Das photonische Rückgrat der Additiven Fertigung

Ungeachtet der Pandemie bleiben die Prognosen im 3D-Druckmarkt glänzend. Die Technologie ist ein zunehmend interessantes Einsatzfeld für Laser, Scanoptiken und Imaging-Lösungen.

Über das Volumen des globalen 3D-Druckmarkts im Jahr 2020 gehen die Einschätzungen teils weit auseinander. Reports And Data nennt in einer aktuellen Studie gut 17,5 Milliarden US-Dollar (Mrd. $). Die Analysten von Lux Research kommen auf 12 Mrd. $ und liegen damit auf dem Niveau des in der Branche etablierten Wohlers Reports, der das aktuelle Marktvolumen auf 12,8 Mrd. $ taxiert. Dagegen beschränkt AMPOWER die Marktanalyse auf den industriellen 3D-Druck (Additive Manufacturing; AM) – und kommt auf einen entsprechend niedrigeren Wert von umgerechnet 8 Mrd. $.

Trotz aller Unterschiede sind sich die Analysten einig, dass sich die junge Branche in einer Phase des stürmischen Wachstums befindet. Erst 2013 lag der globale Gesamtumsatz erstmals über eine Mrd. $. Seither hat sich das Marktvolumen laut AMPOWER verachtfacht, die anderen zitierten Marktstudien gehen von Faktor 12 bis 17 aus. Und die Aussichten bleiben glänzend. So prognostiziert AMPOWER bis 2025 jährliche Wachstumsraten von 20 Prozent, was den industrielle AM-Markt auf ein Volumen von knapp 20 Mrd. $ katapultieren würde. Lux Research erwartet 15 Prozent jährliches Wachstum, was aufgrund des hohen Ausgangswerts auf 50 Mrd. $ Umsatz im Jahr 2030 hinausliefe. Deutlich optimistischer prognostiziert Reports und Data jährliche Wachstumsraten von 21 Prozent, durch die der Gesamtmarkt schon bis 2028 auf über 79 Mrd. $ zulegen soll. Auch der Wohlers Report stellt für die nächsten Jahre 20-prozentige Wachstumsraten in Aussicht. Allerdings vorerst nur bis 2022. Dann werde der globale Umsatz bei 17,7 Mrd. $ liegen. Flacht die Wachstumskurve nicht entscheidend ab, könnte der Gesamtmarkt schon Anfang der 2030er Jahre die 100-Mrd.-$- Schwelle überschreiten.

Vielfalt der Anwenderbranchen als Wachstumstreiber

Als zentrale Treiber des Wachstums gelten einerseits die rasche Internationalisierung, andererseits die rasante technologische Weiterentwicklung. Immer neue additive Verfahren drängen in den Markt, die zu beschleunigten Bauprozessen und einer steigenden Materialauswahl führen. Daneben mehren sich die Anwenderbranchen. Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, Energie- und Chemieanlagenbauer, Medizintechnik, die Lebensmittelbranche und der Maschinenbau nutzen mittlerweile AM-Verfahren. Darunter auch Land- und Baumaschinenhersteller. Neben Prototypen und Werkzeugen nutzen sie die additiven Verfahren indirekt, um Gussformen für Achsgehäuse und Radnaben zu fertigen. Immer öfter produzieren sie zudem komplexe Fahrzeugkomponenten in kleinster Stückzahl und nutzen dabei die Designfreiheit der Verfahren: Teils gelingt es mit durchdachter Konstruktion, Baugruppen aus vielen Einzelteilen in der Schichtbauweise zu einem Bauteil zu fusionieren, was sowohl die Montagekosten als auch den Aufwand der Zertifizierung, Qualitätssicherung und Lagerhaltung senkt. Und weil Laser in den Schichtbauverfahren nur dort Metallpulver belichten, wo Bauteilstruktur vorgesehen ist, lässt sich auch das Bauteilgewicht entscheidend senken und neue Funktionen in Bauteile integrieren. Sei es die Integration von Kühlkanälen oder von Vorrichtungen zu optimalen Schmierstoffversorgung. Je spezifischer die Maschinen und Fahrzeuge, desto interessanter wird es zudem, Ersatzteile nicht mehr zu lagern, sondern sie bei Bedarf mithilfe der gespeicherten Konstruktionsdaten auszudrucken. In der Industrie 4.0 eröffnet das die Perspektive, sensorüberwachte Maschinenkomponenten, die sich ihrem Lebensende nähern, vorausschauend auszudrucken und bei der nächsten fälligen Wartung proaktiv zu montieren, bevor es zum kostspieligen Defekt und Maschinenausfall kommt.

