«Advanced Manufacturing» – daran forscht die Schweiz. Quelle: Empa

«Advanced Manufacturing» – daran forscht die Schweiz. Quelle: Empa

"Die Fertigungsverfahren, von welchen wir hier sprechen, sind additive Verfahren." Pierangelo Gröning, Empa

Wir erforschen nicht nur Materialien, sondern auch Verarbeitungsprozesse

Publiziert

Pierangelo Gröning, unter anderem Präsident der AM-TTC-Allianz und der Forschungskommission sowie Direktionsmitglied der Empa,erläutert die Rolle des Forschungsinstituts bei den Projekten im Bereich «Advanced Manufacturing».

Herr Gröning, was bedeutet das Stichwort «Advanced Manufacturing»?
Was ist das Neue daran? Moderne Materialforschung umfasst heute nicht nur die Entwicklung von Materialien alleine. Solange das Material nicht verarbeitet und prozessiert werden kann, hat es noch keine technologische Bedeutung. Die Empa forscht an einer Reihe neuartiger Materialien, die mit bekannten Standardprozessen kaum oder nicht verarbeitbar sind. Entsprechend viel Aufmerksamkeit widmen wir der Entwicklung und Weiterentwicklung von Fertigungsprozessen und Verarbeitungsmethoden, und in dieser Hinsicht haben wir in den letzten Jahren viel erreicht.

Wie begann diese Entwicklung?
Ursprünglich haben die Nanomaterialien bei mir diesen Gedanken ausgelöst. Beim Stichwort Nano wird schnell klar, dass es da einfach noch keine Verarbeitungsmaschinen gibt und auch, dass die Industrie hier nicht auf bestehenden Kenntnissen aufbauen und bekannte Verfahren einfach weiterentwickeln kann. Wir mussten uns also schon damals mit der Prozesstechnik beschäftigen und Wege aufzeigen, wie man mithilfe dieser neuen Materialien Wertschöpfung generieren kann. Der zweite Auslöser war die Digitalisierung und die Frage, wie man die Möglichkeiten der Digitalisierung in der Fertigung optimal nutzen kann.

Meinen Sie die Automatisierung für die Massenproduktion?
Nein. Hier denke ich nicht primär an die Optimierung von Lieferketten und Fertigungsabläufen, sondern an die Optimierung des Produkts und dessen Qualität. Es gibt ein anschauliches Beispiel aus der Beschichtungstechnologie: Für die Abscheidung harter Schichten nutzen wir auch Plasmen. Dank moderner Leistungselektronik können wir heute über Pulsmodulation die Zusammensetzung der reaktiven Teilchen, also Ionen und Radikale, im Plasma steuern und damit direkt Einfluss auf die Zusammensetzung und den Aufbau der Schicht, sprich auf die physikalischen Eigenschaften, nehmen. Gegenüber konventionellen Plasmen wird der Beschichtungsprozess durch die Pulsmodulation quasi digitalisiert.

Daraus ergeben sich vollkommen neue Möglichkeiten zur Optimierung der Schichteigenschaften. Jetzt kommt die Frage: Wie finde ich in diesem riesigen Wald von Möglichkeiten die richtige Lösung? Hier dürfen wir die Produktingenieure nicht im Regen stehen lassen – es braucht Wissenschaftler, die diese Prozesse von Grund auf verstehen. Und verstehen heisst im Zeitalter der Digitalisierung: Ich muss den Depositionsprozess am Computer simulieren können. Nur so ist es möglich, eine Art «Rezeptbuch» zusammenzustellen, das dem Praktiker die richtigen Parameter vorschlägt, mit dem er optimale Ergebnisse erzielen kann.

