Captain Malu
Eine riesige Stahlkomponente, die Schicht um Schicht aus dem Lichtbogen wächst: Am Institut für Werkstofftechnik der TU Chemnitz wird eine bisher utopische Vorstellung greifbar – gigantische Bauteile ohne den ausladenden Materialverlust herkömmlicher subtraktiver Fertigung. Im BigInTension-Konsortium verschmelzen Schweißtechnik, Laserunterstützung und eine neue Denkweise der Fertigung zu einer Demonstrator-Komponente aus Stahl, die laut Plan in der ersten Bauphase bereits passgenau sitzt. Das Verfahren, Directed Energy Deposition Arc, baut das Teil Schicht für Schicht auf und nutzt Wärmeführung, Vorwärmen und begleitende Wärmebehandlungen, um Restspannungen zu kontrollieren. Die Botschaft ist klar: Weniger Abfall, weniger Energie, weniger Kosten – gerade bei Mehrtonnen-Großbauteilen. Parallel dazu liefern digitale Zwillinge und KI-gestützte Prozesssteuerung die Vision einer Echtzeitregelung, die Fehler früh erkennt und die Produktion effizienter macht. Der Demonstrator soll nicht nur seine Leistungsfähigkeit beweisen, sondern auch den Weg für künftige Anwendungen in Industrie und Schiffbau ebnen.
BigInTension an der TU Chemnitz: Layer-by-Layer Stahlbau statt Blockmaterialabtragung
Zielsetzung und Partnerschaften
Kernziel: Das BigInTension-Konsortium verbindet die Schweißtechnik der TU Chemnitz mit mehreren Industriepartnern, darunter REINTJES GmbH und das Laser Zentrum Hannover, um ein großformatiges Demonstratorbauteil aus Stahl zu realisieren. Ziel ist es, am Projektende eine sichtbare, praxisnahe Machbarkeit additiv gefertigter Großbauteile zu demonstrieren.
Partnerlandschaft
Kernpartner: Die Zusammenarbeit umfasst die TU Chemnitz sowie weitere Industriepartner, darunter REINTJES und das Laser Zentrum Hannover; weitere Partner vervollständigen das Konsortium.
Anwendungsfall
Anwendungsfall: Eine marine Getriebegehäuse-Komponente mit Mehrtonnen-Gewicht wird als konkrete industrielle Anwendung verfolgt. Solche Gehäuse entstanden bislang durch Guss oder Fräsen aus massiven Blöcken – ein aufwändiges Verfahren mit erheblichem Materialverlust.
Fertigungsweg
Fertigungsweg: Der zentrale Ansatz heißt DED-Arc (Directed Energy Deposition Arc). Material wird schichtweise mit einem Lichtbogen aufgetragen und durch Laserunterstützung fusioniert, sodass komplexe Geometrien entstehen und Bauteilfunktionen in einer Bauform integriert werden können.
Ressourcen- und Effizienzvorteile
Ressourcen-Sparen: Gegenüber der herkömmlichen Materialabtragslogik wird nur das benötigte Metall aufgetragen, wodurch Rohstoffe, Energie und Kosten eingespart werden. Für Großbauteile bedeutet dies eine signifikante Reduktion von Materialverlusten, Emissionen und Fertigungszeit.
Ausblick/Demonstrator
Endziel: Am Projektende soll ein realer Demonstrator erscheinen: eine additiv gefertigte Marine-Getriebegehäuse-Komponente, deren Abmessungen, Passungen und Oberflächeneigenschaften die Industrieperspektiven belegen und eine Benchmark für künftige Anwendungen liefern.
Residualspannungen bei gigantischen Stahl-Komponenten: Ziele, Herausforderungen und BigInTension-Strategien
Residualspannungen sind innere Kräfte im Material und können Verzug oder Maßabweichungen verursachen. Während kleine Bauteile oft gut zu kontrollieren sind, gestaltet sich die Spannungsführung bei gigantischen Gehäusen deutlich anspruchsvoller. Das BigInTension-Konzept steuert Restspannungen durch gezielte Prozessführung so, dass das Gehäuse bereits in der ersten Produktionsrunde die vorgesehenen Abmessungen erreicht und teure Nachbearbeitungen minimiert werden.
