Nahtlos fügt sich das maßgeschneiderte Ersatzstück in die Erdgasverflüssigungsanlage ein. Vor wenigen Minuten hat der 3-D-Metalldrucker das Bauteil fertig gestellt. Jetzt kann die Anlage ihren Betrieb wiederaufnehmen – mit einem Minimum an Ausfallzeit und -kosten. Noch ist diese Art der Ersatzteilfertigung Fiktion, doch ein Expertenteam bei Linde Engineering arbeitet bereits an ihrer Verwirklichung. Dr. Martin Hock, Senior Consultant Materials and Corrosion bei Linde Engineering, leitet die Aktivitäten rund um das noch junge Fertigungsverfahren, das derzeit vielen Industriezweigen ganz neue Anwendungsfelder und Produkte eröffnet: Additive Manufacturing, auch 3-D-Druck oder additive Fertigung genannt. Der Begriff fasst unterschiedliche Verfahren zusammen. Gemeinsam ist allen: Basierend auf digitalen 3-D-Konstruktionsdaten wird Metall schichtweise zu dreidimensionalen Objekten aufgebaut.
Dem Design sind keine Grenzen gesetzt
„Je komplexer das Bauteil, desto größer ist in der Regel der Vorteil, den Additive Manufacturing bei der Fertigung bietet“, erklärt Hock. „Komplexität ist dabei nicht – wie so oft – mit höheren Kosten verbunden.“ Ob ineinander verschlungene Hohlkörper, doppelwandige Bauteile mit Gitterstrukturen oder massive Elemente mit integrierten Kühlschlangen – mit konventionellen Verfahren lassen sich solch komplexe Bauteile aus Metall gar nicht oder nur mit hohem Aufwand erzeugen. Additive Manufacturing bietet dagegen absolute Designfreiheit – fast alles ist möglich. „Wir befassen uns gerade intensiv mit der technischen Machbarkeit und prüfen, welche der Verfahrensvarianten für unsere Anforderungen am besten geeignet sind“, erklärt Hock. „Derzeit sammeln, dokumentieren und bewerten wir aussichtsreiche Ideen und schauen, welche Anlagenkomponenten für einen 3-D-Druck überhaupt in Frage kommen. Und wir behalten natürlich die technische Entwicklung im Blick“, so der Projektleiter es fünfköpfigen Teams.
Objekt mit Gitterstruktur
Kompakter bauen mit mehr Funktionalität
Zwar sind filigrane Strukturen oder Leichtbauelemente, die sich mit der additiven Fertigung besonders gut erzeugen lassen, im Anlagenbau selten zu finden. Für Wärmetauscher, die Schlüsselelemente in Erdgasverflüssigungsanlagen, könnte der 3-D-Druck jedoch einen großen Fortschritt bedeuten: „Wir untersuchen, wie additiv gefertigte Elemente die Wärmeübertragung verbessern könnten, sodass weniger Austauschflächen notwendig sind. Die Wärmetauscher ließen sich dann kompakter bauen. Das würde Platz und Material sparen – und damit Kosten.“ Zudem konzentrieren sich die Linde-Experten auf Anlagenkomponenten, die bislang nur durch aufwendige Schweißarbeiten hergestellt werden können. Und sie suchen nach Prozessteilen, in denen 3-D-Drucker ihre Stärken ausspielen könnten – also überall dort, wo in Bauteile Hohlräume, Kühlschlangen oder katalytische Strukturen bereits integriert sind.
Aber auch vermeintlich simple Anlagenelemente sind aussichtsreiche Kandidaten für Additive Manufacturing: sich verjüngende Rohrstücke beispielsweise, sogenannte Reduzierungen. Diese überführen Rohre von einem kleinen auf einen großen Durchmesser oder umgekehrt. „Solche Übergangsstücke entsprechend unseren Anforderungen und nach Bedarf selbst herstellen zu können, wäre ein großer Vorteil“, sagt Hock. Durch Additive Manufacturing werden auch Bauteile zugänglich, die sich aus unterschiedlichen Metallen zusammensetzen und sich mit konventionellen Methoden nur sehr aufwändig stoffschlüssig verbinden lassen würden. Es lassen sich so Objekte konstruieren, die beispielsweise besonders teure Metalle nur an notwendigen Schnittstellen beinhalten.
Die Industrialisierung des 3-D-Drucks vorantreiben
Die Anlagenelemente müssen zudem meist hohen Ansprüchen genügen und extremen Temperaturen und Drücken standhalten. Deswegen dürfen beispielsweise Druckbehälter nur in den Verkehr gebracht werden, wenn sie speziellen Richtlinien genügen. Für konventionelle Produktionsverfahren gibt es Referenzen sowie Kennwerte, Normgrößen und Rechnungen, mit denen sich belegen lässt: Der hergestellte Behälter erfüllt die Anforderungen zuverlässig. „Für additiv gefertigte Bauteile muss das jetzt ausgearbeitet werden“, erklärt der Linde-Ingenieur. „Materialeigenschaften lassen sich ja nicht vorab prüfen, weil der Werkstoff erst beim schichtweisen Aufbau des Elements entsteht“, erklärt Hock die Herausforderungen. Deswegen engagiert sich das Linde-Team in einem Arbeitskreis des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau, um für die Zulassung additiv gefertigter, drucktragender Bauteile entsprechende Normen zu entwickeln und die Industrialisierung des Verfahrens weiter voranzutreiben.
Große Vorteile bietet das Verfahren für die Produktion von Ersatzteilen. „Wenn wir diese maßgeschneidert herstellen könnten, ließen sich defekte Komponenten bei unseren Prozesseinheiten viel schneller austauschen“, erklärt der Linde-Ingenieur. Jeder Tag, den eine Industrieanlage stillsteht, bedeutet Verluste. Mit kürzeren Lieferzeiten könnte der 3-D-Druck bares Geld sparen – und so die Wirtschaftlichkeit in der industriellen Produktion steigern.