Photonische Prozessketten – eine neue Epoche in der Produktion

Vivaldi erklingt von einer gedruckten Geige – es war wahre Zukunftsmusik, mit der die Geigerin Martha Cohen auf der Münchener Lasermesse 2011 die Vorstellung des neuen BMBF-Programms „Photonik Forschung Deutschland“ eröffnete. Gespielt auf einer Geige, die von der Münchner Firma EOS mit einem 3D-Laserdrucker hergestellt wurde.

Gedruckte Fahrräder, Spielfiguren oder Bioimplantate wie Knorpel – nichts scheint mehr unmöglich Dank der neuen additiven Fertigungsverfahren, bei denen das Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird. Selbstverständlich und regelmäßig werden heute bereits individualisierte Produkte wie Zahnprothesen oder Formteile für Hörgeräte mit diesen Verfahren hergestellt. Es ist die Geschichte einer neuen Epoche der industriellen Produktionstechnik. Rund um den Globus wird bereits von einer industriellen Revolution gesprochen – Die Photonik ist hierbei eine der treibenden Kräfte.

Bei den zukünftigen Ansprüchen des Marktes an produzierende Unternehmen zeichnen sich zwei Trends ab. Zum einen fordern Kunden immer komplexere Produkte zu möglichst niedrigen Preisen. Kurze Produktzyklen und hoher Variantenreichtum erfordern eine hochflexible Fertigung. Ein weiterer Trend liegt in der zunehmenden Einbindung des Kunden in die Entwicklung individueller Bauteile, die „auf Knopfdruck“ produziert werden. Im Idealfall legt der Kunde das eigene Design mittels geeigneter Software fest, um es dann bei einem Dienstleister per Datenleitung in kürzester Zeit an einem beliebigen Ort auf der Welt fertigen zu lassen.

Beide Trends verlangen eine enge Verkettung aller Schritte der Produktentstehung, von Konstruktion und Design über die Materialauswahl bis hin zu intelligenten und flexiblen Produktionsverfahren, die energieeffizient und im Idealfall unabhängig von Komplexitätsgrad und Losgröße wirtschaftlich sind. Gleichzeitig muss der Weg von den ggf. beim Kunden entstehenden digitalen Daten zum fertigen Produkt möglichst kurz werden.

Photonische Werkzeuge: „Complexity for free, Individualization for free“

Additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Laserdrucker sind derzeit ein besonders prominentes Beispiel für die neuen Möglichkeiten, die der photonische Werkzeugkasten in der Produktion eröffnet. Sie wirken hier gedanklich wie ein Katalysator für die nächste Generation der Produktion.

Der 3D-Laserdrucker wird sein Potenzial zunächst in industriellen Prozessen ausspielen. Schon heute ermöglicht er die schnelle Herstellung von 3D-Prototypen. Er verkürzt den Weg von der Idee zum Produkt. Oder er ermöglicht die Produktion von Spezialanfertigungen z.B. für die Luftfahrtindustrie. Hier lassen sich erstmals äußerst komplex strukturierte, aber dadurch viel leichtere Konstruktionselemente herstellen. Der 3D-Laserdrucker schafft neue Wettbewerbsvorteile.

Doch das Potential der Photonik reicht weit darüber hinaus. Die berührungsfreien, hochflexiblen und verschleißfrei arbeitenden Prüf- und Fertigungsverfahren der Photonik sind erste Wahl, wenn es darum geht, den zukünftigen Anforderungen an Produktionsprozesse zu entsprechen. Ohne Werkzeugwechsel können mit photonischen Werkzeugen unterschiedlichste Formen flexibel von Stück zu Stück umgesetzt werden – die Massenfertigung individualisierter und komplexer Produkte wird so möglich.

Von Insellösungen zu neuen photonischen Prozessketten

Der Weg ist noch weit, die Vision dieser Verfahren jedoch deutlich aufgezeichnet. Um das Potenzial photonischer Werkzeuge für die moderne Produktion vollständig nutzen zu können, darf man die Fertigung eines Produkts nicht nur in ihren einzelnen Schritten begreifen, sondern muss die Gesamtheit der Verfahren in der vollständigen Prozesskette betrachten. Für die Photonik bedeutet dies, dass der nächste Schritt von Insellösungen zu kompletten, neuartigen photonischen Prozessketten führen muss.