Digitalisierung allein hilft also noch nichts?
Nein. Viele denken, hier habe ich Daten und ein neuronales Netzwerk, das lasse ich einfach so lange rechnen, bis ein Lösungsvorschlag vorliegt. So einfach darf man es sich nicht machen. Das wäre nur «Trial-and-Error» mit ein bisschen digitaler Unterstützung. Um das Potenzial der Digitalisierung voll zu nutzen, muss man die Fertigungsprozesse physikalisch viel besser verstehen, und zwar auf einem Niveau, um sie simulieren zu können. Über die Simulation lassen sich dann die optimalen Prozessparameter schnell und verlässlich ermitteln. Davon sind wir aber noch ein ganzes Stück entfernt, sind doch hierfür rechenintensive hochkomplexe «multiscale» Modellierungen erforderlich.

Was ist eigentlich das Besondere an «Advanced Manufacturing»?
Die Fertigungsverfahren, von welchen wir hier sprechen, sind additive Verfahren. Bei diesen verbinden sich Produktion und Materialsynthese in einem integralen Fertigungsprozess. Dadurch erhöht sich die Komplexität der Fertigung und stellt ganz neue Herausforderungen an das Qualitätsmanagement, gilt es nun doch neben der Massgenauigkeit auch die Materialqualität des Produktes sicherzustellen. Ein sehr anschauliches Beispiel ist der 3D-Metalldruck. Die Materialeigenschaften der geometrisch komplexen Werkstücke die mit 3D-Druckverfahren hergestellt werden können, sind nicht isotrop, also identisch in allen Raumrichtungen.

Dies hängt mit dem sequenziellen Aufbauprozess des 3D-Drucks zusammen und wie der Laser geführt wird. Über verschiedene Laserparameter wie Laserleistung oder Scan-Geschwindigkeit kann der Aufschmelz- und Rekristallisierungsprozess beeinflusst werden, was wiederum Einfluss auf die Materialeigenschaften hat. Kurzum: Zur Beherrschung des 3D-Drucks als Fertigungsverfahren braucht es ein tiefes Material- und Prozessverständnis. Kenntnisse, die selbst in grösseren Firmen nicht vorhanden sind. Und KMU geraten hier erst recht schnell an ihre Grenzen. Hier erkennt man die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung – um diese neuen Technologien am Markt zu etablieren und den Firmen dadurch einen Innovationsvorsprung zu verschaffen.

Wie werden sich die additiven Fertigungstechnologien im Alltag auswirken?
Eine schwierige Frage. Am besten geht es vielleicht, indem wir die Trends und Bedürfnisse der industriellen Produktion betrachten. Diese sind zum einen die Individualisierung – «Customized Products» und, wie wir in den letzten beiden Jahren erfahren mussten, die Verbesserung der Resilienz in der Produktion. Lösen lässt sich dies durch hohe Agilität und kurze Lieferketten, und genau das ermöglich die additive Fertigung. Zudem hat die additive Fertigung das Potenzial, die Produktionslandschaft bedeutend zu verändern, indem sie zentrale Massenproduktion durch dezentrale Kleinproduktion ersetzt – eine Riesenchance für den Produktionsstandort Schweiz.

Was ist die Rolle der Empa?
Neben der Erforschung und Entwicklung neuer, auf die Fertigungstechnologie optimierter Materialien haben wir auch Forschungsvorhaben, die Technologien für den industriellen Einsatz «alltagstauglich» machen sollen. Das heisst: die erforderlichen «Werkzeuge» entwickeln und bereitstellen, um einen robusten, zuverlässigen Einsatz der Technologie zu gewährleisten. Wie bereits erwähnt, entwickeln wir Simulationssoftware, um die optimalen Prozessparameter schnell und zuverlässig zu ermitteln, aber auch, um das Prozessverständnis zu schulen und zu verbessern. Des Weiteren entwickeln wir Messsysteme für die Echtzeit-Prozessüberwachung. Die Entwicklung solcher komplexer Systeme erfordert eine enge Zusammenarbeit von Spezialisten aus den unterschiedlichsten Bereichen. Dies ist eine grosse Stärke, die wir als Empa ausspielen können, aber auch eine Stärke des gesamten ETH-Bereichs.

