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Lasertagung 2016
Photonische Lösungen für die Mensch-Maschine-Interaktion in der digitalen Produktion
Tünnermann, A.
Friedrich Schiller Universität Jena, Institut für Angewandte Physik, Jena
Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, Jena
In der Produktionstechnik sind wir heute Zeugen eines revolutionären Wandels – wir beobachten eine
rapide Verdichtung in der Organisation und Vernetzung der Wertschöpfungskette über die gesamte Produktlebensdauer.
Der Begriff Industrie 4.0 steht für diesen Wandel, in dessen Rahmen wesentliche Voraussetzungen
für die kosteneffiziente Fertigung von individualisierten Produkten geschaffen werden. Die
Verfügbarkeit aller relevanten Informationen in Echtzeit durch Vernetzung von Mensch, Umwelt, Maschine
und Produkt ist ein Kernelement dieser Entwicklung in der Arbeitswelt, mit starken Auswirkungen auf
unseren Lebensalltag. Die Kooperation von Mensch und Maschine erfordert dabei eine neue Generation
von interaktiven Sensoren. Insbesondere photonischen Sensorprinzipien zur latenzfreien Erfassung von
räumlichen Szenen kommt hierbei eine entscheidende Bedeutung zu. Diese neuartigen Sensoren, gepaart
mit intelligenten Analyseverfahren, werden unsere Interaktion mit Maschinen radikal verändern und
erstmals eine synergetische Zusammenarbeit ermöglichen.
Der Beitrag diskutiert Herausforderungen und neue Trends in der Mensch-Maschine-Interaktion in der
Produktion von morgen. Ein Fokus des Beitrags betrifft die Möglichkeit der Erfassung von räumlichen
Szenen, unter Einsatz ultrakompakter Multiaperturkamerasysteme, nach dem Vorbild der Insektenaugen.
©Fraunhofer IOF
Abb. 1: Sichere Produktionsabläufe durch hochdynamische 3D-Vermessungssysteme
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Photonik – ein integraler Bestandteil der Industrie 4.0
Löffler, K.; Hengesbach, S.
TRUMPF Lasertechnik GmbH, Ditzingen
Kurzfassung
Industrie 4.0 bezeichnet die vertikale 1 und horizontale digitale Vernetzung der Produktion mit dem Ziel,
Gesamtproduktivität, Flexibilität und Prozess-Stabilität zu steigern und unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke
zu schaffen. Industrie 4.0 forciert und kanalisiert die Interaktion zwischen Produkten,
Maschinen, Prozessen und Menschen in „intelligenten Fabriken“. Grundsätzlich erfordert I 4.0 nicht
notwendigerweise photonische Prozessketten und vice versa.
Die subtraktiven und generativen Laserprozesse ermöglichen jedoch erst einen Großteil der individualisierten,
flexiblen Produktion. Mit einer Laserstrahlquelle können Schneid-, Schweiß-, Abtrags-, Markier-,
Reinigungs-, und generative Fertigungsprozesse durchgeführt werden, ohne dass Formen und Werkzeuge
hergestellt oder geändert werden müssen. Laserprozesse bieten neben dieser Flexibilität auch online-
Prozesskontrollen und eine Vielzahl an integrierter Sensorik zur Überwachung der Quelle und der optischen
Komponenten sowie die Möglichkeit der Optimierung auf Basis der Verfügbarkeit von Echtzeitdaten
und Datenanalyse. In Summe werden also durch vernetzte Maschinen zur Laser-Materialbearbeitung der
Produktion vor- und nachgelagerte Prozessschritte sowie Durchlaufzeiten und Individualisierungskosten
signifikant reduziert: ein integraler Bestandteil der Industrie 4.0.
1. Warum Industrie 4.0?
Die Anforderungen an Fertigungsbetriebe wandeln sich derzeit grundlegend. Die Stückzahlen identischer
Produkte nehmen ab, die Variantenvielfalt steigt [1,2]. Kunden erwarten – inspiriert durch die im Privatleben
bereits akzeptierten Online-Versandhändler – auch im industriellen Umfeld online-Bestellung, kurze
Lieferzeiten und Services wie das Abrufen des Bearbeitungsstatus. Daraus leiten sich einige grundlegende
Herausforderungen und Chancen sowohl für kleine und mittelständische Unternehmen wie auch für
Konzerne ab:
