Lightway sichert mit einem 3D-Scanner die Qualität additiv gefertigter Bauteile

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  • Pascal Schäfer richtet den 3D-Sensor Zeiss Comet ein. Für ihn ist das gesamte System „ausgesprochen einfach zu handeln und sehr intuitiv“.
  • Für Thomas Hilger, geschäftsführender Gesellschafter von Lightway, ist die additive Fertigung kein Ersatz, sondern eine sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Verfahren.
  • Das aus Titan gedruckte Roboter-Sprunggelenk auf dem Drehtisch des Zeiss-Systems

Die von den Wirtschaftsstrategen erwarteten Wachstumsraten im industriellen 3D-Druck sind beeindruckend. Dass dies keine leeren Annahmen sind, belegt die in Niederzissen beheimatete Lightway GmbH & Co. KG. Das junge Unternehmen verdreifachte 2018 seinen Umsatz als Fullservice-Partner für 3D-Metalldruck. Eine Leistung, die auch auf den hohen Qualitätsanspruch der Firmengründer zurückgeht.

Metallsintern fast ohne Stützstrukturen? Thomas Hilger, geschäftsführender Gesellschafter der Lightway GmbH & Co. KG weiß, wie es geht. Er hat sich so tief in die Materie eingearbeitet, dass er derart fertigungsoptimierte Teile konstruieren und in hoher Qualität drucken kann. Zum Beweis hält er ein fingerkuppengroßes Aluminiumteil hoch, das an einen Blumenkelch voller ineinandergeschlungener Fäden erinnert.
Ohne Stützstrukturen, die laut Hilger eigentlich Ankerstrukturen heißen müssten, weil sie den Verzug des Bauteils während des selektiven Laserschmelzens verhindern sollen, lassen sich erfahrungsgemäß gut zehn Prozent des eingesetzten, teuren Metallpulvers einsparen. Zudem entfällt das nachträgliche Ablösen der Strukturen, was wiederum den Zeit- und Geldeinsatz senkt. Und ein durch die Nachbearbeitung bedingter Verzug entfällt damit ebenso.

Frei für neue Formen

Noch ist die konsequente Fertigungsoptimierung der Bauteile jedoch nicht die Regel, so Hilger. Das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, Abk. SLM) ist noch jung und nicht jeder Kunde weiß, wo die Chancen bzw. die Herausforderungen liegen. Deshalb flattern Lightway immer wieder auch Anfragen ins Haus, die die Druckkosten für ein bisher gefrästes Teil eruieren wollen.
Das rechnet sich jedoch fast nie, erklärt der Jungunternehmer, der die „additive Fertigung nicht als Ersatz, sondern als sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Verfahren“ begreift. Folgerichtig bietet die junge Firma ihren Kunden zudem an, Teile komplett zu fräsen bzw. gedruckte Teile mit diesem Verfahren weiter zu bearbeiten. Die Hauptvorteile der additiven Fertigung sieht er dabei „neben der schnellen Umsetzung vom CAD zum Funktionsbauteil in der großen Gestaltungsfreiheit“.
Um seine Aussage zu untermauern, hält Hilger ein von Lightway konstruiertes und gedrucktes Lüftungsteil für einen Rechner neben die herkömmliche Lösung.

Der Unterschied ist gravierend. Anstatt vier ca. zehn Zentimeter hohe Aluminiumteile verbauen zu müssen, die die Wärme der Prozessoren ableiten, reichen dem Kunden heute zwei oder drei zusammensetzbare, vier Zentimeter hohe und zwanzig Zentimeter lange „Lüftungsschlangen“. Im Inneren dieser Kühlelemente befinden sich die fächerförmig angeordneten Lamellen. Ein Teil, das sich mit herkömmlichen Methoden nicht im Ansatz so fertigen ließe.
Der große Vorteil für den Kunden ist laut Hilger aber nicht die Materialeinsparung und das kleinere Bauvolumen. „Was ihn wirklich begeistert, ist die Ausfallsicherheit“, so der 32-Jährige. Denn in der Vergangenheit musste der Kunde aufgrund von Überhitzungen und damit verbundenen Ausfällen Serviceeinsätze realisieren, welche sehr kostenintensiv sind. Vor allem, wenn die Kunden wie in diesem Fall im weit entfernten in Dubai beheimatet sind.