EVENTS

decarbXpo

Fachevent zum Megatrend Dekabonisierung, die Plattform für Energiespeicher und Klimaneutralität im Unternehmen.

Datum: 27.-29. Februar 2024

Ort: Düsseldorf (D)

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International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 05.-07. März 2024

Ort: München (D)

emv

Internationale Fachmesse mit Workshop für Elektromagnetische Verträglichkeit

Datum: 12.-14. März 2024

Ort: Köln (D)

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Weltweit führende Fachmesse für die Verarbeitung und Veredelung flexibler, bahnförmiger Materialien, wie Papier, Film, Folie und Vliesstoffe.

Datum: 12.-14. März 2024

Ort: München (D)

Ble.ch

Die führende Fachmesse der Blech-, Metall- und Stahlbearbeitung in der Schweiz.

Datum: 13.-15. März 2024

Ort: Bern (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 19.-21. März 2024

Ort: Stuttgart (D)

Additive Manufacturing Forum

Die Entscheider- und Expertenkonferenz bringt das gesamte Wertschöpfungssystem rund um die additive Fertigung zusammen.

Datum: 20.-21. März 2024

Ort: Berlin (D)

embedded world

Als internationale Weltleitmesse mit dem ausschließlichen Fokus auf Embedded-Technologien.

Datum: 09.-11. April 2024

Ort: Nürnberg (D)

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Weltweit wichtigste Messe der Rohr- und rohrverarbeitenden Industrie

Datum: 15.-19. April 2024

Ort: Düsseldorf (D)

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Weltmarktführer und First Mover der Draht- und Kabelindustrie präsentieren ihre Innovationen in Maschinen, Anlagen und smarter Fertigung. Erleben Sie Innovationen.

Datum: 15.-19. April 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Moutier (CH)

Hannover Messe

Transfoming Industry Togheter

Datum: 22.-26. April 2024

Ort: Hannover (D)

Control

Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung

Datum: 23.-26. April 2024

Ort: Stuttgart (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

Opatec

Internationale Fachmesse für optische Technologien, Komponenten und Systeme

Datum: 14.-16. Mai 2024

Ort: Frankfurt (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai-07.Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

CastForge

Fachmesse für Guss- und Schmiedeteile mit Bearbeitung

Datum: 04.-06. Juni 2024

Ort: Stuttgart (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Zürich (CH)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 11 – 14 Juni 2024

Ort: Genf (CH)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 10.-14. Juni 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 11.-13. Juni 2024

Ort: Nürnberg (D)

MedtecLIVE with T4M

Fachmesse für die gesamte Wertschöpfungskette der Medizintechnik

Datum: 18.-20. Juni 2024

Ort: Stuttgart (D)

Stanztec

Fachmesse Stanztechnik

Datum: 25.-27. Juni 2024

Ort: Pforzheim (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 28.-29. August 2024

Ort: Zürich (CH)

IFA Berlin

Weltleitmesse für Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräte

Datum: 06.-10. September 2024

Ort: Berlin (D)

AMB

Internationale Ausstellung für Metallbearbeitung

Datum: 10.-14. September 2024

Ort: Stuttgart (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 24.-26. September 2024

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Europas führende Plattform für Forschung und Innovationskraft

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Jena (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 25.-26. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 18.-19. September 2024

Ort: Lausanne (CH)

parts2clean

Internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung

Datum: 24. - 26. September 2024

Ort: Stuttgart (D)

IN.STAND

Die Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 08.-09. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

Chillventa

Weltleitmesse der Kältetechnik

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Nürnberg (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 08.-10. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

Motek

Internationale Fachmesse für Produktions- und Montageautomatisierung

Datum: 8.-11. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

Bondexpo

Internationale Fachmesse für Klebetechnologie

Datum: 8.-11. Oktober 2024

Ort: Stuttgart (D)

EuroBLECH

International Technologiemesse für Blechbearbeitung

Datum: 22.-25. Oktober 2024

Ort: Hannover (D)

