Reife von Metallprozessen

Metalltechnologien Reife von Metallprozessen

Reife von Metallprozessen

Wettlauf der Technologien

Die additive Metallfertigung wird häufig mit Laser- oder Electron Powder Bed Fusion in Verbindung gebracht. Allerdings gibt es heute mehr als 18 verschiedene Technologieprinzipien. Während sich einige dieser Prinzipien in einem frühen Entwicklungsstadium befinden, werden viele erfolgreich i industriellen Kontext eingesetzt oder es wird erwartet, dass sie eine nachhaltige Nische als Fertigungstechnologie finden werden.

Um beim Einsatz der additiven Metallfertigung erfolgreich zu sein, ist es äußerst wichtig, die richtige etablierte oder aufkommende Fertigungstechnologie auszuwählen. Daher bietet dieses Kapitel einen Überblick über kommende Technologieprinzipien und bewertet deren Potenzial.

Was Sie in diesem Abschnitt finden

Industrialisierungs- und Technologiereifeindex

Auswertung mit Reifeindex

Um die verschiedenen AM-Technologien zu bewerten, hat AMPOWER ein Modell zur Charakterisierung des Reifegrads einer Technologie der Additiven Fertigung entwickelt, das auf zwei Indizes basiert. Der Industrialisierungs-Reifegrad-Index und der Technologie-Reifegrad-Index beschreiben und vergleichen die Fähigkeiten und die Einführungsrate jeder AM-Technologie im industriellen Umfeld. Beide Indizes sind entscheidende Faktoren für die Bewertung des aktuellen Status jeder AM-Technologie.

Der Technologie-Reifegrad-Index bewertet die Prozessfähigkeit, Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit sowie implementierte Qualitätskontrollmaßnahmen.
Der Industrialisierungs-Reifegrad-Index bewertet die Lieferkette, die Materialverfügbarkeit, die installierte Systembasis, das öffentliche Wissen und die Forschung sowie die Standardisierung jeder Technologie.

Jede Kategorie wird entsprechend ihrer spezifischen Bedeutung gewichtet. Typischerweise steigt zunächst die technologische Reife und dann folgt die Industrialisierung. Eine detaillierte Beschreibung des aktuellen Reifegrads finden Sie im Deep Dive-Abschnitt für jede Technologie.

Technologien mit dem AM-Reifegradindex "Prototypsystem" befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium mit ausschließlich firmeneigenen Systemen oder stehen kurz vor ersten Systemen bei Beta-Kunden. Viele der Technologien in diesem Korridor sind proprietäre AM-Prinzipien oder wurden erst kürzlich veröffentlicht.

Bei einem Reifegrad von "Erstanwendung" findet die industrielle Integration statt, und die Anwender führen die Technologie in ihren F&E-Abteilungen ein, oder es werden Maschinen für Vorserienversuche bei Beta-Kunden aufgestellt.

Technologien mit dem Reifegrad "Industrielle Nutzung" stehen an der Schwelle zur vollständigen Industrialisierung. Technologien in diesem Bereich haben sich noch nicht in großem Umfang als serielle Fertigungstechnologie in mehreren Branchen durchgesetzt.

Um eine "weit verbreitete industrielle Nutzung" zu erreichen, muss die Technologie in mehreren Branchen als Produktionstechnologie für funktionale Endteile etabliert sein.

Aufgrund der industriellen Ausrichtung bewertet AMPOWER keine Technologien, die sich noch im Proof-of-Concept-Stadium befinden.

Laser Powder Bed Fusion

Technologiereifeindex: Very High

Reifegradindex der Industrialisierung: Very High

Laser Powder Bed Fusion steht nach wie vor an erster Stelle, sowohl was die technologische Reife als auch was die Verbreitung in der Industrie angeht. Der Einsatz von L-PBF für die Herstellung von Endteilen in sehr anspruchsvollen Branchen wie der Medizintechnik, der Luftfahrt und dem Energiesektor hat in den letzten fünf Jahren zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Maschinenhardware und der Prozesssicherheit geführt.

2022 war ein weiteres sehr erfolgreiches Jahr für chinesische L-PBF-Maschinenhersteller. Mit ihrer starken inländischen Positionierung, die ihre Verkaufsmengen stärkt, drängen die chinesischen Hersteller langsam auf die westlichen Märkte. Derzeit werden in Osteuropa vor allem kleinere Maschinen für Dental- und Industrieanwendungen installiert, die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung der Maschinentechnologie ermöglicht es ihnen jedoch, mit westlichen Anbietern zu konkurrieren. Auf der FORMNEXT 2022 stellten alle großen chinesischen Anbieter ihre Groß- und Multilaserplattformen vor und die ersten westeuropäischen Dienstleister haben Multilaser-Großformatplattformen von E-PLUS und FARSOON installiert und betonten, dass diese Systeme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Qualität mithalten können.

