Jenseits der Maschine: Wie ganzheitliche Konzepte die additive Serienfertigung transformieren
Der Weg zu intelligenten LPBF-Produktionsverfahren

Die industrielle Produktionslandschaft befindet sich im stetigen Wandel, und mit ihr die Anforderungen an moderne Fertigungstechnologien. Die additive Fertigung, insbesondere das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF), hat sich längst von der Prototypenentwicklung zur Schlüsseltechnologie für die Serienproduktion entwickelt.

Doch dieser Fortschritt bringt neue Herausforderungen mit sich: Es bedarf mehr als nur leistungsfähiger Anlagen. Gefragt sind integrierte Lösungen, die eine nahtlose Verbindung von Maschinenarchitektur, präziser Prozesskontrolle und umfassender Serienfähigkeit ermöglichen. Im Zentrum stehen dabei die drastische Reduzierung von Rüstzeiten, die Sicherstellung der Reproduzierbarkeit jedes Bauteils und eine lückenlose Rückverfolgbarkeit über den gesamten Fertigungszyklus hinweg. Die Antwort liegt in innovativen Systemansätzen, die sich modular anpassen und flexibel für unterschiedlichste Anwendungsfälle konfigurieren lassen.

Präzision und Verlässlichkeit: Die Basis für Serienqualität

Die industrielle Anwendung additiver Verfahren wie LPBF erfordert ein Höchstmaß an Prozesskontrolle. Bauteile müssen nicht nur in gleichbleibender Qualität produziert, sondern auch Maschinen müssen effizient ausgelastet und strenge Sicherheitsstandards eingehalten werden. Martin Buscher, Head of Testing Facilities bei der Aconity3D GmbH, einem führenden Entwickler und Hersteller modularer L-PBF-Maschinen, betont die Empfindlichkeit des Prozesses: „Schon kleinste Abweichungen in der Temperaturführung oder im Energieeintrag können die Werkstoffeigenschaften verändern. Daher ist es entscheidend, dass der Prozess exakt kontrollierbar ist und die Maschinenstruktur dies auch in der Serienfertigung ermöglicht.“

Die Reproduzierbarkeit stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Im Gegensatz zu konventionellen Methoden, bei denen Werkstoffeigenschaften aus vorgefertigten Halbzeugen resultieren, entstehen sie beim L-PBF-Prozess erst direkt während des Herstellungsvorgangs. Jeder einzelne Parameter – von der Belichtungsstrategie bis zur Schutzgasführung – kann das Endergebnis beeinflussen. Dies erfordert für die Serienproduktion ein tiefgreifendes Prozessverständnis, fortschrittliche technologische Werkzeuge und eine umfassende Absicherung durch detaillierte Maschinen- und Prozessdaten.

Effizienz durch intelligente Modularität: Rüstzeiten minimieren

Ein entscheidender Vorteil für die Produktivität liegt in der modularen Architektur moderner L-PBF-Systeme wie bspw. der AconityX von Aconity3D. Die Möglichkeit, die Prozesskammer der AconityX zu wechseln, erlaubt es, weitere Kammern parallel zum Hauptprozess vorzubereiten oder zu reinigen. Dies reduziert Stillstandszeiten auf ein absolutes Minimum – ein kritischer Faktor für die Gesamteffizienz. Ergänzend dazu kann ein innovatives, modulares Filtersystem für eine sichere und wartungsarme Entsorgung von Ruß und Filterrückständen sorgen. „Konventionelle Filterelemente müssen häufig gewechselt werden und stellen durch metallische Rückstände ein Sicherheitsrisiko dar. Das neuartige Filtersystem verlängert nicht nur die Wartungsintervalle, sondern sorgt auch für ein sicheres Handling dieser Nebenprodukte“, erklärt Buscher.

Die konsequente Trennung von Prozessmodulen und dem Systemkern optimiert zudem die Wartungsprozesse. Einzelne Komponenten wie Optiken, Strahlquellen oder Steuerungseinheiten sind separat zugänglich und können bei Bedarf gezielt ausgetauscht werden. Dies spart wertvolle Zeit, verringert die Komplexität der Instandhaltung und trägt maßgeblich zur Steigerung der Gesamtanlageneffektivität im LPBF-Betrieb bei.

