Additive Hybridbauweise schafft neue Funktionsbereiche auf herkömmlichen Komponenten

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Die MAN Energy Solutions SE und das Fraunhofer IGCV erkunden das Potential der additiven Fertigung im Großmotorenbau. MAN Energy Solutions und Fraunhofer IGCV sind Mitglieder der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA.

Die Stückzahlen sind gering. Der Anteil an thermisch und chemisch belasteten Sonderteilen ist hoch. Und Ersatzteile müssen jahrzehntelang verfügbar sein. All das macht den Großmotorenbau zu einem interessanten Einsatzfeld für Additive Manufacturing (AM).

Die Augsburger MAN Energy Solutions SE geht den Einsatzmöglichkeiten aktuell mit Unterstützung des benachbarten Fraunhofer-Instituts für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV auf den Grund. „Wir erarbeiten eine AM-Technologie-Roadmap für den Großmotorenbau, in der neben passenden Verfahren und erfolgsversprechenden Applikationen auch die organisatorischen Fragen des industriellen AM-Einsatzes im Fokus stehen“, berichtet Matthias Schneck, der in dem Projekt eine Doppelrolle innehat: Er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IGCV und zugleich bei MAN Energy Solutions in den Aufbau einer AM-Produktion involviert.

Auf Fraunhofer-Seite ist der Gruppenleiter für Additive Fertigung, Matthias Schmitt, die treibende Kraft. „Es geht um einen ganzheitlichen Blick auf die Potenziale und Herausforderungen. Viele Anwender haben beim Start in die Additive Fertigung nur technologische Fragen im Blick – und landen in einer Sackgasse“, erklärt er. Diesen Fehler soll der Großmotorenbau nicht wiederholen. Darum stellen die Forscher zunächst die Frage der Wirtschaftlichkeit ins Zentrum. Gesucht sind Motorkomponenten, bei denen AM Mehrwerte verspricht, sei es in Form von Funktionsvorteilen, höherer Zuverlässigkeit und Lebensdauer oder reduzierten Materialkosten.

Diese Bauteile gilt es, kosteneffizient zu fertigen. „AM ist gegenüber der spanenden Bearbeitung und Gussverfahren kostenintensiv. Daher liegt unser Augenmerk auf hybriden Verfahren“, sagt Schneck, „um mithilfe additiver Verfahren Funktionsbereiche auf konventionell hergestellte Grundkörper zu applizieren“. Dieses Vorgehen reduziere das AM-Bauvolumen und damit die Stückkosten.

Die Forscher betrachten zudem verschiedene metallische AM-Verfahren wie das schnelle Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), das Laserauftragsschweißen oder das Laserstrahlschmelzen im Pulverbett. Um hybrid zu fertigen, gilt es, die konventionell hergestellten Grundkörper exakt im Bauraum zu positionieren. Denn Kühlkanäle und andere Strukturen müssen exakt anschließen, so dass sich beispielsweise Bohrungen im Grundkörper nahtlos im additiv gefertigten Funktionsbereich fortsetzen und dort konturnah verästeln, wo hohe thermische Belastung im Motorbetrieb auftritt. Ein Lösungsansatz des Projekts ist ein formflexibles Spannsystem für die variierenden Grundkörper.

Ziel der Roadmap ist es, das technologische Potenzial additiver Verfahren auszuschöpfen – ohne die Produktivität und die Kosten aus dem Blick zu verlieren. Etwa, wenn der Einsatz unterschiedlicher Materialien gefragt ist. In diesem Fall geht es um optimale Verbindungen an den Grenzflächen, aber auch um die gezieltere additive Applikation besonders korrosionsbeständiger Funktionsschichten aus teuren Werkstoffen, wo sie nötig sind.

Applikationen sehen Schneck und Schmitt in komplexen Komponenten, im Ersatzteilbereich und in der additiven Reparatur verschlissener Motorenbereiche. „Indem wir nur Funktionsbereiche mit komplexen Geometrien und aus teuren Werkstoffen additiv fertigen, können wir die Gesamtkosten reduzieren – ohne auf die Vorteile wie Designfreiheit, Variantenvielfalt und Individualisierbarkeit zu verzichten“, so Schmitt.

Vielfältige Auswirkungen auf organisatorischer Ebene

Bei typischen Motorenlaufzeiten von 30 bis 40 Jahren oft im 24/7-Betrieb zählen Zuverlässigkeit und schnelle Ersatzteillieferung. Ideal wäre es, Ersatzteillager durch additive Fertigung kleiner Losgrößen zu ersetzen. Zugleich wäre es im Energiebereich wünschenswert, flexibler auf die fortschreitende Regulierung und schnellere Innovationszyklen reagieren zu können. „Mit AM ist das möglich, wenn die Bereitschaft dazu besteht und die organisatorische Einbindung trägt“, so Schneck. Das Spektrum reiche vom Aufbau und der Weitergabe internen Know-hows, über gut begründete Entscheidungen eines Make or Buy der AM-Fertigung bis zur Bereitschaft zu enger Zusammenarbeit von Konstruktion, Werkstoffentwicklung und Fertigung – oder zur Frage der Abnahme additiv gefertigter Bauteile durch Versicherer im maritimen Bereich. „Am Anfang sind ein oder zwei AM-Spezialisten ausreichend, aber auf Dauer müssen Anwender dafür sorgen, dass das Wissen um die Potenziale und Kosten additiver und hybrider Fertigungsverfahren in der Breite ankommt“, mahnt er.