In der Planung des 2018 eröffneten High-Performance-Werks in Kapfenberg wurden auch Räumlichkeiten für eine noch sehr junge Fertigungstechnologie berücksichtigt: Mit dem Additive Manufacturing Competence Center ist es Pankl gelungen, die Additive Fertigung in die Obersteiermark zu holen und die Forschungsbemühungen führender Unternehmen wie EOS, Quintus oder voestalpine Böhler Edelstahl unter einem Dach zu vereinen.
Cleon Regensburger, Entwicklungsingenieur bei Pankl, arbeitet mit seinen Kolleg:innen im Bereich Additive Manufacturing (AM) an unserem Standort in Kapfenberg und beschäftigt sich mit der herausfordernden Fragestellung: Wie schaffen wir es, mittels additiver Fertigung hochbelastete und komplexe Produktsysteme – wie beispielsweise Motor- und Antriebskomponenten – für den Motorsport und die High-Performance-Automotive-Industrie herzustellen und dabei die Potentiale hinsichtlich Design und Leichtbau auszuschöpfen?
Additive Fertigung: Von der Vision zur Realität
Der im Automotive-Bereich hauptsächlich zur Anwendung kommende additive Fertigungsprozess ist das „Selektive Laserschmelzen“ bzw. „Selective Laser Melting (SLM)“, wobei es sich um ein sogenanntes Pulverbettverfahren handelt. Beim SLM wird feinkörniges Metallpulver durch einen Laser aufgeschmolzen und bei der anschließenden Abkühlung verfestigt. In einem iterativen Prozess entsteht so Schicht für Schicht ein physisches Bauteil direkt vom digitalen Modell.
Durch dieses Arbeitsprinzip ermöglicht das SLM-Verfahren eine werkzeuglose Herstellung von Bauteilen mit Werkstoffeigenschaften, die vergleichbar oder teilweise sogar über denen des jeweiligen Stabmaterials liegen, da sich die Mikrostruktur bei gleicher chemischer Zusammensetzung unterscheidet. Der große Vorteil sind die sehr kurzen Lieferzeiten und eine erweiterte Designfreiheit, die extreme Potentiale für den Leichtbau eröffnet. Die Designkomplexität steht dabei in keinem direkten Zusammenhang mit den Herstellungskosten, wie das bei anderen Fertigungsverfahren üblich ist. Beim SLM können grundsätzlich alle schweißbaren Metalle verarbeitet werden, dies resultiert in einem großen Materialportfolio und erlaubt somit vielseitige Anwendungsmöglichkeiten.
„Die SLM-Technologie und ihre rapide Weiterentwicklung in den letzten Jahren hat durch ihre Vielseitigkeit hinsichtlich verarbeitbarer Materialien, Fertigungsgenauigkeit, Oberflächenqualität und mechanischer Eigenschaften viele Türen zur Verwendung additiv gefertigter Bauteile geöffnet. Dies gilt insbesondere für funktionelle Bauteile, die strukturellen und thermischen Anforderungen ausgesetzt sind und in hochbeanspruchten Systemen zum Einsatz kommen – was sich perfekt mit unseren Ansprüchen bei Pankl deckt. Somit kann allgemein gesagt werden, dass sich das Anwendungsfeld vom reinen Prototypenbau mittlerweile definitiv hin zur Fertigung von Endbauteilen entwickelt hat.“, so Regensburger.
Pankl und Ansys: Zusammenarbeit auf dem Next Level
Um die verhältnismäßig junge Fertigungstechnologie am Markt stärker zu etablieren, hat Pankl in den letzten Jahren gemeinsam mit Partnern den Fokus auf die Weiterentwicklung der gesamten Prozesskette gelegt. In Anbetracht der Tatsache, dass im AM-Bereich die einzelnen Glieder der Wertschöpfungskette noch stärker interagieren als bei vielen anderen Fertigungsmethoden, ist ein solch holistischer Ansatz besonders wichtig. Das übergeordnete Ziel dieser Bemühungen ist eine weitere Industrialisierung der Technologie, um auch in höheren Stückzahlen zuverlässig und in einem attraktiven Preisniveau für den Kunden produzieren zu können, aber gleichzeitig die Flexibilität und Potentiale voll auszuschöpfen.
Als Teil davon kooperiert die Additive Manufacturing Business Unit mit dem Unternehmen Ansys, um das Design und die Produktion konventionell hergestellter Automotive-Teile für die additive Fertigung neu zu denken und zu optimieren. Ansys gilt als einer der führenden Anbieter von Software für die Bereiche 3D-Design und Simulation.
Durch den Einsatz von „State-of-the-Art“ Software mit neuen Designansätzen und Optimierungsmöglichkeiten für (AM-)Bauteile kann Pankl die Entwicklungsleistung steigern und Innovation nicht nur schneller, sondern auch kostengünstiger vorantreiben. Der Wettbewerbsvorteil, der dadurch erzielt wird, kommt unter anderem auch der Vermarktung dieser Technologie bei Pankl zugute.
„Additive Manufacturing als Fertigungstechnologie bietet Pankl eine Reihe von Vorteilen, wie kürzere Produktionsvorlaufzeiten, größere Funktionalität der Komponenten und Designfreiheit. Es treibt die Innovation einfach schneller an.“, so Regensburger. „Und wenn es eine Branche gibt, die an der schnellen Entwicklung innovativer Komponenten interessiert ist, dann ist es der Rennsport. Als renommierter Lieferant von Hochleistungsbauteilen für Antriebs- und Motorsysteme, aber auch Komponenten für die Luft- und Raumfahrt ist es für Pankl naheliegend, einen derart potentialreichen Prozess zu implementieren und zu erforschen. Unser Fokus liegt darauf, unseren Kunden leistungsstarke Produkte durch Innovation zu liefern. Der Einsatz von AM unterstützt uns bei diesem Ziel enorm.“
Die Additive Fertigung und die Bedeutung der Prozesssimulation
Ein grundlegendes Thema in der additiven Fertigung allgemein ist der Bedarf an sogenannten Stütz- bzw. Supportstrukturen. „Aufgrund der Tatsache, dass die SLM-Technologie prinzipiell als Schweißprozess einzuordnen ist, spielen thermische Effekte eine große Rolle. Thermisch induzierte Eigenspannungen durch das wiederholte Aufschmelzen und den extrem hohen Abkühlraten resultieren in Bauteilverzug und diversen, damit einhergehenden Prozessproblemen. Generell wird diesen mittels Supportstrukturen begegnet, welche die Bauteile an die Bauplattform binden und stabilisieren, aber auch eine entsprechende Wärmeableitung ermöglichen.
Besonders wenn Bauteile für eine konventionelle Fertigung ausgelegt worden sind – wie zum Beispiel bei Ersatzteilen, die mittels AM nachproduziert werden – ist es oft so, dass übermäßige Mengen an Supportstrukturen benötigt werden, die mitunter auch die Masse des Bauteils selbst übersteigen können. Ansys hilft uns mittels Simulationsmöglichkeiten nicht nur dabei, effizientere Supportstrukturen auszulegen, sondern auch Strategien und Setups zu erarbeiten, um die Abhängigkeit davon zu reduzieren. Die Reduktion von Supportstrukturen kommt nicht nur dem Bauteilpreis, sondern auch der möglichen Lieferzeit entgegen.“, führt Regensburger weiter aus. Bei den komplexen Tasks im gesamten Produktionsprozess, wie unter anderem Materialkalibrierung und Parameterentwicklung, Geometrie- bzw. Supportdefinition, Druck und Wärmebehandlung, kann Pankl mittels Ansys-Software jeden Schritt computergestützt analysieren und optimieren. Essentiell dabei ist die Prozesssimulation des eigentlichen Druckvorganges.
„Die Simulation mit Ansys-Software hilft uns sehr, kostspieligen Ausschuss zu vermeiden und Prozessprobleme vorherzusagen“, sagt Regensburger. „Aber es unterstützt uns auch dabei, unsere Job-Setups im Allgemeinen zu verbessern und die Qualität der Fertigteile zu steigern.“
Pankl und Ansys: Weiterentwicklung der additiven Fertigung
Gemeinsam entwickeln Pankl und Ansys Toolkits und Best-Practices der additiven Fertigung weiter, um diese Technologie mehr in Richtung industrieller Anwendung zu pushen. „Wir bei Pankl sind dafür bekannt, innovative Technologien zu nutzen, um komplexe Produkte zu liefern, die höchsten Ansprüchen gerecht werden. Daher passt die Ansys-Software in der Anwendung perfekt zu unseren Bedürfnissen. Mit der Ansys-Softwareunterstützung haben wir am Ende einen reibungslosen Druckjob und ein hoch-qualitatives Produkt.“, sagt Regensburger.
Die langfristige strategische Zusammenarbeit der beiden Unternehmen ebnet den Weg für Innovationen sowohl im Automotive-Bereich, als auch in der additiven Fertigung. Die Partnerschaft hilft Pankl, Verbesserungen in der neuen Technologie noch stärker voranzutreiben, um Anwendungsfelder zu erweitern und die Akzeptanz zu erhöhen.
„Wir sind eine Partnerschaft mit Ansys eingegangen, um unsere Kräfte zu bündeln und auf beiden Seiten Weiterentwicklungen zu verstärken. Mittels Ansys Software können wir unsere Produkte verbessern und gleichzeitig kann Ansys mithilfe unseres Feedbacks und Erfahrungen aus der Praxis deren Software optimieren – was nicht nur Unternehmen, die Ansys AM-Software nutzen, sondern auch der Marktakzeptanz und Nachfrage für additive Fertigung bei unseren Kunden zugutekommt.“, schließt Regensburger ab.