Schicht für Schicht zum neuen Bauteil

Schicht für Schicht zum neuen Bauteil
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Mit Selective Laser Melting können komplexe Bauteile hergestellt werden – hier eine Leichtbaustruktur mit Gitterelementen. (Quelle: Inspire-IRPD)
09.08.2013 | Mit additiver Fertigung lassen sich schichtweise geometrisch komplexe Bauteile herstellen, die hohen industriellen Anforderungen genügen. Selective Laser Melting ermöglicht es sogar, Teile aus Metall zu fabrizieren. Die hohe Schmelztemperatur der verwendeten Materialien stellt aber besondere Anforderungen an den Prozess.

Unter dem Begriff „Additive Fertigungsverfahren“ oder englisch „additive manufacturing“ werden eine Reihe von Produktionsverfahren zusammengefasst, deren Gemeinsamkeit die schichtweise Herstellung eines Bauteils ist. Landläufig besser bekannt sind solche Verfahren als 3D-Druck, wobei dieser Begriff vor allem auf Verfahren für Kunststoffteile abzielt, die weniger hohen industriellen Anforderungen genügen müssen. Demgegenüber bezeichnet der Begriff „additive manufacturing“ Fertigungsverfahren, die aufgrund der erreichbaren Material- und Bauteilqualitäten in vielen Fällen die industriellen Anforderungen erfüllen können. In diesen Teilbereich der schichtweise arbeitenden Verfahren gehören unter anderem das Selective Laser Sintering (SLS) für Kunststoffteile oder das Selective Laser Melting (SLM), mit dem sich Bauteile in verschiedenen metallischen Materialien herstellen lassen.


SLS und SLM arbeiten nach dem gleichen Verfahrensprinzip: Nach der Generierung einer dünnen Schicht aus pulverförmigem Kunststoff oder Metall wird die Querschnittsinformation des herzustellenden Bauteils auf einer bestimmten Bauteilhöhe mittels einem Laserstrahl gescannt. Dies führt lokal im Laserspot zu einer Konsolidierung des Pulvers. Werden nun sukzessive weitere Schichten erzeugt und die entsprechenden Bauteil-Querschnittsflächen gescannt, entstehen so schichtweise die gewünschten Bauteile.


Beim Selective Laser Melting erfolgt der Energieeintrag durch einen Hochleistungs-Nd-YAG Laser – heute typischerweise in einem Leistungsspektrum von 100 W bis zu 1 kW – während im SLS-Prozess ein CO2-Laser verwendet wird. Das Verfahrensprinzip erlaubt die gleichzeitige Fertigung mehrerer auch geometrisch unterschiedlicher Teile im selben Bauprozess. Diese sind nach Prozessende vollständig in das Pulver eingebettet.

 


Supportstrukturen für Metall

 

An dieser Stelle treten zwei wesentliche Unterschiede zwischen SLS- und SLM-Prozess zutage: Aufgrund des hohen Energieeintrags, der zum Aufschmelzen eines Metallpulvers im SLM-Prozess notwendig ist, müssen zur Ableitung der Wärmeenergie überhängende Bauteilstrukturen mittels Supportstrukturen abgestützt werden. Dieser Umstand ist beim SLS aufgrund der anderen Prozessführung in Verbindung mit den physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen nicht nötig. Aus diesem Grund müssen SLM-Bauteile auf eine metallische Trägerplatte aufgebaut und nach Prozessende davon wieder abgetrennt werden. Auch allfällige Support-Strukturen müssen oft manuell entfernt werden, um das eigentliche Bauteil zu erhalten.

 


Auftragen statt entfernen


Die Vorteile der additiven Fertigung liegen auf der Hand. Während bei konventionellen, abtragenden Verfahren ein Werkzeug benötigt wird, um Material von einem Rohling zu entfernen, erfolgt die additive Herstellung berührungslos in einzelnen Schichten. Die zu scannenden Querschnittsflächen der Bauteile können deshalb äusserst komplex sein – im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren, bei denen die Werkzeuge Zugang zu den zu bearbeitenden Stellen benötigen. Hinterschnitte oder Hohlräume sind so entweder nur erschwert mit mehrfachen Aufspannungen oder aber gar nicht herstellbar. Geometrien wie diejenige komplexer Leichtbauteile mit Gitterelementen könnten auf konventionellem Wege kaum direkt hergestellt werden. Die Geometriefreiheit für die herzustellenden Bauteile ist ein Hauptmerkmal der additiven Prozesse. Daher eignen sich diese Fertigungsverfahren vor allem zur Herstellung von Bauteilen mit einer hohen Komplexität. Damit lässt sich die nach wie vor geringere Fertigungs-Produktivität durch einen Mehrwert in den Bauteilen kompensieren.