Insbesondere für additive Herstellungsverfahren müssen die bislang eingeschränkte Werkstoffpalette verbreitert sowie Werkstoffe auf Prozesse und Anwendungen hin optimiert werden.

Durch die Kombination verschiedener Werkstoffe zu einem Werkstoff‐Hybrid oder die gezielte Modifikation des Werkstoffs ermöglichen laserbasierte Fügeverfahren und Strukturierungstechniken eine optimale Anpassung der Bauteileigenschaften an die Nutzungsanforderungen. Adaptive, selbstoptimierende Fertigungs- und Anlagenkonzepte auf der Basis von intelligenten Lasernetzwerken und optischen Sensor‐ und Regelsystemen steigern die Flexibilität der Produktionsinfrastruktur, reduzieren die time‐to-market und bieten Potenziale für eine Null‐Fehler‐Produktion.

Dabei ist die Kopplung einzelner photonischer Verfahren untereinander ebenso von Bedeutung wie deren Schnittstellen zu anderen Fertigungsverfahren. Künftig könnten Laserbearbeitungsmaschinen sogar als sogenannte Social Machines etwa durch Lernerfahrung die besten Parameter für die Bearbeitung bestimmter Werkstoffe erkennen und diese Parametersätze mit den anderen vernetzten Maschinen teilen.

BMBF stellt Fördergelder in Höhe von 30 Millionen Euro bereit

Weltweit ist ein globales Wettrennen um innovative Fertigungsverfahren entbrannt. Auch der US-amerikanische Präsident Barack Obama verkündete in seiner Rede zur Lage der Nation die Intensivierung der Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet des 3D-Drucks. Und auch in China sind intensive Forschungsaktivitäten zu beobachten. Meldungen über den Druck von großen Flugzeugteilen aus Titanlegierungen lassen aufhorchen.

In Deutschland hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) bereits in der Vergangenheit die technischen Grundlagen der Laser- und Messtechnologie und deren Anwendungen systematisch aufgebaut, dies in engem Schulterschluss zwischen Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Deutschland ist heute Weltmarktführer.

Mit der nun gestarteten Förderinitiative „Photonische Prozessketten“ treibt das BMBF gemeinsam mit der Branche die intelligente Verkettung photonbasierter Fertigungsprozesse mit vor- und nachgelagerten Produktplanungsprozessen zur flexiblen Fertigung individualisierter oder komplexer Produkte voran. Das BMBF stellt dafür Fördergelder in Höhe von rund 30 Millionen Euro zur Verfügung.

Darüber hinaus unterstützt das BMBF mit dem Förderprogramm Photonik Forschung Deutschland von Anfang an die Schaffung günstiger Rahmenbedingungen für die Branche. So initiierte das Ministerium im November 2011 auf der EuroMold in Frankfurt ein zweitägiges Symposium für die Anwender dieser Werkzeuge: Werkzeug- und Formenbauer, Automobilzulieferer und –hersteller, medizintechnische Unternehmen, Turbomaschinen- und Flugzeugindustrie, Lasersystemhersteller, Softwareentwickler bis hin zum Rapid Manufacturing für Jedermann.

Gleichzeitig adressiert das BMBF mit der neuen Initiative „Make Light“ das Open Innovation-Potenzial dieser neuen Technologien und spricht den Nachwuchs für die Branche an. So können heute bereits Berufsschüler selbstständig 3D-Scanner bauen, Lasercutter bedienen und den Umgang mit einfachen 3D-Druckern erlernen.

Ihr Ansprechpartner für die Bekanntmachung:

Dr. Jörg Baier
VDI Technologiezentrum GmbH
Projektträger des Bundesministeriums für Bildung und Forschung
VDI-Platz 1
40468 Düsseldorf
E-Mail: baier@vdi.de
Telefon: +49 (0)211 6214-569