1. Sinkende Losgrößen aufgrund zunehmend individualisierter Kundenwünsche.
2. Kurze Reaktionszeiten in der Größenordnung von Tagen (Angebot, Fertigung & Lieferung).
3. Echtzeit-Transparenz im Bezug auf den Fertigungsstatus der bestellten Produkte.
4. Ortsunabhängige, globale Bestellung über Online-Portale.
5. Hohe Teile-Qualität forciert durch eine bessere Vergleichbarkeit von Produkten und Kosten.
6. Wettbewerbsverschärfung durch beschleunigte technische Neuerungen.
7. Verbesserte Methoden, um aus Prozessdaten Erkenntnis und Wissen zu generieren:
»Smart Data aus Big Data«.
Aus diesen Anforderungen leitet sich die Definition von Industrie 4.0 (I 4.0) bei TRUMPF ab:
»Industrie 4.0 bezeichnet die digitale Vernetzung der Produktion mit dem Ziel, Gesamtproduktivität, Flexibilität
und Prozess-Stabilität zu steigern und unternehmensübergreifende Wertschöpfungsnetzwerke zu
schaffen.«
Aus einer in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA erstellten Studie konnten nach detaillierter Analyse
folgende Aussagen aus den Prozessdaten von 25 deutschen Kunden abgeleitet werden:
Fazit 1: Wertschöpfende Tätigkeiten stellen den kleinsten Anteil am Produktionsprozess dar: der Zeitaufwand
für indirekte Tätigkeiten ist im Mittel um den Faktor fünf größer, als die Maschinenlaufzeit. Auf eine
Stunde Bearbeitungszeit entfallen etwa vier Stunden indirekte Tätigkeiten. 80 Prozent des Optimierungspotenzials
in der Fertigung entfallen folglich auf die indirekten Prozesse.
1 Horizontale Vernetzung bezeichnet die Netzwerke einer Ebene der I 4.0 (siehe „Industrie 4.0 auf vier Ebenen“), vertikale Vernetzung verbindet die Ebenen der I 4.0
von der Sensorik bis hin zu den Ökosystemen untereinander.
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Fazit 2: Der Alltag ist geprägt durch Variantenvielfalt und Änderungen. Kleine Losgrößen sind weit verbreitet
und kurze Reaktionszeiten werden regelmäßig gefordert. Der Anteil an Wiederholteilen (Reproduktion
der gleichen Produkte ohne Variation) ist kleiner als 50 Prozent.
Fazit 3: Die Komplexität der Marktanforderungen nimmt zu. Die Fertigung muss konkurrierende Ziele wie
Qualität, Termintreue, Materialeffizienz und Kapazitätsauslastung beherrschen (Polylemma der Produktion).
Fazit 4: Fertigungssteuerung und Intralogistik bieten große Potenziale; fehlende Transparenz wird als ein
Hauptproblem wahrgenommen.
Der Vorschub bei 2D-Schneid- und Schweißmaschinen ist bereits so groß, dass das Optimierungspotential
der Prozesszeiten (Bearbeitungszeit) in Relation zur Veränderung des Gesamtwirkungsgrades des
kumulierten Auftrags-, Herstellungs- und Vertriebsprozesses verhältnismäßig klein ist. Entscheidend für
die Gesamtproduktivität sind die vor- und nachgelagerten Prozesse vom Bestellvorgang über die Materialbeschaffung
bis zur Rechnungsstellung und Auslieferung. An dieser Stelle bietet die vernetzte Produktion
Vorteile. Mit ihrer Hilfe lassen sich auch die indirekten Prozesse synchronisieren und vereinfachen sowie
Durchlauf- und Reaktionszeiten verkürzen.
Im Gegensatz zur 3. industriellen Revolution, der Digitalisierung und der Automatisierung, ist das Ziel
von I 4.0 nicht nur die Ansteuerung (Laserbasierter) Werkzeugmaschinen mit Daten aus einer CAD/CAM
Schnittstelle, wie es derzeit bei der „Digitalen Photonischen Produktion“ [3] mit dem Slogan »from bits to
photons to atoms« [3] im Vordergrund steht, sondern das Installieren »dynamischer, in Echtzeit optimierter
und selbstorganisierender Wertschöpfungsnetzwerke, die mehrere Unternehmen und Unternehmensebenen
umspannen.«
2. Industrie 4.0 auf vier Ebenen
Die Umsetzung der technischen Maßnahmen zum Bilden der Wertschöpfungsnetzwerke findet auf vier
Ebenen statt (Bild 1): (1) den Sensoren und Aktoren, (2) den Maschinen, (3) Fabriken und (4) den Industriesektoren
(oft auch als Ökosysteme bezeichnet).