Qualitätssicherung ist unabdingbar

Damit die Teile halten, was sie versprechen, setzt Hilger auf Qualität. Kontrollen, Protokolle, Auswertungen – alles kein Neuland für den Unternehmer, der als Angestellter mehrere Jahre in der Qualitätskontrolle eines Unternehmens der Luft- und Raumfahrtbranche arbeitete. Und weil der Unternehmer weiß, dass die Qualität letztlich von den Handlungen eines jeden Mitarbeiters abhängt, prangt auf einem Spiegel in der Fertigung gut lesbar die Frage: „Wer ist für die Qualität verantwortlich?“
Qualitätskontrollen sind für den gelernten Maschinenbautechniker daher auch „nie ein wegzurationalisierender Kostenblock oder eine zeitfressende Zwangsaufgabe“, sondern das „Fundament unserer Arbeit“. Eine Haltung, die sich auch in seinen Angeboten niederschlägt. Die Aufwände für die Qualitätskontrollen weist Lightway meist nicht gesondert aus. „Qualitätsprüfungen gehören untrennbar zum additiven Fertigungsprozess, darüber diskutieren wir nicht.“
Eine Strategie, die den Erfolg des Unternehmens mitbegründet, das neben Prototypen auch Vorserienbauteile oder einzelne Maschinenbaukomponenten fertigt. „Nach jeder Qualitätsprüfung wissen wir mehr über unsere Fertigungsprozesse, das macht uns immer besser.“ Eingehen will er auf seine Lernkurven aus Wettbewerbsgründen nicht. Einen Drucker mit Pulver befüllen und den Startknopf drücken, bringt jedenfalls nicht die gewünschten Ergebnisse, so viel steht fest.
Am Ende spricht Hilger dann von rund 180 Parametern, die den 3D-Druck beeinflussen. Um es etwas fassbarer zu machen, nennt er als Stellschrauben die Korngröße, die Korngeometrie, den Gasstrom und die Laserleistung. Denn beim selektiven Laserschmelzen wird das jeweilige Metallpulver über den gesamten Druckprozess hinweg gleichmäßig auf einer Grundplatte aufgebracht und dann den CAD-Daten entsprechend mittels Laserstrahlung Punkt für Punkt umgeschmolzen. „Wir können Bauteile mit einer Dichte von 99,8 Prozent und einer Toleranzbreite von 0,1 mm je nach Bauteilgeometrie fertigen“, betont Hilger sichtbar stolz.

Wissen für den Druck

Know-how, das Hilger und Pascal Schäfer, ebenfalls geschäftsführender Gesellschafter, über Jahre hinweg aufbauten. Noch vor 2016, dem Jahr ihrer Firmengründung, investierten sie dafür viel, sehr viel Zeit. Bis zu 14 Stunden am Tag beschäftigten sie sich an Wochenenden mit dem Verfahren, das sie von Anfang an faszinierte. Und so konstruierten sie noch als Angestellte ohne konkreten Plan, sich selbstständig zu machen, einfach aus Wissbegier komplexe Teile und druckten diese mit einem Kunststoffdrucker aus.
Die beiden waren so überzeugt von den Chancen des Verfahrens, dass sie sich 2016 selbstständig machten. Früher hätten sie den Schritt nicht gewagt, so Hilger. Aber mit der heutigen Gerätegeneration an Druckern lassen sich Teile für den industriellen Einsatz stabil fertigen.
Die Relevanz des Metalldrucks für Fertigungsunternehmen erkennen laut Hilger zunehmend auch die Messlösungshersteller. An Zeiss schätzt der Unternehmer, dass „sie das breiteste Portfolio an Lösungen bieten“. Vom Elektronenmikroskop über den 3D-Scanner bis hin zum Computertomografen „mit Zeiss Lösungen kann die Qualität der Teile vor bzw. nach jedem Fertigungsschritt überwacht werden“.
Diese Gerätevielfalt und die entsprechenden Softwarelösungen sind für Hilger daher „ein großer Pluspunkt“. Derzeit arbeitet er mit der 3D Scanning Software Zeiss colin3D und der Messsoftware Calypso, mit der sich Regelgeometrien „einfach, schnell und verlässlich messen lassen“. Noch wertet er seine Messdaten zwar nicht in der Software Zeiss PiWeb aus“. Aber seine Umsetzung in Excel, seine jetzige Lösung, steht schon auf dem Prüfstand. „Zu fehleranfällig“, so sein Fazit.

