3D-Druck Additive Fertigung mit Laser für höchste Präzision

In Zeiten von Losgrösse eins rückt die additive Fertigung immer stärker in den Fokus. Ein Gespräch mit Stefan Kaierle, Leiter des Geschäftsfeldes additive Fertigung beim Forschungsinstitut Laser Zentrum Hannover e. V (LZH).

Herr Kaierle, was macht das Laser Zentrum Hannover im Allgemeinen und Ihre Abteilung im Speziellen?

Wir haben derzeit insgesamt sechs Fachabteilungen am LZH, die drei Hauptforschungsgebiete abdecken: optische Produktionstechnologien, optische Komponenten und Systeme sowie biomedizinische Fotonik. Meine Abteilung Werkstoff- und Prozesstechnik beschäftigt sich mit fast allen Fragen der Metallbearbeitung im optischen Bereich, und dazu gehört auch ein grosser Teil der additiven Fertigung. Wir haben jedoch vor Kurzem entschieden, am LZH Geschäftsfelder einzuführen. Eines davon, für das ich verantwortlich bin, beschäftigt sich mit der additiven Fertigung. Das Geschäftsfeld Additive Fertigung umfasst etwa 15 Personen, die Studenten nicht mitgerechnet.

Wie lang sind Sie schon am LZH, und woher kommen Sie?

Ich bin seit 2012 in Hannover am Laser Zentrum. Ich habe in Aachen an der RWTH Aachen studiert und am Lehrstuhl für Lasertechnik promoviert. Nach der Promotion war ich über zehn Jahre am Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT tätig. Danach habe ich die ausserordentlich spannende Aufgabe am LZH übernommen.

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Ist die Hauptaufgabe des LZH der Wissenstransfer zwischen Universität und Industrie?

Wir sehen uns als Brücke zwischen der Grundlagenforschung, die ja häufig an Universitäten stattfindet, und der Anwendung in den Unternehmen. Wir sind ein unabhängiges Forschungsinstitut, das sehr eng mit der Leibniz Universität in Hannover zusammenarbeitet und aus der Universität als Spin-off dreier verschiedener Institute hervorgegangen ist. Das war zum einen das Institut für Quantenoptik des Fachbereichs Physik. Zum anderen waren es zwei Institute für Maschinenbau, nämlich das für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen sowie das für Werkstoffkunde. Die Leiter dieser Institute schlossen sich vor rund dreissig Jahren zusammen und gründeten das Laser Zentrum Hannover. Am LZH wird daher von jeher stark interdisziplinär zusammengearbeitet. Die Zusammenarbeit von Physikern, Optikern, Maschinenbauern und Vertretern anderer Disziplinen war vor 30 Jahren noch eher unüblich. Inzwischen sind auch Chemiker, Mechatroniker, Informatiker und andere Naturwissenschafter im Institut tätig. Die Bandbreite der Fachgebiete ist sehr gross

Wie sehen typische Projekte am LZH aus?

Zum einen gibt es reine Grundlagenprojekte, die im Allgemeinen öffentlich finanziert werden, beispielsweise über die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG. An solchen Projekten forschen wir in der Regel alleine, teilweise aber auch zusammen mit anderen Instituten der Universität. Dann gibt es sogenannte Verbundprojekte, die meist aus anderen Mitteln finanziert werden. Hierbei bildet man Konsortien von bis zu mehreren Forschungsinstituten und einer Anzahl von Firmen, die ein anwendungsorientiertes Thema bearbeiten. Häufig werden solche Verbundprojekte von der EU, dem BMBF oder dem BMWi gefördert. Das sind aber immer noch Projekte im vorwettbewerblichen Umfeld. Hier wird kein Produkt entwickelt, sondern eher ein Prototyp oder ein Demonstrator. Die Firmen setzen die Ergebnisse erst im Anschluss in ein Produkt um. Im kleinsten Fall ist ein Verbund eins zu eins. Typisch sind Verbünde in der Grössenordnung von sechs bis zehn Partnern. Das grösste Verbundkonsortium, an dem wir beteiligt sind, umfasst über 70 Partner und wird von der EU gefördert. Die dritte Projektart umfasst Projekte, die bilateral mit Unternehmen durchgeführt werden. Dabei bekommen wir Aufträge auf der Basis von Angeboten, die wir für Firmen erstellen. Die Projekte sind in der Regel vertraulich und unterliegen Geheimhaltungsvereinbarungen. Da geht es sehr konkret um die Umsetzung von Produkten und Verfahren, welche die Kunden in ihren Unternehmen einsetzen möchten. Hierbei leisten wir Hilfestellungen und führen Forschungsarbeiten für die Firmen durch.