ALL4PACK EMBALLAGE

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 04.-07. November 2024

Ort: Paris (F)

formnext

Fachmesse für Additive Manufacturing und die nächste Generation der intelligenten industriellen Produktion

Datum: 09.-11. November 2024

Ort: Frankfurt am Main (D)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 11.-14. November 2023

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 12.-15. November 2024

Ort: München (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 26.-28. November 2024

Ort: Nürnberg (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 03.-05. Dezember 2024

Ort: Düsseldorf (D)

Hardware

Schweizer Fachmesse für Werkzeuge und Eisenwaren

Datum: 12.-14. Januar 2025

Ort: Luzern (CH)

BAUMAG Baumaschinen Messe

Schweizer Fachmesse für Baumaschinen, Baugeräte und Werkzeuge

Datum: 23.-26. Januar 2025

Ort: Luzern (CH)

Innoteq

Schweizer Fachmesse der Fertigungsindustrie

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Bern (CH)

intec

Internationale Fachmesse für Werkzeugmaschinen, Fertigungs- und Automatisierungstechnik

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Leipzig (D)

GrindTec

Internationale Fachmesse für Werkzeugbearbeitung und Werkzeugschleifen

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Leipzig (D)

Zuliefermesse Z

Internationale Zuliefermesse für Teile, Komponenten, Module und Technologien

Datum: 11.-14. März 2025

Ort: Leipzig (D)

CCE International

Europas wichtigster Branchenevent für die Wellpappen- und Faltschachtelindustrie.

Datum: 11.-13. März 2025

Ort: München (D)

ISH

Weltleitmesse für Wärme, Wasser und Luft

Datum: 17.-21. März 2025

Ort: Frankfurt am Main (D)

Fastener Fair

Internationale Fachmesse für die Verbindungs- und Befestigungsbranche

Datum: 25.-27. März 2025

Ort: Stuttgart (D)

IFFA

Internationale Leitmesse – Technology for Meat and Alternative Proteins

Datum: 03.-08. Mai 2025

Ort: Frankfurt (D)

Moulding Expo

Internationale Fachmesse Werkzeug-, Modell- und Formenbau

Datum: 20.-23 Mai 2025

Ort: Stuttgart (D)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 20.-22. Mai 2025

Ort: Hannover (D)

Automatica

Die Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 24.-27. Juni 2025

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 02.-04. September 2025

Ort: Bern (CH)

Schweissen & Schneiden

Die Schweissen & Schneiden ist die Weltleitmesse für Fügen, Trennen und Beschichten.

Datum: 15.– 19. September 2025

Ort: Essen (D)

Swiss Medtech Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 16. - 17. September 2025

Ort: Luzern (CH)

Oils + fats

Leitmesse der Öl- und Fettindustrie in Europa.

Datum: 15.-19. September 2025

Ort: München (D)

Drinktec Deutschland

Auf der Weltleitmesse der Getränke- und Liquid-Food-Industrie

Datum: 15.-19. September 2025

Ort: München (D)

AM Expo

Fachmesse und Symposium: Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 16.-17. September 2025

Ort: Luzern (CH)

EMO Hannover

Weltleitmesse für Werkzeugmaschinen und Metallbearbeitung

Datum: 22.-27. September 2025

Ort: Hannover (D)

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 23. - 25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

10. Schweisstec

Internationale Fachmesse für Fügetechnologie

Datum: 21.-24. Oktober 2025

Ort: Stuttgart (D)

A + A

Messe und Kongress für Arbeitsschutz und Arbeitssicherheit

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

productonica

Weltleitmesse für Entwicklung und Fertigung von Elektronik

Datum: 18.-21. November 2025

Ort: München (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement.

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Die Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26. - 27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 20.-22. Januar 2026

Ort: Luzern (CH)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

GIFA

International Giesserei-Fachmesse mit Technical Forum

Datum: 21.-25. Juni 2027

Ort: Düsseldorf (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 21.-25. Juni 2027

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis