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02.03.2016

„Ein riesiger neuer Markt für Laser und optische Systeme!“

Prof. Claus Emmelmann, CEO des LZN Laser Zentrum Nord


Prof. Claus Emmelmann war jüngst für den Deutschen Zukunftspreis 2015 nominiert. Gemeinsam mit Airbus und Concept Laser arbeitet sein Laser Zentrum Nord daran, Additive Manufacturing (landläufig 3D-Druck) im Flugzeugbau zu etablieren. Im Interview erklärt der Experte, wie sich die Technologie weiterentwickelt und welche Impulse von ihr auf Lasermarkt und Imaging zu erwarten sind.


Glückwunsch Herr Prof. Emmelmann. In die Top-3 des Zukunftspreises schaffen es die Wenigsten. Mit ihren Partnern von Airbus und Concept Laser propagieren Sie eine additive Fertigungsrevolution. Warum ist der 3D-Druck revolutionär?

Emmelmann: Mittlerweile sprechen viele Experten von Revolution. Das Kosten- und Innovationspotential ist enorm. Der schichtende Aufbau von Bauteilen macht völlig neue Produkte realisierbar. Sei es Leichtbau mit variierenden Wandstärken oder mit Hohlräumen im Bauteil. Seien es das Einbringen konturnaher Kühlkanäle, Hydraulik- und Pneumatikleitungen. Oder auch die Option, Baugruppen aus vielen Einzelteilen in einem Stück zu fertigen. Damit gehen tiefgreifende Veränderungen in Liefer- und Fertigungsketten einher. Montagekosten sinken, Lieferketten werden kürzer und auch der Zertifizierungsaufwand sinkt. Nicht zuletzt können Ersatzteile vor Ort gedruckt werden, statt sie zu lagern und bei Bedarf zum Ort des Geschehens zu transportieren. Der Kundennutzen ist enorm. Und weil der Werkzeug- und Formenbau entfällt, ist additive Fertigung oft schon günstiger als herkömmlichen Fertigungsverfahren. Mit Airbus haben wir einen bisher 10.000 € teuren Einfüllstutzen für den A400 M im 3D-Druck für 4.000 € realisiert. Zahnkappen aus Kobald-Chrom, auf denen Zahnersatz aufgebaut wird, kosten gefräst 10 €, gedruckt 3 € pro Stück. Und durch effizientere Anlagentechnik sind weitere Kostensenkungen realistisch.


Die Anlagenkonzepte verändern sich in Richtung Multi-Laser-Technik...

Emmelmann: ...durch die enorme Produktivitätszuwächse erreicht werden. So kann eine Maschine mit vier Lasern heute 50 cm³ Material pro Stunde aufbauen, gegenüber 5 cm³ Aufbaurate mit einem Laser. Ich gehe davon aus, dass wir mit Halbleitern und mit optimiertem Maschinenbau mittelfristig Aufbauraten von 500 cm³ und langfristig bis 5.000 cm³ sehen werden. Unternehmen sollten spätestens jetzt anfangen, ihre Konstrukteure zu schulen. Denn um das volle Potential der Technologie zu heben, müssen diese umdenken. Sie können den fertigungstechnisch bisher schwer oder gar nicht zugänglichen Innenraum von Bauteilen nahezu frei gestalten. Und gerade in der Luft- und Raumfahrt gelingt es immer besser, Baugruppen aus Dutzenden Einzelteilen zu einem Bauteil zu fusionieren. Wir brauchen eine spezifische Konstruktion für das Additive Manufacturing und es müssen neue Lieferketten organisiert werden.


Welche Anforderungen an die Lasertechnik stellt das Additive Manufacturing?

Emmelmann: Mit den steigenden Aufbauraten wird eine Zunahme der Laser in den Anlagen einhergehen – möglicherweise auch mit unterschiedlichen Leistungen. So verfolgen erste Anlagebauer den Ansatz, leistungsstarke Laser der Kilowatt-Klasse für die schnelle Belichtung des Bauteilkerns einzusetzen, während weitere Laser aus der Leistungsklasse 100 bis 500 W die feineren Oberflächen aufschmelzen. Dafür müssen Konstruktion und Belichtungsprozess exakt abgestimmt sein. Ohnehin ist es komplex, mehrere Laser zu integrieren und sie in den teils überlappende Arbeitsbereichen zu steuern. Ein weiterer Trend: Leistungsstärkere Laser. Erste Anlagen mit 5-kW-Lasern sind im Markt. Ähnliche Leistungen sind auch beim Laserauftragsschweißen gefragt. Die Technologie ist noch sehr jung. Welche Konzepte sich für welche Materialien in welchen Märkten durchsetzen, muss sich erst noch erweisen.