Ziele
- Die Gehäuse-Abmessungen bereits in der ersten Produktionsrunde erreichen.
- Teure Nachbearbeitungen minimieren oder vermeiden.
- Restspannungen kontrolliert in akzeptable Grenzwerte bringen.
- Die Übertragbarkeit der Ergebnisse in die Industrie sicherstellen.
Herausforderungen
- Thermische Zyklen und ungleichmäßige Abkühlraten erzeugen Spannungsfelder.
- Ungleichmäßige Spannungsverteilung durch Geometrie und Masse.
- Verzugsneigung, Rissbildung oder Passungsprobleme bei Mehrtonnen-Bauteilen.
- Die Messung und Steuerung der Spannungen im Großmaßstab ist besonders anspruchsvoll.
Gegenmaßnahmen
- Abgestufte Deposition: schrittweise Materialzufuhr zur Balancierung von Spannungsfeldern.
- Gezieltes Wärmemanagement: kontrollierte Wärmezufuhr und -abfuhr während des Aufbaus.
- Vorwärmen von Bauteilbereichen zur Reduktion von Temperaturdifferenzen.
- Begleitende Wärmebehandlungen: gezielte Nachbehandlungen zur Spannungsarmung und Maßhaltigkeit.
Erfolgskriterien
- Nachbearbeitungen deutlich reduziert oder entfallen.
- Zielmaße bereits im ersten Bauversuch erreicht.
- Klare Kennzahlen zu Verzug, Restspannungen und Bauteilqualität vorhanden.
- Ergebnisse beurteilbar übertragbar auf weitere Industrie-Anwendungen.
Digital Twin und KI-gestützte Prozesssteuerung: Von der Simulation zur Echtzeitregelung
Virtuelle Kopie des Fertigungsprozesses und Simulationsumfang
Digitale Zwillinge: Eine virtuelle Kopie des realen Fertigungsprozesses wird erstellt. Geometrie, Temperaturfelder, Schichtdicken und Spannungen werden simuliert, um frühzeitig Abweichungen zu erkennen und Optimierungen zu ermöglichen. Ressourcen- und Energiebedarf lassen sich so früh bewerten und virtuell testen, bevor Änderungen in der Anlage umgesetzt werden.
BigInTension: Simulation verknüpft Praxis
Praxisnahe Verzahnung: Die BigInTension-Strategie verknüpft Simulation und Praxis eng: Sensorik erfasst Daten, Modelle treffen Vorhersagen und liefern eine eng verzahnte Planung. Diese Verknüpfung erhöht Planungssicherheit und Reaktionsfähigkeit bei großen Bauteilen.
KI-gestützte Modelle: Adaptive Parametersteuerung
KI-gestützte Modelle: Forscher arbeiten an KI-gestützten Modellen, die Prozessparameter adaptiv anpassen, Störungen kompensieren und die Bauteilqualität auch unter wechselnden Randbedingungen stabil halten. Dabei fließen Material- und Prozessdaten in die Lernprozesse ein, um robuste Modelle zu erzeugen.
Echtzeitregelung: Von der Simulation zur Steuerung in Echtzeit
Echtzeitregelung: Die Vision sieht eine Echtzeitregelung vor, die Abweichungen automatisch korrigiert, bevor sie zu Verzug oder Fehlstellen führen. Dadurch wird Ausschuss minimiert und die Fertigungskapazität effizienter genutzt. Die Umsetzung erfordert eine nahtlose Dateninfrastruktur und sichere Kommunikationswege.
Transparenz, Datenbasis und Industrie 4.0
Transparenz: Der digitale Ansatz schafft Transparenz, ermöglicht schnelle Optimierung und legt eine solide Datenbasis für weitere KI-gestützte Steuerungen in der Großbauteilproduktion. Damit bildet er eine belastbare Grundlage für künftige Anwendungen in Industrie 4.0-Umgebungen.
