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Prozessindustrie ‚Form follows function‘

| Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Anke Geipel-Kern

Wer mit 3D-Druck Schutzmasken und Ventile für Beatmungsgeräte anzubieten vermag, dem ist allgemeine Wertschätzung gewiss. Vergleichsweise eher still sammelt die additive Fertigung aber auch in der Prozessindustrie aktuell Bonus-Punkte. Attraktive Entwicklungen (u.a. bei Thaletec, BASF, Evonik) lassen vermuten, dass der 3D-Druck den Ersatzteile-Markt revolutionieren wird

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Der Evonik-Anlagenführer David Fuchs füllt im Schutzanzug Metallpulver ein. Aus Edelstahlpulver gedruckte Reaktoren sind laut Evonik ein Novum in der chemischen Industrie.
Der Evonik-Anlagenführer David Fuchs füllt im Schutzanzug Metallpulver ein. Aus Edelstahlpulver gedruckte Reaktoren sind laut Evonik ein Novum in der chemischen Industrie.
(Bild: Ramon Haindl)

„Massiv!“ – Stefan Leuchtenberger (Geschäftsleitung Technik, Produktion und Service, Habermann Aurum Pumpen) sieht das Ersatzteil-Management bei Industriepumpen in der Tat vor gravierenden Umschwüngen.

„Wir denken zurzeit intensiv darüber nach, verschiedene Bauteile drucken zu lassen und den sonst üblichen Gießprozess oder die mechanische Fertigung einzusparen. Gerade im Bereich Kunststoff und Keramik gibt es hier herausragende Fortschritte und da wird in der nächsten Zeit sicher noch viel mehr möglich sein.“

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Nun ist der 3D-Hype bei klassischen Teilen wie einem Pumpen-Laufrad oder einer Turbinenschaufel schon etwas älter. Doch brennt der Ehrgeiz der Entwickler auch bei anderen Komponenten gewaltig: BASF fertigt und zertifiziert 3D-gedruckte Autoklaven (siehe Kurz-Interview), KSB druckt Gehäuse mit Kühlkanälen, Evonik beschäftigt sich ebenfalls mit gedruckten Reaktoren. Immer mehr Entwickler wie Betreiber sehen die gewaltigen Chancen und Perspektiven des 3D-Drucks in der Prozessindustrie:

  • Optimierungsmöglichkeiten für verfahrenstechnische Bauteile,
  • Steigerung der Effizienz des chemischen Prozesses,
  • Reduzierte Produktentwicklungszeiten,
  • Ökologische und nachhaltige Lösungen,
  • Optimiertes Design (also das gern zitierte ‚form follows function‘) in Sachen Strömung, Wärmeübertrag und Durchmischung.

Reduce to the Max: Weniger ist mehr

Heute wird fast jedes Bauteil als digitales Modell am Computer entworfen. Der 3D-Druck erlaubt es nun, diese Entwürfe per Mausklick nahezu unmittelbar Wirklichkeit werden zu lassen – ohne erst aufwendig Gussformen zu produzieren oder Maschinen umzurüsten. Stattdessen entstehen Objekte Schicht für Schicht gleich in der gewünschten Form. Gedruckt werden kann mittlerweile fast alles – von Keramik über Metall, Beton und experimentell sogar Lebensmittel und lebende Zellen.

Darf man Kunden (Betreiber) fragen, was sie möchten? Henry Ford hatte hier Zweifel: "Wenn ich die Menschen gefragt hätte, was sie wollen, hätten sie gesagt: schnellere Pferde.“ Aber kein Auto. Soll heißen: Wer eine wirkliche Innovation will, darf nicht von hergebrachten Lösungen ausgehen. Das gilt in besonderer Weise für den 3D-Druck.

Additive Fertigung für ganz neue Bauteile

Durch die neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung in der Konstruktion lassen sich Bauteile herstellen, die auf konventionellem Weg kaum oder tatsächlich gar nicht zu produzieren sind.

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Mit dem Fachbuch "Additive Fertigung" erläutern bekannte Experten der ETH Zürich die zahlreichen Möglichkeiten der industriellen Entwicklung und Konstruktion additiv gefertigter Bauteile. Neben erfolgreichen Produktbeispielen aus der Industrie werden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, die dem Leser als praxisnaher Leitfaden dienen.

