Der 3D-Druck wird erwachsen – ein Interview mit Professor Mayr

Wir treffen Herrn Professor Peter Mayr zum Interview in seinem Büro. Erst Ende letzten Jahres wurde er an die TUM berufen und baut aktuell die Professur für ‚Werkstofftechnik der Additiven Fertigung‘ auf. Davor hat er an der TU Graz in Österreich Maschinenbau studiert und sich dann auf Werkstoffe und Schweißen spezialisiert. In Graz hat er seinen Doktortitel erlangt, um dann einige Zeit im Ausland zu verbringen: Ein halbes Jahr in Japan und ein Jahr in den USA am MIT. Von dort aus wurde er an die TU Chemnitz für die Professur Schweißtechnik berufen.

Reisswolf: Das Thema Additive Fertigung ist ja momentan als modernes Fertigungsverfahren in aller Munde. Wie sind Sie denn dazu gekommen?

Prof. Mayr: Additive Fertigung ist in den letzten zehn Jahren ein riesiger Hype geworden. Man konnte zeitweise sogar meinen, sie würde alle anderen Fertigungsverfahren verdrängen. Aber das wird selbstverständlich nicht geschehen, denn nach der großen Ernüchterung hat sich gezeigt, wo es Sinn ergibt, Additive Fertigung einzusetzen und wo nicht. In Wahrheit ist die Idee der Additiven Fertigung übrigens schon ziemlich alt. Es gibt Patente von 1920, in denen bereits durch Schweißverfahren metallische Vasen und weitere dekorative Gegenstände hergestellt wurden. Das war im Prinzip nichts anderes als das, was wir heute Additive Fertigung nennen. In der Schweißtechnik, aus der ich ursprünglich komme, gab es schon immer das Formgebende Schweißen. Das bedeutet, dass man Bauteile mittels Schweißelektroden additiv aufbaut. Ich bin also über die Schweißtechnik zur Additiven Fertigung gekommen.

Reisswolf: Sie haben sich dann dem Hype einfach angeschlossen? 

Prof. Mayr: Ja, wir haben das genutzt und Fördermittel akquiriert, um die Forschung in diesem Bereich voranzutreiben. Im Zuge dessen haben wir Patente angemeldet und Prozesse und Werkstoffe entwickelt. Auch heute noch gibt es viele ungeklärte Fragestellungen, insbesondere wenn man an Multimaterial-Bauweisen denkt. Meine Vision geht dahin, den richtigen Werkstoff am richtigen Ort zu haben und dadurch genau maßgeschneiderte Bauteilen aufzubauen. 

Reisswolf: Mit Ihnen kam ja auch eine weitere Additive Fertigungs-Professur, die Professur für Laser-based Additive Manufacturing, zur Fakultät.

Prof. Mayr: Ja, insbesondere mit Professorin Wudy haben wir einen sehr engen Austausch. Aber auch mit dem iwb und dem utg, die in der Additiven Fertigung schon sehr erfahren sind. Wir ergänzen uns sehr gut, da ich den Werkstoff im Fokus habe, das iwb  und utg die additiven Prozesse und Frau Professorin Wudy insbesondere die laserbasierten Prozesse. Die Kooperation macht sehr viel Spaß. 

Reisswolf: Die TUM steht momentan vor einer großen Umstrukturierung, bei der die Fakultäten in Schools integriert werden. Profitieren Sie davon? 

Prof. Mayr: Wir gehören dann zur School of Engineering and Design und es wird sich ein Department of Materials Engineering gründen. Dabei ist der Name quasi Programm, denn wir beschäftigen uns ja mit Materialien und Werkstoffen. Für uns ist es gut, weil wir dann Synergien in der Zusammenarbeit mit anderen Lehrstühlen nutzen können. Vor allem mit Lehrstühlen, die wir bisher noch gar nicht kennen, zum Beispiel aus dem Bauwesen oder der Architektur. Ich stehe den Neuerungen sehr positiv gegenüber, denn wir können es ja selber gestalten und das Beste draus machen.

Reisswolf: Nicht nur die Uni wird neu strukturiert – auch Ihr Lehrstuhl wurde ja mit Ihnen neu gegründet. Was war denn im Aufbau besonders herausfordernd? 