Kommen die Unternehmen in der Regel auf Sie zu?

Bei der Auftragsforschung geht die Initiative meist von den Unternehmen aus. Bei den Verbundprojekten ist das unterschiedlich. Manchmal geht die Initiative von Firmenpartnern aus, die eine Idee haben, die Forschung aber nicht selbst bezahlen können und eine Fördermöglichkeit suchen. Gerade für kleine Firmen, die ein geringes Budget haben, ist das interessant. Wir suchen dann nach geeigneten Fördermöglichkeiten. Teilweise initiieren wir die Projekte aber auch selbst. Wir beobachten den Markt, und wir kennen die Probleme und Aufgabenstellungen unserer Firmenpartner. Und wir beobachten natürlich auch die Förderlandschaften, um die Ausschreibungen am besten zuzuordnen.

Das klingt nach einem hohen Aufwand für Antragstellung und Bürokratie …

… das ist grundsätzlich so in der Forschung. Für öffentliche Förderung muss man sehr viel mehr Anträge schreiben, als dann tatsächlich erfolgreich sind. Statistisch gesehen ist der Erfolg von Anträgen auf Förderung sogar verschwindend gering. Wir haben jedoch eine höhere Erfolgsquote als üblich, da wir bereits sehr lange solche Projekte machen und entsprechend professionell arbeiten.

Mit welchen Themen der additiven Fertigung beschäftigen sich aktuelle Projekte bei Ihnen?

Das ist ein Mix aus vielen unterschiedlichen Themen, die an uns herangetragen werden. Es gibt Aufgaben aus der Indus­trie zur Produktverbesserung hinsichtlich der Kosten und der Funktionalität. Das kann manchmal mit neuen Materialien realisiert werden, wobei aber der Prozess fehlt. Dann gibt es aber auch andere Aufgaben wie etwa Design-Verbesserungen. Beispielsweise entwickeln wir derzeit in einem von der DFG geförderten Sonderforschungsbereich ein Verfahren, mit dem defekte Turbinenschaufeln von Flugtriebwerken, die aus einkristallinen Hochtemperatur-Werkstoffen hergestellt sind, mittels Laserauftragschweissen wiederhergestellt werden. Oder auch das vom BMBF geförderte Verbundprojekt 3D-Polysprint, in dem wir gemeinsam mit anderen Partnern an der Herstellung von individuellen Hörgeräten und Kopfhörern forschen.

Ergeben sich aus Projekten der Grundlagenforschung gelegentlich Aspekte, die sich zu einem neuen Geschäftsmodell ausbauen lassen?

Das passiert tatsächlich hin und wieder. Zum Teil mündet dies in Patente oder auch in Ausgründungen, die das LZH grundsätzlich unterstützt. Es gibt eine Reihe Ausgründungen, seit das LZH besteht, und dadurch sind schlussendlich schon mehr Arbeitsplätze entstanden, als das LZH insgesamt hat. Ein prominentes Beispiel hierfür ist die Firma MeKo. Der Inhaber und Geschäftsführer war vor vielen Jahren Doktorand am LZH und machte sich mit einer Idee selbstständig. MeKo stellt unter anderem Stents her und geniesst hierfür weltweite Bekanntheit.