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Beeindruckende Beispiele dazu gibt es bereits: Thaletec hat den Prototypen eines emaillierten Hochdruckreaktors mithilfe eines additiven metallbasierten Fertigungsverfahrens hergestellt – und konnte dabei einen Temperierkanal für das Beheizen oder Kühlen des Reaktorinnenraums integrieren.

Die Kombination aus Emaillierung und integriertem Temperierkanal bietet gegenüber den bisher üblichen Lösungen einen deutlich verbesserten Wärmeübergang zwischen Produkt und Temperiermedium und damit die Möglichkeit, die Wärmetönung des Prozesses besser zu beeinflussen.

Der Anbieter hat nun auch beschädigte Emaillierungen im Blick: Für Flächen an emaillierten Bauteilen, die keiner Regelgeometrie entsprechen und entsprechend komplex sind, wurde ein spezielles Reparaturkonzept entwickelt: Mittels eines 3D-Scanners erfasst ein Serviceingenieur die Geometrie des beschädigten Bauteils, beispielsweise die des Behälters im Bereich des Übergangs von Behälterboden zu Behälterstutzen. Der so erfasste 3D-Scan wird in ein CAD-System eingelesen.

Ein darauf spezialisierter Ingenieur entwickelt auf der Basis der gescannten Geometrie ein genau passendes Gegenstück. Dieses Teil kann dann additiv gefertigt, emailliert und in den defekten Apparat eingebaut werden. Wesentlicher Vorteil dieses Konzeptes ist es, dass nach der Reparatur wiederum nur emaillierter Stahl in Kontakt mit dem Medium ist, die Nachteile von beispielsweise Tantal-Plomben somit eliminiert werden können.

Schließlich ist das Verfahren sehr schnell umsetzbar, so dass die Wartezeit zwischen Scan und dem Einbau des emaillierten Reparaturelements oft nur wenige Tage beträgt und der Apparat schnell wieder für die Produktion zur Verfügung steht. Mittlerweile hat sich die 3D-Drucktechnik so weiterentwickelt, dass Reparaturelemente bis zu einem Durchmesser von 600 mm additiv gefertigt werden können.

Pumpengehäuse aus dem 3D-Drucker

KSB steuert dieses schöne Beispiel bei: Das Spiralgehäuse einer Pumpe mit Heizkanälen. Es kommt in einer Pumpe zum Einsatz, in der das geförderte Medium auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden muss, beispielsweise beim Transport von Pflanzenöl und Natronlauge. Bisher war die Produktion eines solchen Teiles nicht möglich, stattdessen schweißte der Hersteller die Kanäle nachträglich auf. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht hingegen die Produktion ‚wie aus einem Guss‘.

Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht die Produktion von komplexen Bauteilen, beispielsweise Pumpengehäuse mit integrierten Kühl- oder Heizkanälen. Im Bild: Marco Linhardt, der ‚Herr des Pulvers‘ bei KSB in Pegnitz.
Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht die Produktion von komplexen Bauteilen, beispielsweise Pumpengehäuse mit integrierten Kühl- oder Heizkanälen. Im Bild: Marco Linhardt, der ‚Herr des Pulvers‘ bei KSB in Pegnitz.
(Bild: KSB)

Zum Alltagsgeschäft der Spezialisten bei KSB Pegnitz gehört es seit einiger Zeit bereits, Ersatzteile von nicht mehr produzierten Pumpen herzustellen. Häufig handelt es sich dabei um Verschleißteile. Da es von den alten Aggregaten oft keine Gussmodelle mehr gibt, wäre die Fertigung unverhältnismäßig teuer. Mit dem Laserschmelzverfahren dagegen lassen sich die Teile schnell und günstiger herstellen. Das funktioniert so: Das alte Teil einscannen, am Computer nachbearbeiten und drucken.