Prof. Mayr: Man muss sich das so vorstellen, dass man mit komplett leeren Laborflächen beginnt. Dafür muss man erst Geräte beschaffen. Auch Mitarbeitende muss man finden. Das sind sehr zeitintensive Aufgaben. Die größte Herausforderung ist wahrscheinlich, dass die Universität eine öffentliche Institution ist und deswegen viele Regeln zu beachten sind. Man bekommt nicht einfach ein Gerät oder kann einen Mitarbeiter einstellen. Das dauert oft mehrere Wochen. Gerade die Anschaffung von hochmodernen Forschungsgeräten – wir bewegen uns dabei in einem siebenstelligen Anschaffungswert – ist ziemlich komplex mit einem Zeithorizont von bis zu einem Jahr verbunden. Und erst dann beginnt die Zeit, in der man wirklich mit der Maschine experimentieren kann und sie kennenlernt. Das ist manchmal schwierig, denn eigentlich möchte man sofort loslegen. Man muss ein bisschen Geduld mitbringen und seinen Enthusiasmus bremsen. 

Reisswolf: Worauf freuen Sie sich im Labor und in den Werkstätten denn besonders?  

Prof. Mayr: Wir bauen ein großartiges Labor für Additive Fertigung auf, in dem drei Roboter kollaborativ arbeiten können. Dort können wir dann die Kombination von verschiedenen Prozessen für Multimaterial-Bauweisen erforschen. Der Tag, an dem dort das erste Mal der Laser eingeschalten wird oder der Lichtbogen brennt wird schon etwas Besonderes sein. Ich freue mich jetzt schon darauf, in 25 Jahren die Fotos von diesem ersten Tag zu sehen. 

Reisswolf: Haben Sie zu Hause einen 3D-Drucker? 

Prof Mayr: Nein, tatsächlich nicht. Wir haben hier einige Drucker für Kunststoffe, privat hatte ich noch nicht den Bedarf. (lacht) 

Reisswolf: Welche Projekte haben Sie denn an Ihrem Lehrstuhl? 

Prof. Mayr: Ein Forschungsprojekt von uns beschäftigt sich mit der Wirkungsgradsteigerung von Kraftwerken. Wir untersuchen Beschichtungssysteme, damit Kraftwerke bei noch höheren Temperaturen betrieben werden können und dadurch der Wirkungsgrad steigt. Somit soll weniger CO₂ emittiert werden. Wir arbeiten dabei mit 15 europäischen Forschungspartnern zusammen – ein sehr spannendes und interdisziplinäres Projekt. Ein weiteres Forschungsprojekt beschäftigt sich mit schweißbasierter Additiver Fertigung. Dabei möchten wir mit einem drahtbasiertem Schweißprozess Strukturen aufbauen und direkt am heißen Bauteil auch gleich walzen. Dadurch werden im Werkstoff Rekristallisationsvorgänge hervorgerufen, die die negativen Effekte des Schweißens auszugleichen können. Diese zwei Projekte sind die ersten, die schon genehmigt worden sind. Weitere sind eingereicht, bei denen es auch um die Werkstofftechnik in der Additiven Fertigung geht. So wächst der Lehrstuhl, denn wir sind ja noch im Aufbau.

Reisswolf: Was war denn das interessanteste Teil, das Sie mal hergestellt haben? 

Prof. Mayr: Wir haben mal ein Bauteil für einen Weltkonzern durch schichtweises Fügen aufgebaut und unter hohen Temperaturen gepresst und verschweißt. Das Verfahren heißt layer laminated manufacturing. Unsere Ausrüstung und der Versuchsaufbau waren weltweit einzigartig und das Konzept so außergewöhnlich, dass ständig zwei Aufpasser des Industriepartners bei den Versuchen dabei waren, um sicherzustellen, dass nichts von diesem Material abgezweigt wird oder an die Öffentlichkeit dringt. Das Projekt war ein voller Erfolg und ich bin gespannt, ob wir diese Bauteile in Zukunft in unseren Mobiltelefonen wiederfinden werden.

Reisswolf: Durch 3D-Druck können gänzlich neue Geometrien erzeugt werden. Wie steht es jedoch um neuartige Werkstoffe, die erst durch das Additive Verfahren hergestellt werden können?

