Additive Manufacturing: 
4. industrielle Revolution
Text: Rainer Klose / Bild: Trumpf GmbH + Co. KG
D
ie nächste industrielle Revolution steht vor der Tür: Sie nennt sich «Industrie 4.0» und soll die Produktionsmethoden in den Industrieländern tiefgreifend verändern. Der Entwicklungssprung wird ähnlich dramatisch sein wie bei den drei industriellen Revolutionen der Vergangenheit: der Mechanisierung mit Wasser- und Dampfkraft im 19. Jahrhundert – der Massenproduktion an Henry Fords Fliessband ab 1915 – dem Einsatz von Elektronik und IT ab den 1970er-Jahren. 
«Industrie 4.0» wird nach Einschätzung von Experten die Verschmelzung von virtuellen Daten mit realen Produktionsmaschinen sein. In einer so entstehenden «intelligenten Fabrik» rücken Kunde und Lieferant näher zusammen: Produktionsaufträge werden vom Kunden direkt an die Maschine geschickt, die Produktionsdaten in Echtzeit an den Vertriebspartner übermittelt. Die Produktion wird schlanker und schneller.

Additive Manufacturing – 3-D-Druck in Metall
Ein wesentlicher Baustein zur Verwirklichung von «Industrie 4.0» sind Maschinen, die Bauteile schneller, flexibler und präziser fertigen können als bisher. Weniger Prototypenbau, weniger Gusswerkzeuge, weniger Nachbearbeitung. Aus Daten müssen in Zukunft schneller Bauteile und Produkte werden. 
Eine Vorstellung von dieser Art Produktion liefern 3-D-Drucker. Die ersten dieser Apparate wurden in den 1980er-Jahren erfunden; heute gibt es bereits Hobbygeräte für unter 700 Franken zu kaufen. Doch bislang produzierten 3-D-Drucker meist Objekte aus Kunststoff. Entsprechend begrenzt sind die mechanischen Eigenschaften und die Temperaturstabilität dieser Objekte, weshalb sie überwiegend zu Anschauungszwecken, also als Modelle verwendet werden. Deshalb wird der 3-D-Druck oft mit dem Synonym «Rapid Prototyping» umschrieben. Für die nächste industrielle Revolution muss die Technik des 3-D-Drucks einen Schritt weiter gehen: vom Rapid Prototyping zum «Advanced Manufacturing», dem Herstellen von dauerhaften, funktionellen Bauteilen mit definierten mechanischen und thermischen Eigenschaften: Produkte aus Metallen oder Keramiken.
 
Die Schweiz wird den Zug nicht verpassen
In der strategischen Planung des ETH-Rats für den ETH-Bereich für 2017 bis 2020 sind im Rahmen des Fokusbereichs «Fortgeschrittene Produktionsverfahren» Investitionen von insgesamt 10 Millionen Franken in Immobilien, neue Professuren und Technologieplattformen vorgesehen. Als Koordinator für diesen Fokusbereich hat der Rat Empa-Direktor Gian-Luca Bona beauftragt. Er soll die interdisziplinären Forschungsaktivitäten von ETH Zürich, EPF Lausanne, dem PSI und der Empa miteinander abstimmen. 
In diesem Heft stellen wir die Herausforderungen vor, die es bei der Entwicklung von 3-D-Druck von Metallteilen zu meistern gilt – und die bedeutenden Chancen, die diese Technologie eröffnet. Die Empa arbeitet mit drei Forschungsgruppen an diesem Thema. Eine Gruppe untersucht die optimierte Anwendung von Lasern; eine erforscht neuartige Legierungen, die mit dieser Technologie erstmals greifbar werden. Eine weitere Abteilung nutzt Additive Manufacturing zum Bau neuer geometrischer Formen, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden bisher nicht möglich waren.

3-D-Druck mit Laser und Metallpulver
Beim Metallaufbau mittels Laser (Laser direct Metal Deposition, LMD) 
verschmelzen Metallpartikel im Fokusbereich eines Laserstahls. 
Ein Werkstück aus massivem Metall entsteht, ohne Gussform und 
Fräsmaschinen, nur aus CAD-Daten.