Sensoren und Aktoren (Ebene 1)
generieren und erfassen eine Vielzahl
von Daten für den optimalen Maschinenbetrieb
und bilden die Grundlage
für die I 4.0. Prozess- und Echtzeitqualitätskontrolle
werden im Bereich der
Laser-Materialbearbeitung durch Einschweißtiefenregelung,
Nahtlageregelung,
Bildverarbeitung, Werkstück- und
Merkmalserkennung, Temperaturregelungen
(zum Härten, Enthärten, Löten,
Kunststoffschweißen) sowie Fokus- und
Bild 1: Industrie 4.0 auf vier Ebenen
Leistungskalibrierung sichergestellt.
Eine offene und modulare Architektur
der Sensorik-Plattform ist Voraussetzung
für die Öffnung der Schnittstellen
zu Drittanbietern und eine Einbettung
in das Konzept I 4.0. Prozessdaten
können so in übergeordneten Systemen
verarbeitet werden. Zusätzlich zur
Prozess-Sensorik werden auch Daten von Laserstrahlquelle und Optik permanent aufgezeichnet. Während
z.B. die Laser-Leistungsüberwachung oder die Detektion von Streulicht im Laserresonator in vielen
Produkten bereits integriert sind, zielen aktuelle Entwicklungsprojekte auf die konsequente Nachverfolgbarkeit
und Charakterisierung aller verbauten Schlüsselkomponenten ab. Eine Fokussierlinse mit RFID-
Etikett und Streulichtsensor versehen, kann einerseits zur Identifizierung dienen und dem Monteur beim
Auslesen des Etiketts wichtige Einbaukriterien wie die korrekte Linsenposition im Tubus übermitteln, andererseits
kann auch der Grad der Verschmutzung ausgelesen werden, so dass die Maschinensteuerung
durch Ermittlung des Transmissionsgradienten über der Zeit den Austauschzeitpunkt der Komponente
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bestimmen kann und einen Bestellvorgang frühzeitig auslöst. Zentrales Merkmal aller Sensordaten ist
der IEEE 1588 Zeitstempel, der die Verknüpfung aller Daten sicherstellt.Neben den Sensorik-Daten kann
das Werkstück selber ebenfalls als Informationsträger dienen. Mit nahezu jeder Laser-Konfiguration lässt
sich ein Data-Matrix-Code auf dem Werkstück aufbringen. Beim Black-Marking wird dabei nicht einmal
die Oberflächenform und Rauheit sondern lediglich die Art der Kohlenstoffverbindungen verändert. Diese
Markierungen sind abriebfest und stellen zudem eine Rückverfolgbarkeit sicher.
Die Sensoren kommunizieren auf der Ebene der Systeme und
Maschinen (Ebene 2) mit der Maschinensteuerung über den
Feldbus. Als Stand-Alone Lösung speichert die Maschinensteuerung
zur Qualitätssicherung alle Zielwerte und die Messwerte
der Prozessparameter in einer Datenbank und transferiert
diese bei Bedarf in das Manufacturing Execution System
(MES). Die Rückverfolgbarkeit der Prozessdaten ist so über
Jahre gewährleistet. Die Ansteuerung auf Maschinenebene erfolgt
durch Feldbusse (ProfiNet, EthnerIP, DeviceNet, ProfiBus,
EtherCAT, PowerLink, InterBus ,OPC), Parallel I/O, Echtzeitschnittstellen,
analoge Ansteuerung oder OPC UA.
Die Maschinensteuerung lässt sich durch eine App auf einem
mobilen Tablet-PC (Bild 2) darstellen, so dass die Maschine
innerhalb der Produktionshalle fernsteuern lässt (Direktverbindung
Maschine ↔ Tablet-PC). Prozessbilder und Videoübertragung
aus der Kabine gehören derzeit genauso zur Ausstattung
wie Statistiken zur Auslastung und automatische e-mail Benachrichtigung. Zu den Funktionalitäten der
direkten Maschinenkommunikation gehören unter anderem die Übersicht von Kunden- und Produktionsaufträgen
und Produktionsplänen, MDE-Meldungen und -Auswertungen (MDE: Maschinendatenerfassungssystem),
Überblick von Kundenaufträgen, sowie Code Scanner. Auf Maschinenebene ist neben der
lokalen Fernsteuerung und Überwachung ebenfalls die Fernwartung bzw. TelePräsenz eine Schnittstelle
und Kundenanforderung.