Skalierbare Laserpower: Produktivität neu definieren

Ein weiterer Hebel zur Produktivitätssteigerung ist eine flexible Laserarchitektur der AconityX. Je nach spezifischer Anwendung lassen sich bis zu sechs Hochleistungslaser mit einer Leistung von jeweils bis zu 4 kW kombinieren. Ein internes Projekt hat zudem belegt, dass der Austausch eines Standardlasers durch eine leistungsstärkere Variante nicht nur die Fertigungszeit um 40 Prozent reduzierte, sondern auch die Produktion von zusätzlich 1.300 L-PBF-Bauteilen pro Jahr bei gleichbleibenden Gesamtkosten ermöglichte. „Diese Leistungsdichte mit nur einem Laser steigert die Effizienz erheblich und reduziert zugleich das Ausfallrisiko, das bei Maschinen mit mehreren parallel arbeitenden Lasern deutlich höher ist“, so Buscher.

Die skalierbare Architektur gewährleistet außerdem, dass sich Produktionsmaschinen wie die AconityX präzise an sich ändernde Anforderungen anpassen lassen. Unternehmen können mit einer Basiskonfiguration beginnen und im laufenden Betrieb zusätzliche Laserquellen, Heizmodule oder Monitoringsystemenachrüsten. Dies ist insbesondere für L-PBF-Fertiger mit Wachstumsperspektiven ein entscheidendes Merkmal, das die Wettbewerbsfähigkeit stärkt.

Spezialisierung durch flexible Prozessmodule: Maßgeschneiderte Lösungen

Die Fähigkeit, auch individuelle Anforderungen aus unterschiedlichsten Branchen zu erfüllen, wird bei der AconityX durch variable Strahlprofile und spezifische Prozesskammern ermöglicht. So können Materialien wie Kupfer, Stahl oder Aluminium kontaminationsfrei in dedizierten Kammern verarbeitet werden, ohne die Notwendigkeit, zusätzliche L-PBF-Maschinen parallel vorhalten und betreiben zu müssen. Das sogenannte Ultra-Fast-Purging der AconityX trägt zusätzlich zur Optimierung bei, indem eine schnelle Inertisierung der Kammer Nebenzeiten weiter minimiert. Des Weiteren macht die Möglichkeit, sowohl validierte Standardparameter als auch kundenspezifisch angepasste Prozessführungen zu hinterlegen und automatisiert abzurufen, Materialwechsel nicht nur sicherer, sondern auch effizienter. Ein integriertes User-Management in Verbindung mit der RFID-basierten Identifikation der Prozesskammern gewährleistet, dass stets die korrekten Parameter verwendet werden. Dies schafft besonders in Applikationsfeldern, die durch unterschiedliche Materialien und hohe Anforderungen an die Prozessdokumentation geprägt sind, einen klaren Wettbewerbsvorteil.

Robuste Konstruktion für den industriellen Alltag

Nicht zuletzt werden die eingesetzten Lösungen auch schlicht durch die physischen Produktionsbedingungen herausgefordert. Buscher unterstreicht daher die fundamentale Bedeutung eines robusten Maschinendesigns: „Industrielle Umgebungen sind alles andere als steril oder rein. Hohe Temperaturen, Staub oder Vibrationen gehören zum Alltag. Deshalb sollte eine LPBF-Fertigungsmaschine bewusst robust aufgebaut sein, was z.B. durch gekapselte Optiken und ein stabiles Thermomanagement erzielt werden kann.“

Eine intuitive Bedienbarkeit ist ebenso unerlässlich. Das Bedienpanel ist übersichtlich gestaltet, sodass wichtige Prozessdaten auf einen Blick erfasst werden können und zentrale Wartungspunkte ergonomisch zugänglich sind. Die nahtlose Integration in bestehende Produktionslinien, beispielsweise über standardisierte Schnittstellen zur Automatisierungstechnik, muss ebenso gegeben sein.

Daten als Wertschöpfer: Qualitätssicherung und Optimierung

Neben der Hardware spielt die Software eine entscheidende Rolle für die Prozessstabilität von LPBF-Fertigungsverfahren. Bei Nutzung bspw. der AconityX lassen sich mit AconitySTUDIO sowie mit integrierten Monitoring-Lösungen wie AconityANALYZE sämtliche Prozessparameter lückenlos erfassen, speichern und visualisieren – vom Sauerstoffgehalt über Temperaturverläufe bis zur Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases. Buscher verdeutlicht auch hier die Bedeutsamkeit: „Diese Daten bilden die Grundlage für zertifizierte Prozesse in der Serienfertigung. Ohne Transparenz im Prozess keine Normenkonformität.“ Die gesammelten Informationen dienen sowohl der internen Qualitätssicherung als auch externen Prüfprozessen. Insbesondere in regulierten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik sind sie ein unverzichtbarer Bestandteil der L-PBF-Fertigungsstrategie. Langfristig ermöglichen sie zudem den Aufbau digitaler Zwillinge zur vorausschauenden Prozessoptimierung.