Schnelle Rückmeldungen

Bis Anfang 2018 ließ Lightway seine Qualitätsprüfungen ausschließlich durch externe Messdienstleister erbringen. Doch bevor die Ergebnisse vorlagen, ging meist eine Woche ins Land. Um schnellere Rückmeldungen zu erhalten, investierte das in Niederzissen bei Bonn sitzende Unternehmen in den 3D-Scanner Zeiss Comet.
Wie schnell und präzise er damit arbeitet, demonstriert Hilger am Beispiel des aus Titan gedruckten Sprunggelenkes für einen Roboter der TU München. Das Zeiss System basiert auf einem Streifenprojektionsverfahren mit Phasen-Shift, welches strukturiertes Licht auf das faustgroße Metallteil projiziert. Die durch die Topografie des Scan-Objektes verursachte Abweichung vom erwarteten Muster hält eine Kamera fest. Auf Basis des sogenannten Triangulationsverfahrens berechnet die Software dann Pixel für Pixel den Abstand der Kamera zum Objekt. Als Ergebnis erscheint ein virtuelles 3D-Modell des Gelenkes am Bildschirm.
Um Abweichungen bzw. Toleranzüberschreitungen zu erkennen, vergleicht Hilger dieses mit dem CAD-Modell. Hätte sich das Bauteil beim Druck oder bei der Ablösung von der Druckplatte verzogen, der 32-Jährige hätte es hier am Bildschirm gesehen. Denn das Comet System liefert mit einer Längenmessabweichung von bis zu 20 µm blitzschnell eine exzellente Datenqualität und damit hochgenaue Messergebnisse. Wissen, das „uns hilft, eine gleichbleibend hohe Qualität zu konkurrenzfähigen Preisen zu bieten“, so Hilger. Diese Leistung spricht sich zunehmend herum.

Optimierter Druck durch Anpassung des CAD-Modells

Gut hundert Kunden umfasst die Kundenkartei des jungen Unternehmens bereits. Mit 15 Firmen verbindet Lightway eine regelmäßige Zusammenarbeit. Einer dieser Kunden, die häufig mit Hilger bzw. dem Lightway-Team arbeiten, ist ein Automobil OEM Zulieferer. In den letzten Wochen druckten sie für diesen Kunden mehrere ungefähr 30 Zentimeter breite und 25 Zentimeter hohe Aluminiumteile.
Welche Funktion die später im Druckguss-Verfahren hergestellten Serienteile im Fahrzeug übernehmen, darf er aufgrund von Geheimhaltungsvorgaben nicht erklären. Doch an diesem Bauteil lässt sich gut verstehen, warum sie den 3D-Scanner über die reine Qualitätskontrolle hinaus brauchen.
Da der Kunde damit in der Vorserie prüfen kann, ob Spritzgussteile haargenau in die beiden Öffnungen passen, sind die Anforderungen an die Maßhaltigkeit sehr hoch. Dank des Scans konnte Lightway die druckbedingten Abweichungen in das CAD-Modell invertieren. „So hatten wir sehr schnell ein perfektes Druckergebnis“, sagt Hilger.