Rückgrat Photonik: Erste AM-Anlage mit zwölf 1-kW-Lasern

Um die bisherigen Schwächen der Technologie – langsame Aufbauraten, begrenzte Bauräume und mangelnde Produktivität – schnell aus dem Weg zu räumen, rüsten die Hersteller industriell genutzter AM-Anlagen auf. So hat SLM Solutions kürzlich die erste Anlage mit 12 Lasern vorgestellt, von denen jeder ein Kilowatt (kW) leistet. Durch ausgefeilte Aufteilung der Scanbereiche ist sichergestellt, dass sich die Laser beim Belichten des ausgestrichenen Metallpulvers im 60x60x60 cm großen Bauraum nicht in die Quere kommen. Zudem haben die Entwickler auf Basis eines Doppellinsensystems eine Zoomfunktion realisiert, mit deren Hilfe sich die Spotgröße der zwölf Laser in der Fokusebene jeweils variabel einstellen lässt. Das Ergebnis: Die 12-Laser-Anlage baut Metallteile 20-mal schneller auf als vergleichbare Anlagen mit einem Laser. Neben SLM Solutions setzt auch die niederländische Additive Industries auf die Multilaser-Technologie. Ihre neueste Anlage hat zehn 1-kW-Laser, die für Belichtung in einem 60x60x100 cm großen Bauraum sorgen. Andere Anbieter setzen auf Konzepte, in denen bis zu vier Yb-Faserlaser je Anlage das Metallpulver durch präzise 4 F-theta-Linsen sowie umgelenkt durch jeweils vier Hochgeschwindigkeitsscanner belichten.

Photonik ist aber nicht nur das Rückgrat der Strahlformung und Lenkung. Auch Laserstrahldiagnostik und präzise Leistungsmessungen auf photonischer Basis tragen zur steigenden industriellen Reife der Technologie bei. Hintergrund: Schon kleine Änderungen der Strahl- und Scanparameter können in der Bauphase erhebliche Qualitätseinbußen nach sich ziehen. Daher hat Coherent gemeinsam mit Haas Laser Technologies ein kompaktes Messsystem entwickelt, das entscheidenden Prozessparameter in unmittelbarer Nähe der letzten f-theta Scanlinse misst. Ziel ist es, den Laserprozess bei Bedarf on the fly korrigieren zu können, um teuren, zeitraubenden Ausschuss in additiven Fertigungsprozessen zu minimieren. Dafür ist eine spezielle Dünnfilm-Sensorik im Einsatz, die auch hohe Laserleistungen direkt binnen Mikrosekunden messen kann. Einen anderen Weg der optischen Qualitätssicherung in additiven Prozessen gehen ZEISS Industrial Quality Solutions und der AM-Anlagenbauer EOS. Sie treiben ein In-Process Monitoring zur Pulverbett-Überwachung voran. Denn für einen stabilen und fehlerfreien Fertigungsprozess sei ein gleichmäßig verteiltes Pulverbett wesentlich. ZEISS liefert ein Messsystem, das genaue Höheninformationen der verteilten Pulverschicht ermittelt und zur präzisen Auswertung an ein neuronales Netzwerk sendet. Stößt es dabei auf Unregelmäßigkeiten, kann direkt im Prozess nachjustiert werden. So ist sichergestellt, dass sich Pulverbettdefekte beim Belichten nicht in das Bauteil übertragen. Schon heute wird der Laserschmelzprozess in EOS-Anlagen mithilfe von optischen Tomographie-Verfahren überwacht. Eingesetzt wird dabei die sCMOS-Kamera pco.edge der Excelitas PCO GmbH.

Klar wird aus Alledem: Die junge Branche hat sich längst auf den Weg zur industriellen Reife und zur nötigen Produktivitätssteigerung für additive Serienprozesse gemacht. Dieser Weg führt unweigerlich über photonische Lösungen. Seien es Multilaseranlagen, komplexe Scanoptiken oder Sensor- und Imaging-Lösungen für die lückenlose Prozessüberwachung. Die Photonik zählt damit zu den Enablern des stürmischen Wachstums im 3D-Druckmarkt – und wird als zentraler Technologiezulieferer an dem Erfolg dieser Technologie partizipieren.