Wirtschaftlichkeit kalkulieren: Simulation für den Business Case

Zudem trägt die schnelle Ermittlung anwendungsspezifischer Maschinenkonfigurationen maßgeblich zur Effizienz von L-PBF Verfahren bei. Mit einem Tool wie bspw. dem Business Case Calculator lassen sich an der AconityX Anlagenauslegung und Produktionsplanung wirtschaftlich optimieren. „Berücksichtigung finden darin Produktionsszenarien, Schichtmodelle und Bauteilgeometrien; auf deren Grundlage erfolgt eine präzise Berechnung, welche Kombination aus Lasern, Kammer und Rüstzyklen den besten Output bringt“, erläutert Buscher.

Die zugrundeliegende Methodik kombiniert betriebswirtschaftliche Kennzahlen mit physikalischen Prozessparametern. Unternehmen erhalten somit durch eine fundierte Abschätzung der Investitionskosten und eine belastbare Grundlage für ihre ROI-Kalkulation. In Kombination mit Erfahrungswerten aus dem laufenden Betrieb lassen sich auf dieser Basis auch Strategien für einen späteren Ausbau oder eine schrittweise Automatisierung im LPBF-Umfeld entwickeln.

Praxisbeispiele: Branchenübergreifende Erfolge

Die Vorteile dieser ganzheitlichen Ansätze zeigen sich bereits in diversen Industriezweigen. In der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Elektromobilität konnten bereits Best Practices für die Prozessoptimierung etabliert werden. Ein Beispiel ist die Fertigung von Hairpin-Wickelköpfen für E-Motoren: Hier entfällt durch die additive Fertigung die kostenintensive Herstellung individueller Werkzeuge, was insbesondere in der Prototypen- und Kleinserienfertigung die Effizienz erheblich steigert.

Ein weiteres Praxisbeispiel aus dem eigenen Maschinenpark von Aconity3D verdeutlicht das Potenzial: Der sogenannte Galvoträger – ein Aluminiumbauteil aus dem Strahlablenksystem der Maschinen – wurde additiv optimiert und ermöglicht heute durch den Einsatz einer neuen Laserquelle deutliche Zeiteinsparungen. „Es muss somit Ziel und Ansporn sein, dass auch weitere Anwender von genau solchen Erfahrungswerten profitieren“, so Buscher.

Wissenstransfer als Schlüssel zum Erfolg: Digitale Schulungskonzepte

„Zunächst müssen Unternehmen aber überhaupt erstmal einen nachhaltigen Einstieg in die additive Serienfertigung erhalten. Mit einem System, das mitwächst und sich an neue Anforderungen anpassen lässt, kann dafür ein wichtiger Grundstein geschaffen werden“, erklärt Buscher. Fertigende Unternehmen profitieren somit von Partnern entlang der gesamten additiven Prozesskette, die allerdings zusätzlich auch auf Weiterbildung setzen sollten. Firmeneigene Akademien bieten Anwendern kostenfreien Zugang zu Videotrainings, Live-Sessions mit Partnerunternehmen und einer Vielzahl an Tutorials in digitaler Form.

Die Inhalte umfassen nicht nur technische Fragestellungen, sondern auch Best Practices aus der LPBF-Fertigung, Hinweise zur Prozessstabilisierung und Empfehlungen für die sichere Materialhandhabung. Damit wird ein niederschwelliger Einstieg ermöglicht – auch für Unternehmen, die bislang keine oder nur wenig Erfahrung mit additiven Verfahren haben.

Fazit

Die Transformation der industriellen Serienfertigung durch additive L-PBF-Verfahren geht weit über die reine Maschinenleistung hinaus. Entscheidende Erfolgsfaktoren sind heute Modularität, umfassende Prozessstabilität, sichere Handhabung und eine wirtschaftliche Skalierbarkeit. Moderne Anlagenkonzepte wie bspw. bei der AconityX bieten die notwendige Flexibilität, um auf dynamische Anforderungen zu reagieren und getätigte Investitionen langfristig abzusichern. Unterstützt durch lückenloses Monitoring, intelligente Parameter- und Materialverwaltung sowie zugängliche digitale Schulungsangebote etabliert sich die additive Fertigung zunehmend als tragende Säule zukunftsfähiger Produktionsstrategien. Unternehmen, die auf solche integrativen und fortschrittlichen Lösungen setzen, realisieren nicht nur signifikante Effizienzvorteile, sondern sichern sich auch eine technologische Vorreiterrolle in einem sich ständig entwickelnden Markt.

Autorin: Nadja Müller, Journalistin für Wordfinder
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