Weitere Vorteile liegen im Aspekt der werkzeuglosen Produktion: Es fallen nicht nur sämtliche Werkzeugkosten weg, sondern auch ein allfälliger Programmierungs- und Vorbereitungs-Aufwand. Das bringt sowohl finanzielle als auch zeitliche Vorteile mit sich.

 


Materialien und Eigenschaften beim SLM

 

Ein Fertigungsverfahren kann in der Industrie nur dann eine massgebende Bedeutung erlangen, wenn die Zielmaterialien einer Branche zuverlässig und reproduzierbar verarbeitet werden können. Hinsichtlich dieser Aspekte laufen national und international zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. Das Institute for Rapid Product Development IRPD der Inspire AG – strategischer Partner der ETH für Produktionstechnologie – beteiligt sich massgeblich an solchen Projekten. Heute sind aus praktisch allen industriell relevanten Materialklassen etliche Legierungen untersucht und prozesssicher verarbeitbar. Dies umfasst diverse Edelstähle, Arbeitsstähle für die Herstellung von Werkzeugen (zum Beispiel für die kunststoffverarbeitende Industrie), Nickel-Basis-Legierungen für Hochtemperatur-Anwendungen in der Turbinenindustrie und Aluminium insbesondere für Leichtbau.


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Additiv gefertigte Metallteile sind nach Prozessende vollständig in Pulver eingebettet. (Quelle: Inspire-IRPD)

Typischerweise ist eine Materialdichte von knapp 100 % erreichbar. Allerdings sind einzelne Poren nicht ganz zu vermeiden, was bei einem Pulverbett-basierten Prozess nicht verwunderlich ist. Die mechanischen Eigenschaften sind jedoch in der Regel sehr gut. Insbesondere die statisch mechanischen Eigenschaften können mit denen aus konventioneller Verarbeitung durchaus mithalten und diese teilweise sogar übertreffen.

 

 

Grosses Wachstumspotenzial

 

Welche Bedeutung wird die additive Fertigung künftig haben? Die Experten vom Inspire-IRPD sind überzeugt, dass diese Verfahrenskategorie ein grosses Potenzial mit sich bringt und zu ganz neuen Businessprozessen führen wird. Einen Vorgeschmack der neuen Möglichkeiten zeigen die ersten Print-Shops, die kundenspezifische physische Teile herstellen. Erste 3D-Drucker für Zuhause sind für wenige tausend Franken zu haben und werden mittelfristig eine Art „Revolution“ im Printgeschäft mit sich bringen. Dies dürfte erst der Anfang sein und seine Auswirkungen auch auf die industrielle Fertigungsindustrie ausüben. Nicht nur die USA, auch die EU haben die Trends erkannt und fordern solche Verfahren und die damit verbundenen Business Modelle. Dies wird künftig wohl auch dazu führen, dass zum Beispiel für die Ersatzteil- Produktion nicht mehr Bauteile, sondern 3D-CAD-Daten an Dienstleistungs-Unternehmen geschickt werden, die dann vor Ort die benötigten Teile herstellen.

 

Damit dieses Szenario Realität werden kann, sind noch einige Hürden zu nehmen. So sind zum Beispiel weltweit akzeptierte Normen notwendig, welche die Fertigungsprozesse und Materialien charakterisieren. Ebenso sind neue Designprozesse nötig, damit die Vorteile der additiven Fertigungsverfahren – unter Rücksichtnahme auf die vorhandenen Restriktionen – voll ausgenutzt werden können. Damit kann die additive Fertigung zu einer industriell breit abgestützten und anerkannten Alternative zur konventionellen Fertigung werden. Auf dieser Basis kann auch die Schweiz und Europa die Fertigungslandschaft neu definieren und mithelfen, Arbeitsplätze zu sichern.


Adriaan B. Spierings (Dipl. Ing. ETH)
Adriaan B. Spierings (Dipl. Ing. ETH)
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