Der Trend zu immer größeren Baukammern setzte sich auch im vergangenen Jahr fort. Angetrieben durch großformatige Anwendungen aus der Raumfahrt-, Turbinen- und Energieindustrie sowie Skaleneffekte bei Systemen mit 8+ Lasern steigerten SLM SOLUTIONS und VELO ihr Verkaufsvolumen bei sehr großen Maschinen deutlich. Und mit der Veröffentlichung neuer Maschinen chinesischer Hersteller steigt die Zahl der Anbieter sehr großer (600+ mm) L-PBF-Systeme kontinuierlich. Derzeit übernimmt E-PLUS mit der Veröffentlichung des EP-M 1250 im Jahr 2022 den Spitzenreiter, der über eine Baukammer von 1250 x 1250 mm und 9 Laser verfügt. Parallel zu diesen Entwicklungen verbessern alle großen Maschinenhersteller kontinuierlich und schrittweise die Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit ihrer Maschinen.

In der letztjährigen Ausgabe des AMPOWER Reports wurde das Area-wise Laser Powder Bed Fusion in den AMPOWER Maturity Index aufgenommen. Das von SEURAT TECHNOLOGIES entwickelte Verfahren nutzt eine leistungsstarke, gepulste Laserquelle sowie eine komplexe Optik, um komplette Bereiche in einem Schuss aufzuschmelzen. Das Verfahren spiegelt das Prinzip der Area-wise Vat Polymerization wider und verspricht daher eine extrem hohe Produktivität. Seit ihrer Einführung konnte die Technologie ihren Industrialisierungsindex nur geringfügig steigern, erste Kunden konnten bereits Teile bestellen. Weiterentwicklungen zur Erreichung der maximalen Pulsrate und Laserleistung sind noch im Gange und werden zunehmend schwieriger, wenn die prognostizierten Schmelzraten erreicht werden sollen. Aufgrund der Komplexität und der extrem hohen Investitionskosten der Hochleistungslaserquelle und vor allem der benötigten optischen Komponenten ist es sehr wahrscheinlich, dass die Technologie auf absehbare Zeit nur für die Teilefertigung ohne externen Maschinenverkauf eingesetzt wird.

Electron Beam Powder Bed Fusion

Technologiereifeindex: Very High

Reifegradindex der Industrialisierung: Very High

Electron Powder Bed Fusion ist nach L-PBF die zweite Technologie, die im Jahr 2022 eine "weit verbreitete industrielle Nutzung" erreicht hat. Die in den letzten Jahren stetig wachsende Zahl von Maschinenherstellern bringt sowohl die technologischen Möglichkeiten als auch die angestrebten Anwendungen voran. Neben der seit langem etablierten Produktion in der Medizin- und Luftfahrtindustrie wird E-PBF zunehmend in der Öl- und Gasindustrie, der Raumfahrt und in industriellen Anwendungen eingesetzt. Die Maschinenkonzepte der neuen Markteintritte kombinieren die E-PBF-Vorteile der hohen Produktivität und stressfreien Produktion mit den typischen Laser-PBF-Eigenschaften des frei fließenden Pulvers und der hohen Auflösung. Darüber hinaus konzentrieren sie sich auf Hochgeschwindigkeits-Serienproduktionssysteme mit austauschbaren Prozesskammern, ähnlich wie bei den größeren, produktionsorientierten L-PBF-Maschinen.

Directed Energy Deposition

Technologiereifeindex: Very High

Reifegradindex der Industrialisierung: High

Bei den Powder Laser Energy Deposition Technologien gab es im vergangenen Jahr keine signifikante Neupositionierung im Maturity Index. Aufgrund des hohen technologischen Reifegrads und der etablierten Anbieterlandschaft hat sich Powder Laser ED für sehr spezifische Anwendungen etabliert. Die Technologie wird vor allem für die Reparatur und den Wiederaufbau verschlissener, kostspieliger Teile, z. B. Turbinenschaufelspitzen, eingesetzt und kämpft damit, weitere nicht beschichtete Bauteile in verschiedenen Branchen zu finden. Nach einem raschen Reifeprozess in den letzten Jahren hatte Wire Laser Energy Deposition im Jahr 2021 die Stufe der industriellen Nutzung" erreicht. Seitdem hat sich der Fortschritt deutlich verlangsamt, und derzeit konzentrieren sich Anbieter und Anwender darauf, den Sweet Spot zwischen Powder Laser- und Wire Arc ED-Technologie zu finden. Angesichts der Verfügbarkeit schlüsselfertiger Lösungen von Unternehmen wie MELTIO und MITSUBISHI ELECTRIC sowie mehrerer Prozesskopf- und Maschinenintegratoren, die Wire Laser Technologie anbieten, sind weitere Fortschritte in diesem Bereich in den kommenden Jahren sehr wahrscheinlich.