Prof. Mayr: Ich konzentriere mich voll und ganz auf die Metalle und dort gibt es prinzipiell alle Werkstoffe auch in konventioneller Herstellungsweise. Allerdings kann ich bei Additiver Fertigung durch den Laser oder den Lichtbogen die Wärmezufuhr und damit die Ausbildung des Gefüges gezielt steuern. In der Werkstoffkunde hat man bestimmt oft vom harten und spröden Martensit und dem weichen und verformbaren Perlit gehört. Diese Gefüge kann man durch das Zeit-Temperaturprofil gezielt und lokal herbeiführen und damit die Werkstoffeigenschaften in unterschiedlichen Bereichen gezielt einstellen. Was außerdem erst durch Additive Fertigungsverfahren so richtig möglich wird, sind dreidimensionale Strukturen die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Diese bezeichnet man als Multimaterial-Bauteile.

Reisswolf: Was bringt das? 

Prof. Mayr: Der Mehrwert liegt darin, dass die Konstruktion so gestaltet werden kann, dass der richtige Werkstoff am richtigen Ort ist. Die Belastungen sind über das gesamte Bauteil nicht immer gleich. In einem Triebwerk sind auch nicht alle Bereiche gleich heiß. Man kann also in einem Bauteil die besonders beanspruchten Bereiche aus einer teuren Nickel-Basislegierung und die geringer belasteten Bereiche aus einem günstigeren Stahlwerkstoff herstellen. Man ist also nicht mehr gezwungen, ein komplettes Bauteil aus einem einzigen Werkstoff herzustellen.

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Reisswolf: Wo werden diese Werkstoffe eingesetzt?

Prof. Mayr: Wir konzentrieren uns auf wirklich herausfordernde Werkstoffe, die im Einsatz extremen Belastungen ausgesetzt sind. Das können höchste Temperaturen in einem Flugzeugtriebwerk sein oder besonders hohe mechanischen Belastungen. Besonders faszinierend ist es dann natürlich, wenn die eigenen entwickelten Bauteile oder Werkstoffe in einem Rennwagen oder Flugzeug verbaut sind. Oder vielleicht sogar zum Mond fliegen. Das war der Traum von mir als kleiner Junge und der ist bis heute erhalten geblieben. 

Reisswolf: Mit diesen neuartigen Materialzusammensetzungen kommt vermutlich die konventionelle Struktursimulation in ihre Grenzen. Was muss man da anpassen? 

Prof. Mayr: Simulation ist ein wichtiges Tool und wir werden uns intensiv damit beschäftigen. Die große Herausforderung in der Werkstoffsimulation bei additiven Verfahren sind die wahnsinnig schnellen Zeit-Temperatur-Zyklen. Gleichgewichtsschaubilder, wie das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm bei Stahl, sind hier nicht mehr anwendbar. Denn das ist – wie der Name schon sagt – nur für den thermodynamischen Gleichgewichtsfall anwendbar. Hier in der Additiven Fertigung haben wir jedoch Aufheizraten von mehreren tausend Kelvin pro Sekunde und auch sehr hohe Abkühlraten, da herrschen im Werkstoff keine Gleichgewichtszustände mehr.

Reisswolf: Auch Prüfverfahren müssen da vermutlich neu gedacht werden. Wie werden denn diese Materialien charakterisiert und analysiert?

Prof. Mayr: Genau dieses Thema ist ein weiteres Herzstück unseres Lehrstuhls und wir haben einige Versuchsaufbauten dazu. Wir können metallischen Proben einem beliebigen Zeit-Temperatur-Zyklus unterziehen und beobachten, was dabei mit dem Werkstück passiert. Bei dem Versuchsaufbau wird eine metallische Probe von Strom durchflossen, wodurch sich diese in der Mitte aufgrund des elektrischen Widerstands erwärmt. Man könnte das Metall sogar zum Verdampfen bringen, und zwar mit einer atemberaubenden Aufheizrate: Bis zu 20.000 Kelvin pro Sekunde. Man sieht einen Blitz und die Zugprobe ist verdampft. Auch bei der Abkühlung können verschiedene Szenarien durchgespielt werden. Das könnte ein schneller Thermoschock oder eine langsame Wärmebehandlung sein. Danach kann die Probe untersucht werden, z. B. mit einem Zugversuch, einer Härteprüfung oder metallographischen Methoden. Ein weiterer Untersuchungsapparat am Lehrstuhl nennt sich „Hochtemperatur-Laser-Scanning-Konfokal-Mikroskop“…

Reisswolf: …ein ziemlich komplizierter Name.