Demonstrator, Nachhaltigkeit und Anwendungsvielfalt: Marineschrauben-Gehäuse als Wegweiser
Demonstrator
Demonstrator: Der Demonstrator ist eine additiv gefertigte Marine-Getriebegehäuse-Komponente, die als Praxischeck für Umweltbilanz, Wirtschaftlichkeit und die Machbarkeit der Großbauteilfertigung per DED-Arc dient. Er ermöglicht Messungen unter realen Produktionsbedingungen und liefert belastbare Kennzahlen zur Leistungsfähigkeit der Großbauteilherstellung.
Ökobilanz und Ressourceneffizienz
Ökobilanz: Durch das Prinzip, nur das benötigte Metall aufzutragen, ergeben sich Einsparungen bei Material, Energieverbrauch und Herstellungskosten. Im Vergleich zu herkömmlichen subtraktiven Verfahren fällt weniger Rohstoff an, pro Bauteil wird weniger Energie benötigt, und die Fertigungskosten sinken – wodurch sich die Ökobilanz deutlich verbessert.
Anwendungsvielfalt und Marktpotenziale
Anwendungsvielfalt: Neben dem Schiffbau eröffnet die Technologie Potenziale im Maschinenbau, Anlagenbau und in der Energiebranche, wo große Stahlbauteile benötigt werden. Die Fähigkeit, Komponenten Layer-by-Layer zu erzeugen, schafft neue Marktsegmente und eröffnet Anwendungsfelder, die zuvor durch konventionelle Technologien limitiert waren.
Förderkontext und Standortvorteile
Förderkontext: Der Förderrahmen des Bundesministeriums stärkt die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Politik, fördert die Standortkompetenz in Mitteldeutschland und beschleunigt den Transfer von Forschungsergebnissen in marktreife Produkte.
Ausblick Endbericht und Investorenperspektive
Endbericht: Der Abschlussbericht soll Sustainability‑ und Wirtschaftlichkeitskennzahlen liefern, die Investoren, Industriepartnern und Entscheidungsträgern überzeugend aufzeigen, wie die Technik zu konsequenter Nachhaltigkeit, Risikominimierung und schneller Marktdurchdringung beitragen kann und so eine breitere Adaption in zukunftsweisende Industriedisziplinen ermöglicht.
Fazit
Die TU Chemnitz zeigt mit BigInTension, wie Großbauteile aus Stahl schichtweise gefertigt werden, ohne die Verlustmaterialien traditioneller subtraktiver Techniken. Durch DED-Arc, Wärmeführung, Vorwärmen und begleitende Wärmebehandlungen realisieren Forscher eine genaue Passung schon in der ersten Bauphase. Der Demonstrator einer marine Getriebegehäuse-Komponente soll verdeutlichen, dass Großbauteile künftig mit deutlich weniger Rohstoffen, Energie und Kosten hergestellt werden können. Die Integration von digitalen Zwillingen und KI-gestützter Prozesssteuerung eröffnet zudem Perspektiven, wie Abweichungen früh erkannt, Fehler vermieden und Nacharbeiten minimiert werden können. Schlussresultat ist eine realistische Machbarkeit additiv gefertigter Großbauteile, deren Qualität sich messbar im Verzug, in Restspannungen und in der Maßhaltigkeit darstellen lässt.
Während der Demonstrator die Machbarkeit und Nachhaltigkeit belegt, eröffnet sich ein Blick auf die Industrie 4.0-fähige Zukunft der Großbauteilproduktion: Transparenz, Datenbasis und verlässliche Modelle ermöglichen eine schnelle Optimierung, bessere Ressourceneffizienz und neue Marktpotenziale nicht nur im Schiffbau, sondern auch im Maschinen- und Energiesektor. Der Weg dorthin erfordert nahtlose Logistik, sichere Datenflüsse und enge Kooperationen zwischen Wissenschaft, Industrie und Förderlandschaften – eine Entwicklung, die mit Blick auf Umweltbilanz, Wirtschaftlichkeit und Lieferzuverlässigkeit die Industrielandschaft nachhaltig verändern könnte.