Kurz zu den Lasern: Heute werden vor allem YAG- und Yb-Faserlaser eingesetzt. Wird es dabei bleiben?

Emmelmann: Ich sehe angesichts der hohen Strahlqualität, der guten Wirkungsgrade und des günstigen Verhältnisses von Kosten und Leistung (€/W) keine Alternative. Ob Direktdioden den Sprung in die erforderlichen Leistungsbereiche schaffen, ist fraglich. Wenn ja, wäre das eine energieeffiziente Alternative. Ich denke, es wird perspektivisch neben der Leistung auch um Wellenlängen gehen. Grüne Laser sind interessant. Und ein Traum wäre es natürlich, wenn wir im Additive Manufacturing frei durchstimmbare Laser mit unterschiedlichsten Wellenlängen einsetzen könnten.


Sind die Anforderungen an die Präzision hoch?

Emmelmann: Im Vergleich mit anderen Einsatzbereichen der Lasertechnik eher nicht. Im Additive Manufacturing ist Präzision eher eine Frage der Pulver. Es geht eigentlich erst bei Partikelgrößen ab 20 µm und entsprechenden Fokus-Größen zwischen 30 und 50 µm los. Laserhersteller sind viel geringere Auflösungen gewohnt. Herausfordernd ist weniger die Präzision als vielmehr das Zusammenspiel von Lasern und Scannern.


Die Industrie wünscht Automation und Inline-Qualitätskontrollen im 3D-Druck. Liegen hier Chancen für optische Technologien über die Laser hinaus?

Emmelmann: Auf jeden Fall! Qualität hat sehr hohe Bedeutung, da wir ja im Prozess nicht nur die Geometrie sondern alle Bauteileigenschaften neu definieren. Dafür gilt es, Prozess und Bauteile im Labor exakt zu qualifizieren und die Parameter für den Druckprozess festzulegen. Ihre Einhaltung muss sensorisch überwacht werden, wofür pyrometrische, kameratechnische, UV-emissionstechnische Verfahren ebenso in Frage kommen, wie optische Computertomographie und viele weitere optische Verfahren. Das ist ein Schwerpunkt unserer Forschung – es entsteht ein riesiger neuer Markt für Laser und für optische Systeme.


Wird die „3D-Druck-Revolution“ auch das Laserschneiden und -schweißen ins Abseits drängen?

Emmelmann: Aktuell liegt der Weltmarkt für Lasersysteme zur Materialbearbeitung bei 8 Mrd. €, wobei der Großteil auf das Laserschneiden und kleinere Anteile auf das Laserschweißen und Laserabtragen entfallen. Von den Umsätzen her bewegen sich die Laserverfahren gegenüber herkömmlicher Schweiß-, Schneid- und Frästechnik in Nischen. Das kann sich mit dem 3D-Druck ändern. Allein im Metallbereich soll der Weltmarkt binnen 10 Jahren von heute 1 Mrd. € auf 100 Mrd. € wachsen; wobei etwa 30 %, also 30 Mrd. € auf die Anlagen entfallen. Allein daran können Sie ablesen, dass Additive Manufacturing zum größten Absatzmarkt für Lasertechnik in der Fertigung avancieren dürfte. Es wird herkömmliche Verfahren – darunter auch Laserverfahren – Marktanteile abnehmen und sie aus Prozessketten verdrängen.


Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann ist Leiter des Instituts für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS) an der TU Hamburg-Harburg und CEO der LZN Laser Zentrum Nord GmbH. Für das Projekt „3D-Druck im zivilen Flugzeugbau – eine Fertigungsrevolution hebt ab“, welches das LZN zusammen mit Airbus und Concept Laser umgesetzt hat, war er jüngst für den Deutschen Zukunftspreis 2015 nominiert.


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