Gibt es auch internationale Projekte, also beispielsweise mit der Schweiz?

Das LZH bezieht eine Grundförderung vom Land Niedersachsen, die etwa 20 Prozent des Budgets ausmacht. Die Förderung kommt vom Wirtschaftsministerium, weshalb niedersächsische Unternehmen unsere primäre Zielgruppe bilden. Wir haben viele Projekte aus der Region Niedersachsen, aber wir beschränken uns nicht darauf. Wir können, dürfen und sollen durchaus auch mit ausländischen Unternehmen zusammenarbeiten, sogar weltweit, da gibt es keine Einschränkungen. Wir sind häufig in europäischen Verbundprojekten tätig.

Das Laserzentrum gibt es bereits seit gut 30 Jahren. Seit wann beschäftigt sich das LZH mit additiver Fertigung?

Seit rund 20 Jahren. Dafür kann man jedoch keinen konkreten Zeitpunkt benennen. Die additive Fertigung ging ja historisch betrachtet aus der Oberflächenbehandlung hervor. Das sogenannte Laserschweissen hatte reine Oberflächenaufgaben. Oberflächen sollten haltbarer gemacht werden, indem sie mit einem anderen Material beschichtet wurden. Auf eine ebene Oberfläche wurde also zunächst eine Schicht aufgetragen, später mehrere Schichten. Es folgten erste Versuche, sehr einfache 3D-Geometrien aufzubauen. Das Verfahren wurde immer weiter ausgebaut. Parallel dazu entstanden am Fraunhofer ILT erste Ideen für den 3D-Druck mit Laserschmelzen. Das waren die Ursprünge des 3D-Drucks. Es dauerte jedoch noch lang, bis diese Technologie ausserhalb der Wissenschafts-Community wahrgenommen wurde.

3D-Druck oder additive Fertigung — sind das Synonyme?

Der Begriff der additiven Fertigung ist technischer und umfassender als der Begriff des 3D-Drucks, deshalb verwenden wir ihn eher. Es existieren generell viele unterschiedliche Begriffe für gleiche additive Verfahren. Das ist ein Problem, das man auf absehbare Zeit jedoch nicht lösen kann. Das liegt daran, dass manche Begriffe, wie beispielsweise SLM, von Firmen als Marke geschützt wurden und infolgedessen andere Firmen wieder neue Synonyme für das gleiche Verfahren erfunden haben.

Bei welchen 3D-Verfahren werden Laser eingesetzt?

Das sind zum einen Laserschmelzprozesse. Um Metall aufzuschmelzen, braucht sehr viel Wärme. Der Laser wird daher bevorzugt bei Metallen verwendet. Dann gibt es noch das Laserauftragschweissen mit Düse. Der Vorteil beim Laser ist, dass ich in kurzer Zeit sehr viel Energie punktuell einbringen kann, die Umgebung jedoch relativ kalt bleibt. Laser werden teilweise auch bei Polymeren eingesetzt, wenn es darum geht, mit hoher Präzision zu arbeiten. Bei der Stereolithografie kann man Auflösungen von 10 Mikrometern realisieren. Bei der 2-Photonen-Polymerisation, kurz 2PP, kommt man sogar in den Bereich von 100 Nanometern. Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn ich Präzision brauche, verwende ich Laser. Wenn es etwas gröber sein darf, kann ich auch eine andere Wärmequelle nehmen.

Wo sind die Grenzen bei der Verwendung von Lasern als Wärmequelle bei verschiedenen Materialien?

Prinzipiell kann man für alle Materialien Laser verwenden. Das ist eine Frage der Wellenlänge, die man verwendet, da unterschiedliche Materialien unterschiedliche Wellenlängen absorbieren. Aber in der Regel findet man zu jedem Material auch eine Wellenlänge, mit der es funktioniert. Bei Metallen gibt es mitunter die Schwierigkeit, dass das Material das Licht reflektiert.

