Wie funktioniert Additive Manufacturing? 3 Minuten Lesezeit
Innovation

Wie funktioniert Additive Manufacturing?

Volkmar Held

Additive Manufacturing revolutioniert die Fertigung aufwändigster Werkzeuge und Bauteile – oder macht deren Herstellung überhaupt erst möglich. Durch diese Technologie verschmilzt die Begeisterung für moderne Verfahren und die Werkstoffkompetenzen der voestalpine auf perfekte Weise.

Additive Manufacturing (AM) wurde durch die Herstellung von Plastikmodellen direkt aus dem Computer bekannt. Seither ist daher die Bezeichnung „3D-Druck“ geläufig, obwohl sich das Verfahren gerade mit dem Einsatz von metallischen Ausgangsmaterialien grundlegend gewandelt hat.
Beim AM wird ein Bauteil schichtweise hergestellt. Je nach Anwendungsfall kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Ausgangspunkt ist in jedem Fall

  • ein digitaler, dreidimensionaler Entwurf, den der „Drucker“ lesen und umsetzen kann, sowie
  • metallische Pulver.

Aus den Legierungen unterschiedlichster Metalle hergestellt, können diese Pulver mit Korndurchmessern ab ca. 15 Mikrometern (= 0,015 mm) dünner als ein menschliches Haar sein. Die Stärke der benötigten Pulver hängt vom eingesetzten Verfahren ab, das je nach Größe des Bauteils, Material und notwendiger Präzision gewählt wird.
Nachfolgend werden zwei unterschiedliche Additive Manufacturing-Verfahren genauer beschrieben.

Laserstrahlschmelzen im Pulverbett

Beim Laserstrahlschmelzen wird ein Bauteil Schicht für Schicht aus Metallpulver aufgebaut (Korndurchmesser ca. 15 bis 55 Mikrometer):

  1. Ein Laserstrahl schmilzt die oberste Schicht eines Pulverbettes auf, sodass die Kontur des Bauteils entsteht. Das Material erstarrt nach dem Aufschmelzen wieder und bildet eine feste Lage.
  2. Die Grundplatte senkt sich um eine Schichtdicke (ca. 30 bis 50 Mikrometer) ab und es wird erneut Pulver aufgetragen.
  3. Wieder wird die Kontur geschmolzen, wobei sich die Pulverkörner der neuen Lage mit der erstarrten, darunterliegenden Lage verbinden.

Dies wiederholt sich so lange, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Am Ende ist es ummantelt von unverbrauchtem Pulver. Dieses kann einfach entfernt, gesiebt und wiederverwendet werden.
Damit besonders feine Strukturen hergestellt werden können, sind die Produktionsfortschritte minimal. So werden komplizierte Bauteile möglich, die mit anderen Technologien nicht produzierbar wären. Allerdings ist die Bauzeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren länger. Die Herstellung eines aufwändig geformten Achsschenkels von ca. 15 Zentimetern Größe dauert derzeit noch gut 22 Stunden.

Direct Metal Deposition (DMD)

Im Vergleich zum Laserstrahlschmelzen im Pulverbett ist das DMD-Verfahren (Direct Metal Deposition) in der Lage, bis zu 10-mal schneller zu arbeiten und größere Bauteile zu erzeugen. Feinste Gitterstrukturen oder Bauteildetails können mit diesem Verfahren allerdings nicht umgesetzt werden – das zeigt sich bereits bei dem zum Einsatz kommenden metallischen Pulver, dessen ideale Partikelgröße mit 50 bis 150 Mikrometern (= 0,05 bis 0,15 mm) mehr als drei Mal größer ist als beim Laserstrahlschmelzen.

Für das DMD-Verfahren wird – wie beim Laserauftragsschweißen – Metallpulver in einen Laserstrahl eingeblasen, dort aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen. Die Schichtdicken liegen zwischen 0,2 und 0,8 Millimetern. Hierbei wird fast das gesamte Pulver verfestigt. Das Verfahren eignet sich auch sehr gut zur Reparatur komplexer und teurer Bauteile, z. B. in der Luft- und Raumfahrt.
Beim DMD-Verfahren besteht die Möglichkeit, durch den einfachen Wechsel des Zuführtanks Bauteile aus verschiedenen Pulvermaterialien herzustellen (Multimaterial-Bauteile). Je nach Anforderung können damit unterschiedliche Bereiche desselben Bauteils mit angepassten Materialeigenschaften versehen werden, zum Beispiel mit verschleißfesten Oberflächen, zähen Volumeneigenschaften und korrosionsbeständigen Kanälen.
In der Produktionspraxis kann das DMD-Verfahren mit klassischen abtragenden Prozessen wie Fräsen oder Drehen kombiniert werden. Sogenannte Hybridmaschinen erlauben einerseits die Herstellung komplexer Bauteile mithilfe von Additive Manufacturing, können andererseits im selben Setup aber auch präziseste Fräsaufträge übernehmen.

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