Interne Messungen favorisiert

Der 3D-Scanner von Zeiss ist für den Jungunternehmer jedoch nur der Anfang ihrer internen Qualitätsprüfung. Im kommenden Jahr wird er auch mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) arbeiten.
Denn auch wenn sich mit dem Scan ein Großteil der Bauteilmerkmale prüfen lassen, an optisch unzugänglichen Stellen ist eine Auswertung aufgrund der Verschattung nicht möglich. Für solche Bereiche ist der Einsatz eines KMG empfehlenswert. Für Hilger steht zwar noch nicht fest, für welches KMG er sich entscheiden wird, aber Zeiss als Anbieter ist gesetzt. Die Entscheidung für Zeiss hat neben der Qualität der Messgeräte für den wissbegierigen Unternehmer auch viel damit zu tun, dass „ich bereits als Angestellter mit dem Service und der Zuverlässigkeit von Zeiss sehr zufrieden war“.
Doch nicht nur ein KMG steht auf der Investitionsliste von Lightway. Angesichts der guten Auftragslage werden sie einen dritten 3D-Drucker kaufen. Einen, der für die industrielle Serie konzipiert wurde und mit mehreren Lasern arbeitet, wodurch sich die jetzige Aufbauzeit der Drucker laut Hilger halbieren dürfte.
Alles Investitionen, die „uns noch besser machen“, freut sich der junge Firmeninhaber. Und weil die Wirtschaftsdaten hervorragend sind, baut Lightway im kommenden Jahr eine neue Produktionshalle mit gut 1.200 Quadratmetern Fläche. In der Mitte der Halle – sozusagen im Zentrum – wird er die Qualitätssicherung positionieren.

Einen Partner an der Seite

Ob er zukünftig auch intern die Pulverqualität mit einem Elektronenmikroskop sichert, hängt stark von ihrem Wachstum ab. Lohnen würde sich die Investition unter bestimmten Annahmen sicher. Denn ohne Pulverprüfung druckt Lightway keine qualitätsrelevanten Teile.
Mindestens drei Proben aus jeder Pulvercharge werden derzeit von einem Labor hinsichtlich Korngröße, Korngrößenanteile etc. untersucht. Für welche Bauteile er es dann einsetzt, hängt von den Kundenspezifikationen für das Bauteil ab.
Deshalb will bzw. muss Hilger im Vorfeld von seinen Kunden sehr genau wissen, welche Funktionen das Teil später übernimmt. Die für das Bauteil definierten Eigenschaften validiert Lightway dann u. a. über ein Schliffbild oder über Zugversuche der mitgedruckten Prüfkörper. Bei einer mechanischen Beanspruchung lässt das Unternehmen zudem direkt nach dem Druck oder nach der Ablösung von der Druckplatte oder auch nach der Wärmebehandlung die Teile mittels Computertomografen auf Lunker und Risse prüfen. Ausgeschlossen ist für die innovative Firma daher nicht, „zukünftig auch vor Ort mit einem Computertomografen zu arbeiten“. Aber die Investitionen müssen sich rechnen.
„Wenn wir wachsen, wachsen wir in der Qualitätssicherung mit Zeiss“, ist sich Hilger sicher, der mittlerweile als Dozent an verschiedenen Fachhochschulen Ingenieurstudenten die Möglichkeiten des SLM-Verfahrens aufzeigt. Für Zeiss spricht neben einem für die additive Fertigung adäquaten Geräteportfolio auch „das umfangreiche messtechnische Wissen, das uns hilft, unsere Prozesse zu optimieren“. Für seinen Bereich fällt Hilger dabei spontan die Zeiss Grafik zur Qualitätssicherung in der additiven Fertigung ein, die zu jedem Prozessschritt die passenden Messgeräte zuordnet. „Das zeigt, wie tief Zeiss die Herausforderungen der additiven Fertigung versteht“, so Hilger.
„Ausgesprochen froh“ ist er deshalb, dass „wir bei Messproblemen ganz schnell in Köln, im Metrology Center von Zeiss, sind“. Dabei geht es ihm nicht nur um die Qualitätssicherung an sich. Er will vor allem so viel Wissen wie möglich gewinnen, um bereits in der Konstruktion potenzielle Fehler vermeiden zu können. „Dabei hilft uns Zeiss enorm.“

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