Muss man, um das Potenzial von 3D-­Druckern auszunutzen, anders entwickeln und konstruieren als bisher?

Bei der Konstruktion von Bauteilen muss die Produktionsart berücksichtigt werden. Im Gegensatz zu klassischen abtragenden Produktionsverfahren, bei denen etwas aus dem Vollen gefräst oder gedreht wird, schichtet man beim 3D-Druck etwas auf. 3D-Druck erlaubt andere Formen und Freiheitsgrade. Ein gutes Beispiel sind die Planetengetriebe mit ineinandergreifenden Zahnrädern. Die kann man nur im 3D-Druck herstellen. Man könnte sehr wohl die einzelnen Zahnräder mit anderen Produktionsmitteln herstellen, jedoch nicht zusammenbauen. Wir müssen erst noch lernen, was man mit dem 3D-Druck alles realisieren kann. Es lohnt sich hierfür, bei der Natur abzuschauen und bionische Strukturen zu studieren. Wie wachsen Bäume? Wie wachsen Pflanzen? Sie sind häufig unsymmetrisch und ungleichmässig, aber optimal aufgebaut, um Wind und Wetter zu trotzen. Sie besitzen eine «leichte» Struktur. Für solche Strukturen ist 3D-Druck vorzüglich geeignet, da wir hier nahezu Geometrie-Freiheit besitzen. An den Hochschulen wurde der Bedarf, die Lehre entsprechend zu erweitern, erkannt, die Anfänge sind getan, aber es besteht immer noch weiterer Bedarf.

Welche Bedeutung hat 3D-Druck für die vierte industrielle Revolution?

Das Kennzeichen der vierten industriellen Revolution ist die Digitalisierung. Cyberphysische Systeme werden für die Produktion eingesetzt. 3D-Druck mit Laser ist eine digitale Technik. Ich konstruiere ein Bauteil im CAD, dann zerlege ich es in Schichten, damit ich es mit dem 3D-Drucker aufbauen kann. Die Schichten werden selektiv mittels Laser belichtet. Es gibt da prinzipiell nur zwei Zustände: Belichtung oder keine Belichtung. Industrie 4.0 ist natürlich noch viel mehr. Aber als Fertigungsverfahren wird der 3D-Drucker in Industrie 4.0 eine wichtige Rolle spielen.

Es wird beim operationellen Einsatz des 3D-Drucks immer wieder mit Kosten argumentiert, die pro Stück erheblich über den Produktionskosten von Massenware liegen. Wird es dennoch so sein, dass die Massenproduktion irgendwann dem 3D-Druck weicht?

Es wird in der Zukunft einen stärkeren Mix aus Massenproduktion und 3D-Druck geben. Sicherlich wird es noch lange nicht so weit sein, dass wir ein Auto aus dem 3D-Drucker beziehen. Das dauert zu lang, und ist zu teuer. Es gibt beim Auto viele Bauteile, die bei allen Autos gleich sind und aus der Massenproduktion bezogen werden. Dennoch beschäftigen sich viele Autohersteller bereits jetzt mit der additiven Fertigung. Viele haben einen 3D-Drucker im Haus. Tatsächlich werden heute sogar schon Autoteile aus dem 3D-Drucker verbaut. Das sind meist Teile, die nur wenige Male gebraucht werden und für die es zu teuer ist, eine Spritzgussform herzustellen. Grundsätzlich gilt: Wenn Bauteile sehr komplex sind, rechnet sich 3D-Druck. Und auch wenn jedes Bauteil ein wenig anders ist, rechnet sich der 3D-Druck.

3D-Druck ist besonders für Medizintechnik prädestiniert, um individuelle Implantate und Produkte herzustellen. Kann man heutzutage davon ausgehen, dass entsprechende Technologie flächendeckend in den Krankenhäusern vorhanden ist und ich als Patient — wo nötig — davon profitieren kann?