Ein erstes Netzwerk kann bereits auf der Maschinenebene (Ebene 2) erzeugt und Daten im Sinn der I 4.0
zu einem effizienten Wertschöpfungsnetzwerk kombiniert werden. Die Auslastung und Wirtschaftlichkeit
einer Strahlquelle kann durch ein Lasernetzwerk (Bild 3) deutlich gesteigert werden, in dem eine Strahlquelle
im Time-Sharing-Verfahren mehrere Bearbeitungsstationen
abwechselnd mit Laserstrahlung
versorgt. Das Umschalten zwischen den einzelnen
Bearbeitungsstationen erfolgt in wenigen Millisekunden.
Je nach Laseraggregat können bis zu
sechs Bearbeitungsstationen parallel an ein Aggregat
angeschlossen werden. Mit dem Laserlichtkabel
wird ein Datenkabel verlegt, das die Informationen
über Herkunft des Strahles sowie die Sicherheitsund
Steuerungsdaten überträgt. Die Kommunikation
der vernetzten Komponenten erfolgt über Feldbussysteme.
Bei Bedarf können jederzeit weitere
Bearbeitungsstationen in das Netzwerk integriert
werden. Dies ist bereits ein Grund dafür, warum
Laserstrahlquellen integraler Bestandteil der I 4.0
sind: sie liefern „on demand“ Prozessenergie mit
den erforderlichen räumlichen und zeitlichen Eigenschaften
an die Bearbeitungsstationen. Dabei
ist die Laserstrahlung auch das Werkzeug selbst,
das mit dem Werkstück interagiert.
Auf der Ebene der Unternehmen und Fabriken
(Ebene 3) wird das Netzwerk der Produktionsmaschinen
nun über ein Factory Gate (Bild 4, weiße
Quader) direkt mit der Fertigungssteuerung verbunden.
Hier werden Zustandsüberwachung, Produktionssteuerung,
kaufmännische Abwicklung,
Lagerverwaltung, sowie die integrierte Werkzeug-
Bild 3: Beispiele für Laser-Netzwerke
Bild 2: TruTops Fab App
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und Maschinenverwaltung ganzheitlich angebunden.
Kostentransparenz wird beispielsweise durch
auftragsbezogene automatische Rückmeldungen
des Materialverbrauchs und der Bearbeitungszeiten
erzielt. Auftragsstand und Auslastung sind immer
aktuell. Dies erleichtert die Verwaltung und die
Übersicht der Produktionsaufträge. Die Visualisierung
der Maschinenzustände und Auslastungen
über „Dashboards“ ermöglichen die Kontrolle der
Prozesse und die gezielte Analyse der individuellen
Produktionszellen durch Vergleich von Durchlaufzeiten
und Maschinenauslastungen. Auch können
über dieses Gate Fernwartungen durchgeführt
werden oder Datenübertragungen – wie die Ersatzteilbestellung
und Serviceanfragen von Maschinen
– ermöglicht werden. Insgesamt gewährleisten
„Device Gate“, „Machine Gate“ und „Factory Gate“
die erforderliche Datensicherheit.
Auf der vierten Ebene können nun Industrie- und
Sektorenübergreifend nicht nur online-Geschäftsmodelle
wie ein Webshop direkt an die Produk-
Bild 4: Aufbau einer Smart Factory
tion gekoppelt werden, sondern auch produktionsrelevante
Dienstleistungen eingekauft werden. AXOOM ist eine digitale Geschäftsprozessplattform
mit Programmen für die Fertigungswelt. Die offene, herstellerunabhängige Plattform stellt Infrastruktur
bereit wie Rechenleistung, sicheren Datentransport, Speicherung und Analyse von Daten oder Abrechnungssysteme.