Mikroreaktoren feiern wieder Urständ

Evonik setzt für den Bau der eigenen Anlagen neuerdings auch auf 3D-Druck. Aus Metallpulver entstehen dabei Reaktoren und Apparate, die ihr Vorbild in der Biologie finden. Das diene der Umwelt – und der Wirtschaftlichkeit. Denn wenn man mit Simulationen in Kombination mit 3D-Druck die Form von vornherein so maßschneidern kann, dass an jeder Stelle optimale Bedingungen herrschen, benötigt man weniger Energie, weniger oder gar kein Lösungsmittel und erzielt noch bessere Ausbeuten.

Damit leiste der 3D-Druck einen spürbaren Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit. Zudem spielt der Zeitfaktor eine wichtige Rolle: Eine neue Konstruktion sei in zwei Tagen gedruckt und könne getestet, verbessert und wieder getestet werden.

Auch ältere Ideen werden wieder aufgegriffen – beispielsweise das Thema ‚Mikroreaktoren‘ – das wurde im Jahr 2000 intensiv diskutiert, dann aber ad acta gelegt. Jetzt sind Mikroreaktoren wieder interessant. Mit den per 3D-Druck verfügbaren filigranen Strukturen entstehen Lösungen für klassische Herausforderungen der Chemie. Zum Beispiel die enorme Abwärme, die bei vielen Reaktionen entsteht.

Bei solchen exothermen Verfahren können sich Hotspots bilden, die schädlich sind für das Produkt und auch für die Anlage. Die additive Fertigung ermöglicht Apparate mit Geometrien für einen verbesserten Wärmeübertrag. Zudem ist es möglich, die Zugänge für Sensoren im Bauteil direkt mit zu drucken.

3D-Druck-Reaktoren bewähren sich bei Evonik bereits in ersten Produktionsanlagen. Nach erfolgreicher TÜV-Zertifizierung darf Evonik als eines der ersten Unternehmen Metalldruckreaktoren mittels additiver Fertigungsverfahren herstellen. Die meisten Projekte seien jedoch noch im Labor- oder Pilotstadium, so das Unternehmen.

Wacker setzt 3D-Druck in der Ersatzteilfertigung ein

Bei Wacker Chemie werden additive Fertigungsverfahren noch nicht flächendeckend eingesetzt.

„Derzeit haben wir 80 Projekte, in denen wir 3D-Druckverfahren bereits einsetzen“ (Jürgen Sigl, Leiter Maschinenkonstruktion, Werk Burghausen, Wacker Chemie AG).
„Derzeit haben wir 80 Projekte, in denen wir 3D-Druckverfahren bereits einsetzen“ (Jürgen Sigl, Leiter Maschinenkonstruktion, Werk Burghausen, Wacker Chemie AG).
(Bild: Wacker Chemie)

Aber es werden immer mehr, wie Jürgen Sigl, Leiter Maschinenkonstruktion im Werk Burghausen berichtet: „Derzeit haben wir 80 Projekte, in denen wir 3D-Druckverfahren bereits einsetzen. Auch Projekte mit Losgrößen von bis zu 150 Teilen sind vom 3D-Druckteam mit bearbeitet worden. Beispielsweise haben wir Kettenglieder aus Kunststoff für einen Schlammrechen kurzfristig und kostengünstig im 3D-Druck fertigen lassen. Auch Ersatzpropeller aus Polyvinylidenfluorid stellen wir bereits mittels 3D-Druck her. Wir benötigen solche Teile beispielsweise für Düsen, die in einer hochkorrosiven Umgebung eingesetzt werden.“

Darüber hinaus gibt es bereits erste Ideen, die additive Fertigung für die Herstellung von Ersatzteilen für verfahrenstechnische Anlagen zu nutzen, etwa für Wärmeübertrager oder für Autoklaven. „Aktuell führen wir Tests durch, um die Werkstoffbeständigkeit solcher drucktragenden Teile in einer Produktionsanlage zu prüfen. Verlaufen die Tests positiv, könnten wir künftig geometrisch komplexe Einbauteile aus einer Nickelbasislegierung ganz oder teilweise als 3D-Druckteil entwickeln. Allerdings werden wir noch etwas Zeit benötigen, bis wir soweit sind.“