Die ersten Anwendungen, bei denen 3D-Druck eine weite Verbreitung fand, waren die Zahnimplantate. Das ist etwa zehn Jahre her. Inzwischen gibt es schon viele weitere Anwendungen, eben gerade in der Medizintechnik, bei welcher der 3D-Druck operativ Anwendung findet. Aber der 3D-Druck hat sich sicherlich noch nicht flächendeckend durchgesetzt, und gerade was individuelle Implantate angeht, steht man noch sehr am Anfang. Wenn man als Patient auf eine Behandlung mit individuellen Implantaten abzielt, muss man suchen, wo man die beste Versorgung bekommt. 3D-Druck ist in Krankenhäusern noch nicht Stand der Technik.

Wie sieht der zeitliche Horizont aus, bis zu dem diese Technologie flächendeckend in unseren Krankenhäusern zu finden sein wird?

Das ist schwer zu sagen. In der Medizintechnik hat man es natürlich immer mit erheblichen Zulassungsprozeduren zu tun, das macht die Sache nicht unbedingt schnell. Das wird sicher noch einige Jahre dauern, bis man von einer flächendeckenden Versorgung sprechen kann. Auch bietet die Implantatforschung noch viel Potenzial.

An welchen Themen arbeiten Sie in der Medizintechnik?

Wir arbeiten stark mit Magnesium als Material für Medizinprodukte. Das Material ist immerhin inzwischen zugelassen. Magnesium verändert sich im Körper. So könnten zukünftig damit Operationen überflüssig werden, bei denen Material wieder entfernt werden muss aus dem Körper. Es gibt auch die Idee, aus Magnesium einen Knochenersatz herzustellen, damit der Knochen nachwachsen kann. Auch intelligente Implantate aus Formgedächtnis-Legierungen wie Nickel-Titan, die aktorische Funktionen übernehmen, also eine Bewegung im Körper ausführen nach einer Aktivierung von aussen, haben wir bereits hergestellt. Das funktioniert schon in einfachen Anwendungen, bietet aber noch viel Potenzial.

Elektronische Bauteile aus dem 3D-Drucker? Gibt es da etwas?

Ist mir zumindest nicht bekannt. Bei elektronischen Bauteilen müssten wir mehrere Materialien gleichzeitig verbauen. Das ist nicht unmöglich, und erste einfache Versuche dazu gibt es schon, aber es ist derzeit nicht wirklich wirtschaftlich.

Denken wir den 3D-Druck 10 Jahre weiter. Wo steht die Technologie dann?

Da bewegt man sich in unterschiedliche Richtungen mit der Forschung. Sicherlich wird 3D-Druck künftig günstiger, schneller und trotzdem qualitativ noch besser werden. Im Moment ist oft noch Nacharbeit nötig, die sollte in der Zukunft wegfallen. Erzeugnisse aus dem 3D-Drucker mit unterschiedlichen Materialien am Stück herzustellen, ist ebenfalls eine Entwicklung, die der 3D-Druck machen wird. Der Trend geht dahin, komplexe Bauteile mit mehreren Materialien in einem Stück zu drucken, sodass ein Zusammenbau überflüssig ist. Ebenfalls eine Zukunftsvision, an der heute bereits geforscht wird, ist der Druck mit lebendem Material, also mit Zellen, um idealerweise irgendwann Organe aus dem 3D-Drucker herstellen zu können.

Es wird auch im Nano-Bereich bereits mit nicht lebendem Material gedruckt. Welche Verfahren eignen sich hierfür?

Man kann nicht alle Materialien verwenden, um 3D-Druck im Nano-Bereich durchzuführen. Da eignet sich eigentlich nur die 2-Photonen-Polimerisation, kurz 2PP. Damit kommt man zu Strukturgrössen im Bereich von 100 Nanometern. Das ist das, was aktuell geht. Noch wird die Technologie hauptsächlich in der Forschung angewendet, aber die Industrie interessiert sich zunehmend dafür.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Kaierle.

«Wenn ich Präzision brauche, dann verwende ich Laser.»

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