Gleichzeitig bietet sie Lösungsmodule für die durchgängige Auftragsbearbeitung in einem
Produktionsbetrieb – inklusive Produktionsplanung und Fertigungssteuerung sowie Kennzahlen-cockpits
für maximale Transparenz. Bei speziellen Optimierungsaufgaben kann ein Dienst z.B. für einen Monat
genutzt werden, ohne dass diese Software dauerhaft gekauft werden muss. Dies bezieht sich nicht nur
auf die kaufmännische Ebene oder die Optimierung der Produktion z.B. durch Shop-Floor Management,
sondern kann auch auf Produktionsprozesse ausgeweitet werden. Parametersätze zur Materialbearbeitung
neuer Werkstoffe oder besondere Prozessregelstrategien können online eingekauft werden. In die
Cloud-Speicher übertragene Maschinendaten können vom Werkzeugmaschinenhersteller analysiert und
Wartungsintervalle so besser geplant werden. Ist der Transmissionsgrad einer Optik zur Materialbearbeitung
noch nahezu unverändert, muss kein Schutzglas gewechselt werden (siehe Sensoren und Aktoren,
Ebene 1). Kündigt sich der Ausfall einer Pumpdiodeneinheit an, kann der Servicetechniker den Austausch
der Einheit zum nächsten Wartungstermin einplanen. Die Daten können auch genutzt werden, durch das
Nutzungsverhalten das geeignete Produkt zu wählen. Zwei Festkörperlaser können beispielsweise durch
einen Laser mit zwei Abgängen ersetzt werden, wenn sich nach Analyse der Produktionsdaten herausstellt,
dass die Einzelauslastung der Laser gering ist und die Prozesse Laserleistung zyklisch abrufen.
3. Photonische Prozesse als Katalysator der I 4.0
Warum ist nun gerade die Photonik ein Katalysator der I 4.0 und nicht z.B. die Kunststoff- und die Textiltechnik
oder andere ur- und umformende Fertigungsverfahren? Laserbasierte Prozesse erzielen in Abhängigkeit
der eingestellten Strahl- und Prozessparameter unterschiedliche Bearbeitungsergebnisse. Dieselbe
Hochleistungs-Laserstrahlquelle 2 kann eingesetzt werden für:
1. Additive (Generative) Fertigung: Pulverbettbasiertes Laserschmelzen (LMF, Laser Metal Fusion),
Laserauftragschweißen (LMD, Laser Metal Deposition)
2. Subtraktive Fertigungsverfahren: Bohren, Schneiden, Markieren, Abtragen, Reinigen, etc.
3. Fügeverfahren: Löten, Schweißen, Bonden, Formschlüssiges Fügen
4. Oberflächenmodifikation: Polieren, Strukturieren, Härten, Entfestigen, Umschmelzen
2 Die optische Kommunikationstechnik nutzt Strahlquellen mit geringer Ausgangsleistung < 1 W und trägt neben den Laserbasierten Fertigungsverfahren natürlich
auch zum Erfolg von I 4.0 bei. Die Telekommunikationstechnik wird im Rahmen dieses Beitrags jedoch nicht thematisiert.
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Neben individualisierten Produkten
ermöglicht die Kombination aus unterschiedlichen
Laserbasierten Verfahren
eine große Flexibilität, welche
von TRUMPF exemplarisch an
Hand eines Demonstrators aufgezeigt
wird (Bild 5). Auf ein geeignetes,
kostengünstiges Halbzeug (hier
ein Stahlrohr) werden generativ eine
Extruderwelle (Bild 5, unten 2.v.r.)
und ein Flansch (Bild 5, unten 1.v.l.)
aufgebracht. Zusätzlich wird ein
durch pulverbettbasiertes Schmelzen
hergestelltes schrägverzahntes
Zahnrad (Bild 5, oben 1.v.l.) mittels
Laserstrahlung angeschweißt. Die
interne Fachwerkstruktur erhöht
Bild 5: Laserbasierte Fertigungsverfahren
die Biegefestigkeit. Durch geregelte
Wärmebehandlung wird eine Randschichthärtung
– z.B. als Lauffläche für ein Zylinderrollenlager – erstellt (Bild 5, unten 2.v.l.). In Abhängigkeit
der Laserleistung und Ablenkbewegung des Scanners kann die Oberfläche strukturiert werden
(Bild 5, oben, mittig), so dass durch anschließendes anschmelzen eines Kunststoffs eine formschlüssige
Metall-Kunststoff Hybridverbindung entsteht. Reinigen und Markieren der Welle mit einem QR-Code (Bild
5, unten 1.v.r.) zur Kennzeichnung für Rückverfolgbarkeit schließen die Bearbeitung ab. Wie bereits beschrieben,
stehen die Daten der Laser-Bearbeitungsprozesse in Echtzeit zur Verfügung. Auch kann die
Laserstrahlung für alle Prozesse von derselben Laserstrahlquelle erzeugt werden. Dies schafft die Voraussetzungen
einer wandlungsfähigen Fabrik.