Prof. Mayr: Ja, aber das Funktionsprinzip ist schnell erklärt. Mit einem Laser-Scanning-Mikroskop wird eine Probe von etwa 10 mm Durchmesser in einer Heizkammer beobachtet, die wiederum sehr schnelle Zeit-Temperaturzyklen erlaubt. Das Besondere an diesem Mikroskop ist, dass man spezielle Wellenlängen herausfiltern kann und so die Oberfläche der Probe isoliert vom eigenen Strahlen darstellen kann. So lassen sich die Vorgänge an der Werkstoffoberfläche beobachten. Man kann also sehen, wie der Werkstoff schmilzt, erstarrt, sich Martensit in Schallgeschwindigkeit oder Kristalle bilden. Das ist wirklich extrem faszinierend! Wenn man auf einmal zusehen kann, wie sich das Gefüge schlagartig ändert und in einer unglaublichen Geschwindigkeit Martensit entsteht! Das macht einfach Spaß! Diffusionsvorgänge, die Bewegung von Korngrenzen, alles, was man aus den Textbüchern kennt, kann man hier wirklich beobachten. Das sind zwei außergewöhnliche Instrumente, auf denen auch studentische Arbeiten laufen werden. Darauf freue ich mich sehr! 

Reisswolf: Sie haben gerade eine neue Begeisterung für Werkstoffkunde in mir entfacht! 

Reisswolf: Schon in Ihrer ersten Vorlesung hat man gemerkt, dass Ihnen Lehre am Herzen liegt. Was hat sich denn in den letzten Jahren geändert?

Prof. Mayr: Die Lehre hat sich in den letzten 15 Jahren extrem gewandelt. Vom Frontalunterricht während meiner Studienzeit bis zur aktuellen exzessiven Nutzung digitaler Medien. Ich finde es wichtig, sich ständig didaktisch weiterzubilden. So auch jetzt: Die letzten zwei Monate haben mich durch die Online-Vorlesungen selbst zu einem Regisseur, Cutter und Scriptwriter gemacht. Allerdings vermisse ich es auch, sich im Hörsaal gegenüberzusitzen. Als Vortragender bekomme ich so viel Feedback aus dem Hörsaal, man merkt sofort am Ausdruck der Studierenden, wenn man etwas schlecht erklärt hat und kann direkt darauf reagieren. Das fehlt aktuell.

Reisswolf: Ingenieurinnen und Ingenieure haben viele Konstruktionsrichtlinien im Kopf, die jedoch für Additive Fertigung zu einem großen Teil nicht mehr gelten werden. Wie findet das Umdenken statt? 

Prof. Mayr: Wir möchten für unsere Studierenden eigene Vorlesungen zur Gestaltung und Konstruktion in der Additiven Fertigung anbieten, denn das Thema hätte Potential für eine ganze Vorlesungsreihe. Außerdem ist von der Werkstoffseite zu beachten, dass ein additiv gefertigtes Bauteil durch den schichtweisen Aufbau keine homogenen Eigenschaften mehr hat. Das wird zum Teil erst jetzt erforscht und hat an der TUM richtig Schwung aufgenommen. Wir sind aktuell am Konzipieren und Einrichten neuer Lehrveranstaltungen.

Reisswolf: Das ist schon wirklich faszinierend! 

Prof. Mayr: Das treibt mich auch an! Diese unbändige Neugier, zu verstehen, wie die Dinge zusammenwirken und wie sie funktionieren. Das hat mich auch zu meinem Studium gebracht. Ich habe schon als Kind zu Hause, zur Verzweiflung meiner Mutter,  viele Dinge zerlegt und zum Glück konnte ich ein paar Jahre später diese auch wieder zusammenbauen. Ganz unbewusst hat mir das den Weg gezeigt, den ich genommen habe: Das Verstehen von technischen Zusammenhängen und die Neugier, wie etwas funktioniert. Das merke ich auch bei meinem kleinen Sohn. Da wird leider aktuell mehr kaputt als wieder ganz. Ich habe ihn mal mit an die Uni genommen. Er wusste zwar, dass wir mit Robotern arbeiten, aber er hat sie sich ganz anders vorgestellt – mit Füßen und Händen. Aber er fand es trotzdem wahnsinnig interessant und will jetzt auch an die Uni. Aber das ist noch ein langer Weg, jetzt muss er erst mal die 2. Klasse der Grundschule bewältigen.

Aber genau das ist es was mich antreibt, die Begeisterung von Kindern, Studierenden und Forschenden. Denn letztendlich kann ich sagen, wenn meine Arbeit nur Arbeit wäre, wäre es furchtbar langweilig. Für mich ist meine Arbeit wirklich Berufung und dieses Feuer will ich auf möglichst viele übertragen.