Unter anderem hat Wacker dazu ein eigenes 3D-Druckverfahren für Siliconelastomere entwickelt. „Mit der ACEO-Technologie können wir schnell und vergleichsweise kostengünstig Bauteile aus Silicon drucken. Es sind schon erste 3D-Teile aus Silicon für interne Anwendungen im Einsatz. Gemeinsam mit unserem ACEO-Team untersuchen wir derzeit, wo wir dieses Verfahren auch für die Herstellung von Ersatzteilen für die Instandhaltung nutzen können.“

Schillers Glocke einmal anders

Bei Schiller wird bekanntlich manches in Stücke gehauen: „Wenn die Glock soll auferstehen, muss die Form in Stücke gehen.“ Bei der additiven Fertigung von Kolonnen und deren Glocke steht bei SGL Carbon der sukzessive Aufbau im Mittelpunkt. Neben der Verwendung von strukturierten Packungen oder einer Vielzahl unterschiedlicher Füllkörper stehen auch Glockenböden als Maßnahme zur Verfügung, um den Wärme- und Stoffaustausch zwischen beiden Phasen zu maximieren.

Das Design der Glocken spielt bei der Effizienzsteigerung von Kolonnen eine maßgebliche Rolle. Durch die additive Fertigung sind der Komplexität des Glockendesigns nahezu keine Grenzen mehr gesetzt. Damit kann jede Glockenbodenkolonne nun noch besser auf ihren Einsatz maßgeschneidert werden, als dies bisher möglich war. Zusätzlich bietet die additive Fertigung die Möglichkeit einer All-in-One-Lösung, also die Herstellung des gesamten Glockenbodens in einem Stück.

So werden der Arbeitsaufwand bei der Montage des Glockenbodens weiter reduziert und Kosten gesenkt. Nicht nur für die Herstellung von Glockenböden ist die additive Fertigung eine interessante Lösung, auch Füllkörper, Packungen oder komplett gedruckte Kleinstkolonnen können so zukünftig wirtschaftlich hergestellt werden.

3D-Druck schafft Mehrwert für den Maschinenbau

Der industrielle 3D-Druck erlaubt die Entwicklung funktionsoptimierter Bauweisen. Konstrukteure müssen sich nicht mehr darauf konzentrieren, was produktionstechnisch machbar ist. Stattdessen sparen filigranere Strukturen Material und ‚krumme‘ Bohrungen, die auf herkömmlichen Wegen nicht darstellbar sind, ermöglichen eine effizientere Kühlung. Allein die durch additive Fertigung mögliche Funktionsintegration schafft im Maschinenbau einen kaum zu beziffernden Mehrwert.

Was bedeutet das alles für die Zukunft der Instandhaltung und der Ersatzteilversorgung durch den Hersteller bzw. OEM-Anlagenbauer? Die Flexibilität des 3D-Drucks werde Umbrüche nach sich ziehen, so der VDMA in einem Trendmonitor. So könne dezentrale additive On-demand-Fertigung von Ersatzteilen und Kleinserienbauteilen schon heute teure Lagerhaltung ersetzen.

Die hohe Designfreiheit erlaube es auch, bisher aus vielen Einzelkomponenten montierte Baugruppen zu fusionieren, was manche Lieferkette verändern werde. „Es wird künftig flächendeckend ein Nebeneinander additiver und konventioneller Verfahren geben. Ich gehe davon aus, dass digital vernetzte, örtlich getrennte Prozessketten entstehen: Spezialisierte Design-, Druck- und Nachbearbeitungszentren bilden dann verteilte Produktionsnetzwerke“, so Dr. Karsten Heuser, Vice President for Additive Manufacturing in der Siemens Division Digital Factory, Erlangen.

Was von enormer Bedeutung ist: In der additiven Fertigung steht und fällt die Produktivität mit dem Aufwand der Nachbearbeitung. Studien beziffern deren Kosten je nach Verfahren, Material und Komplexität des Bauteils auf 60 bis 300 % des reinen 3D-Drucks. Das Augenmerk sollte daher schon in der Konstruktion auf effizienten, möglichst weitgehend automatisierbaren Nachbearbeitungsprozessen liegen.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal Process veröffentlicht.

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