Im vergangenen Jahr haben beide Wire Arc Technologien den größten Sprung im Reifegradindex gemacht. Insbesondere die Veröffentlichung mehrerer Normen in der Schifffahrt und im Öl- und Gassektor hat dazu beigetragen, dass der Industrialisierungsindex für Wire Electric Arc Energy Deposition (Lichtbogenschweißen) im Jahr 2022 gestiegen ist. Darüber hinaus haben der starke Wettbewerb und die hohe Marktdynamik zwischen softwaregesteuerten Start-ups wie MX3D auf der einen Seite und etablierten Schweißgeräteherstellern wie LINCOLN ELECTRIC auf der anderen Seite den Erfolg der Wire Electric Arc-Technologien begünstigt. In ähnlicher Weise hat die Wire Plasma Arc Energy Deposition die letzten Qualifikationshürden für die zivile Luftfahrt im Jahr 2022 genommen. Dieser Erfolg in Verbindung mit der zunehmenden Nachfrage nach Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz wird den Wire Plasma Arc als Fertigungstechnologie für hochwertige Metallrohlinge aus Titan- und Nickellegierungen weiter etablieren.

Material Extrusion

Technologiereifeindex: High

Reifegradindex der Industrialisierung: High

Metall Filament Material Extrusion und Pellet Material Extrusion haben sich im vergangenen Jahr nicht wesentlich weiterentwickelt. Beide Technologien leiden unter den wissens- und investitionsintensiven Nachprozessen des Entbinderns und Sinterns. Die schwer einzuschätzende Schrumpfung und die wahrscheinliche Verformung während des Sinterprozesses erfordern umfangreiches Know-how und Simulationsfähigkeiten, um auf Anhieb richtige Metallteile herzustellen. Der gegenwärtig angewandte "Trial-and-Error"-Ansatz steht im Widerspruch zu dem Versprechen einer schnellen und effizienten Produktion von Teilen in kleinen Stückzahlen. Heute wird die Metall Filament Material Extrusion vor allem an Hochschulen und Forschungs- und Entwicklungsabteilungen verkauft, um die Technologie für die Herstellung von Werkzeugen oder Einzelteilen zu bewerten. Bei der Metall Pellet Extrusion gibt es aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Maschinen keine nennenswerten Verkaufszahlen. Die Aussicht auf extrem billiges, leicht verfügbares Ausgangsmaterial könnte der Technologie zu Fortschritten bei realen industriellen Anwendungen verhelfen, allerdings nur, wenn die gesamte Prozesskette von der Entwicklung und Simulation bis zum Sintern leicht zu beherrschen ist. Beide Technologien sehen sich jedoch einer zunehmenden Konkurrenz durch kostengünstige L-PBF-Systeme gegenüber und werden sich daher wahrscheinlich auf Werkzeuganwendungen und Materialien konzentrieren müssen, die nur durch Sintern verarbeitet werden können.

Binder Jetting

Technologiereifeindex: High

Reifegradindex der Industrialisierung: High

Binder Jetting erreichte im Jahr 2022 den Status der „industriellen Nutzung“. Die Technologie profitiert von den großen Entwicklungsanstrengungen von HP, GE ADDITIVE und DESKTOP METAL, um die Produktivität und Wiederholbarkeit des Prozesses zu steigern. Die wichtigsten Entwicklungen im Jahr 2022 waren der Markteintritt von GE ADDITIVE sowie die Übernahme von DIGITAL METAL durch MARKFORGED. Mit der Übernahme erweitert MARKFORED zusätzlich zu seiner Metal Filament ME-Technologie sein sinterbasiertes Technologieportfolio. Tier-1-Sinterlieferanten wie GKN, CUMMINS und INDO-MIM erhöhen langsam ihre Produktionskapazitäten und -kapazitäten in BJT, haben jedoch immer noch Schwierigkeiten, die Technologie auf einer breiteren industriellen Basis einzuführen. Es wird interessant sein zu sehen, wie schnell BJT diese Hürden überwinden und LPBF und E-PBF in den „breiten industriellen Einsatz“ folgen kann.

Die Technologie Hybrid Binder Jetting kombiniert den Binderauftrag zur Verfestigung und eine mechanische Spule zur Konturierung der Grünteile. 3DEO, der Erfinder der geschützten Technologie, konzentriert sein Geschäftsmodell auf die Herstellung von Teilen und nicht auf den Verkauf von Maschinen. Mit ihrem derzeit sehr konzentrierten Ansatz auf rostfreie Werkstoffe schreitet der Industrialisierungsindex stetig, aber langsam voran, obwohl die technologische Reife recht weit fortgeschritten ist und dem Binder Jetting in nichts nachsteht.