Die laserbasierten generativen Fertigungsverfahren sind derzeit stark mit der Einführung der I 4.0 verbunden,
da sowohl LMD wie auch LMF eine größtmögliche Designvielfalt und Individualisierbarkeit bieten
und nicht auf (komplizierte) Halbzeuge angewiesen sind. Die Bauteile werden direkt aus Datensätzen
erzeugt - dies erfordert detailliertes Prozessverständnis und CAx-Software mit spezifischen Funktionen
zur Erzeugung bionischer Konstruktionen, Waben und Gittern sowie Stützstrukturen. Neben dem Leichtbaupotential
und dem funktionellen Potential steht im Zusammenhang mit der I 4.0 das Produktionspotential
im Vordergrund. Die bedarfsnahe Fertigung, eine vollständig digitale Prozesskette und die Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit der Verfahren mit zunehmender Komplexität der Bauteile tragen zum Erreichen der
Ziele der I 4.0 bei. Ein weiteres Bindeglied stellt die zeitlich parallele Entwicklung zur Serienreife der I 4.0
Werkzeuge und der generativen Fertigungstechnologie dar.
Pulverbasierte generative Fertigungsverfahren (LMF, Laser Metal Fusion, Bild 6, links), haben sich
in der vergangenen Dekade in verschiedenen Anwendungsbereichen etabliert und stellen in einigen Industriebranchen
wie beispielsweise im Dentalbereich und der Medizintechnik mittlerweile ein gängiges
Herstellungsverfahren dar. In anderen Branchen bieten die Verfahren durch die einzigartigen Bauteileigenschaften
einen Mehrwert, so dass sie trotz der derzeit noch vergleichsweise großen Fertigungskosten
zur Verwendung kommen. Im Leichtbau, der Luft- und Raumfahrt oder dem Automobilbau sind
spezifische Bauteileigenschaften wie z.B. Hochtemperaturbeständigkeit erforderlich. Generativ gefertigte
Teile werden daher in Prototypen, als Ersatzteil oder mittlerweile auch in Kleinserie eingesetzt. Die Materialeigenschaften
lassen sich hierbei gezielt durch zeitliche Temperaturführung der Werkstoffe über eine
Vorheizung einstellen.
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Bild 6: pulverbasierte Fertigungsverfahren: LMF-Prozess (links) und LMD-Prozess (rechts)
Die Aufbaurate der generativen Fertigungsverfahren ist prinzipiell umso größer, je geringer die Anforderungen
an die Detailauflösung der Bauteilgeometrie ausfallen. Typischerweise sind aus dem Pulverbett Aufbauraten
von ca. 5-70 cm 3 pro Stunde und Strahlquelle erreichbar. Beim Laserauftragschweißen (LMD,
Laser Metal Deposition, Bild 6, rechts) mit Pulverzufuhr über Düsen an der Fokussieroptik werden hingegen
bis zu 10x größere Aufbauraten erzielt; typische Aufbautraten sind 5-500 cm 3 pro Stunde und Strahlquelle.
Das Laserauftragschweißen eignet sich im Gegensatz zum pulverbettbasierten Fertigungsverfahren
zum Reparieren und Instandsetzen von Bauteilen mit erhöhtem Materialverschleiß. Dadurch, dass
der Aufbau auf bestehende Bauteile möglich ist, kann der Laserauftragsscheißprozess zur Herstellung
von Baugruppen in Hybridbauweise auch in ein klassisches CNC-Bearbeitungszentrum integriert werden.
Beim LMD stehen große Auftragsraten und Reparaturen im Vordergrund (Tabelle 1), beim LMF hingegen
eine endkonturnahe Fertigung mit kleineren Form- und Lagetoleranzen. Hierbei werden Fokusdurchmesser
von 30 µm – 55 µm verwendet. Die Komplexität eines Bauteils, wie sie beispielsweise durch bionische,
ausgehöhlte Leichtbaustrukturen oder Kühlkanäle zustande kommt, kann ohne Zusatzaufwand integriert
werden, was unter dem Schlagwort „complexity for free“ [4] funktionalen Mehrwert ohne Mehrkosten bietet.
