sollen Herstellkosten und Lieferzeit immer weiter sinken. Wegen der starken Konkurrenzsituation der Pumpenhersteller untereinander wird dieser Punkt in der Zukunft von großer Bedeutung sein.

Kein Geräusch, kein Abfall

An dieser Stelle könnte Laserschmelzen neben anderen modelllosen Herstellungsverfahren in der Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Bei diesem baut der Hersteller mithilfe eines Lasers das zu fertigende Element Schicht für Schicht durch Mikroschweißprozesse aus Metallpulver auf. Dabei entsteht ein endkonturnahes, physikalisch dichtes Bauteil in einem Pulverbett. Die Koordinaten erhält das System durch eine Software aus den CAD-Daten. Der 3D-Druck selbst verläuft dabei absolut geräuschlos. Das Verfahren zeichnet sich durch einen sehr sparsamen Energie- und Materialeinsatz aus, da der Drucker nur das für den Aufbau eines Produktes benötigte Metall thermisch behandelt und verbraucht. Interne Berechnungen des Pumpenherstellers ergaben, dass Materialeinsparungen von 50 bis 70 % möglich sind, wenn existierende Bauteile neu berechnet, neu gestaltet und verfahrensgerecht ausgelegt werden. Das liegt daran, dass fast kein Abfall beim 3D-Druck entsteht und der Betreiber überschüssiges Pulver komplett wiederverwenden kann. Der gesamte Produktionsprozess findet unter Schutzgasatmosphäre statt, um die oxidationsempfindlichen Werkstoffe beim Umschmelzen zu schützen. Das Endprodukt unterscheidet sich zwar hinsichtlich des metallografischen Gefüges, nicht aber in der Zusammensetzung des Metallpulvers, aus dem es zusammengeschweißt wurde.

Grenzen des 3D-Drucks

Seit Ende 2014 verfügt der Pumpenbauer in seinem Pegnitzer Werk über zwei starke Laserschmelz-Anlagen, mit denen Werkstoffspezialisten das Potenzial des 3D-Drucks für die Entwicklung und Fertigung untersuchen. Dabei stellen sie mithilfe der CAD-Daten versuchsweise geeignete metallische Bauteile her. In den vergangenen Monaten konnten sie nachweisen, dass die aus Metallpulver hergestellten Bauteile in vielen Einsatzbereichen gleiche oder verbesserte mechanische und chemische Eigenschaften haben. Daher laufen bereits erste interne und externe Feldtests mit Pumpen- beziehungsweise Armaturenteilen. Aufgrund des Erfolgs der Tests will das Unternehmen künftig verstärkt in dieser Thematik tätig sein und weiter in Anlagentechnik investieren. Eine Arbeitsgruppe, die sich ausschließlich dieser Thematik widmet, gibt es seit Anfang 2017 bereits. Zusätzlich müssen auch noch neue Konstruktionsrichtlinien erstellt werden, da das Thema Laserschmelzen für den Pumpen- und Armaturenbau ein neues Arbeitsgebiet darstellt. Die Freiheit in der geometrischen Gestaltung und die Verfügbarkeit der Bauteile an jedem Ort zu jeder Zeit ermöglichen es, in der Entwicklung, Fertigung und Logistik neue Wege zu gehen. Technologisch und wirtschaftlich liegen die Grenzen des 3D-Drucks derzeit noch bei der realisierbaren Bauteilgröße und der Fertigungsgeschwindigkeit – die weltweit größten Laserschmelz-Anlagen haben aber schon einen Produktionsraum mit einem Bauvolumen von 160 l. Bei der aktuell rasanten technischen Entwicklung ist aber davon auszugehen, dass zukünftig noch größere Geräte zur Verfügung stehen. Das Maß für die Wirtschaftlichkeit dieses Herstellungsverfahrens ist die Menge des umgeschmolzenen Materials: Die Herstellung großer und massereicher Konstruktionen ergibt wirtschaftlich nur dann Sinn, wenn benötigte Bauteile nicht oder nicht mehr zugänglich sind oder Prototypen für die Entwicklung benötigt werden.

(Noch) nicht massentauglich

Das geschieht bereits in anderen Anwendungen sehr erfolgreich, beispielsweise beim Herstellen von Ersatzteilen für alte Autos, Motorräder und Flugzeuge. Dem Pumpenhersteller geht es darum, die Vorteile des neuartigen Produktionsverfahrens als wichtigen Schritt in Richtung Industrie 4.0 zu nutzen und die Potenziale in der Entwicklung und Fertigung auszuschöpfen. Dabei hat sich schon gezeigt, dass die Stärken des 3D-Druckes bei der Herstellung kleiner, individuell abweichender Teile liegt oder wenn es darum geht, eine größere Stückzahl in einem einzigen Prozessschritt herzustellen. Sehr große und massereiche Komponenten hingegen entstehen wohl auf längere Sicht noch mit anderen Verfahren. Weiteres Potenzial besteht in der Produktion von Fertigungshilfsmitteln, beispielsweise im Bereich der Gießerei. Hier setzt der Pumpenbauer bereits erste Komponenten erfolgreich ein.
Fazit: Was aus den Freiheiten entsteht, die das 3D-Druckverfahren an Innovationen bringen wird, bleibt eine der spannendsten Fragen der Zukunft. Die Verfügbarkeit von CAD-Daten vorausgesetzt, ist eine Herstellung von Produkten an jedem Ort der Welt möglich. Das Laserschmelzen verändert auf jeden Fall die weltweite Verfügbarkeit von Bauteilen und wird in Zukunft eine Individualisierung von Pumpen ermöglichen, die sich Betreiber und Hersteller gleichermaßen heute kaum vorstellen können.

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Heftausgabe: März 2017

Über den Autor

Christoph P. Pauly, Pressereferent, KSB
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