Tabelle 1: Vergleich der laserbasierten generativen Fertigungsverfahren LMD und LMF [5]
Auftragsrate
Laser Metal Deposition (LMD)
≤ 300 cm 3 /h (konventionell)
≤ 700 cm 3 /h (optimiert)
Laser Metal Fusion (LMF)
≤ 70 cm 3 /h
Rauheit Ra 10 – Ra 200 Ra 5 – Ra 10
Auflösung < 0,5 mm < 0,1 mm
Dimensionen Limitiert durch das Handling-System Limitiert durch die Prozesskammer
Substrate
Gekrümmte Substrate,
bereits gefertigte Komponenten
Plane Substrate
Schichtdicke 0,3 – 1,5 mm 0,02 - 0,1 mm
Schon heute kann eine Vielzahl von metallischen Legierungen generierend ohne Zusatzwerkstoffe verarbeitet
werden. Häufig zum Einsatz kommen Titan und Aluminium, verschiedene Stahlwerkstoffe und Legierungen
(Inconel, Kobalt- und Nickellegierungen, Edelstahl), aber auch Bauteile aus Edelmetallen und
Kupfer können grundsätzlich mit den pulverbasierten Verfahren aufgebaut werden. Über den geeigneten
Temperaturgang im Fertigungsprozess durch Vorheizen lassen sich gezielt die Gefügeeigenschaften der
Materialien einstellen.
Anders als bei zerspanenden und umformenden Fertigungsverfahren wird das Bauteil im pulverbettbasierten
generativen Verfahren in seiner endgültigen Form erstellt. Das CAD-Modell wird so 1:1 in eine
Bauteilgeometrie überführt, ohne dass mehrere Zerspanungs- oder Umformungsschritte in einer Fertigungsstrategie
erforderlich sind. Damit ist das Verfahren hervorragend geeignet zum Einsatz in der vernetzten
Fertigungslinie einer Smart Factory. Die generative Fertigung ist somit – neben den weiteren
Laserbasierten Fertigungsverfahren – ein Katalysator für die Einführung der Datensysteme, die charakteristisch
sind für Fertigung im Sinne der Industrie 4.0. Vom Design über die Einlastung und Ausführung der
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Fertigungsaufträge bis hin zur Qualitätssicherung lassen sich die Bauteile zu jedem Zeitpunkt datentechnisch
nachverfolgen. In Summe werden also durch vernetzte Maschinen zur Laser-Materialbearbeitung
der Produktion vor- und nachgelagerte Prozessschritte sowie Durchlaufzeiten und Individualisierungskosten
drastisch reduziert: ein integraler Bestandteil der Industrie 4.0.
4. Quellenangaben
[1] Bauernhansl, T. (Hrsg.); Müller, F. G.; Bressner, M.; Görzig, D.; Röber, T.: „Industrie 4.0: Entwicklungsfelder
für den Mittelstand“, Studie Fraunhofer IPA, Fraunhofer Verlag, Stuttgart (2016)
[2] Spath, D. (Hrsg.); Ganschar, O.; Gerlach, S.; Hämmerle, M.; Krause, T.; Schlund, S.: „Produktionsarbeit
der Zukunft – Industrie 4.0“ Studie Fraunhofer IAO, Fraunhofer Verlag, Stuttgart (2013), ISBN:
978-3-8396-0570-7
[3] Bauer, A: „Digital Photonic Production: Wissenschaft und Industrie gestalten die Zukunft der Produktionstechnik“,
Presseinformation des Fraunhofer ILT, 8. November 2012
[4] Hinke, C.: „Digital Photonic Production and Its Emerging Opportunities”, LIA Today 21 (2013), Nr.4,
S.14-16
[5] Brockmann, R.; Candel-Ruiz, A.; Kaufmann, S.; Müllerschön, O.: “Strategies for High Deposition Rate
Additive Manufacturing by Laser Metal Deposition”, Proc. ICALEO 2015 Conference, Paper 1305
Anmerkung: Allgemeine Definitionen und Informationen zum Thema I 4.0 sind in der Online-Bibliothek der
Plattform Industrie 4.0 der Bundesministerien für Wirtschaft und Energie sowie Bildung und Forschung
enthalten (http://www.plattform-i40.de/).
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Multirobot-Laserbearbeitung von Metallen und Kunstoffen
Reichl, T.
Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH, Jena
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