Die Digitalisierung von Fertigungsprozessen ist in großen Teilen der Industrie weiter auf dem Vormarsch. CAD-Systeme haben längst die Führung in der industriellen Produktion übernommen und sind durch fortlaufende Perfektionierung nirgendwo mehr wegzudenken. Dabei geht es hauptsächlich um subtraktive Verfahren wie das Fräsen und Drehen, bei denen bis zu 90 % Materialabfall entsteht, bevor sich am Ende das gewünschte Ergebnis abzeichnet.
Additive Fertigungsprozesse indes bringen nur so viel Material in die Produktion ein, wie auch effektiv benötigt wird. Während 3D-Drucker für Kunststoffprodukte bereits für abwechslungsreiche Formgebungen sorgen, ist die Auswahl an technischen Möglichkeiten im Metallsektor bislang noch eingeschränkt.
Die Basis für das etablierte Lasersintern oder Laserstrahlschmelzen ist stets ein Metallpulver, das über den Laserstrahl verflüssigt wird, um anschließend zu erkalten. Die Herstellung des gewünschten Bauteils erfolgt schichtweise und kann mit der Qualität von herkömmlich gegossenen Bauteilen in der Regel auch standhalten. Allerdings eignen sich diese Verfahren vorwiegend für filigrane und formatbegrenzte Formen.
3D-Metallschweißen nach OTC Synchro Feed-Verfahren
Die Palette der additiven Fertigungsprozesse wurde nun um die Möglichkeit des 3D-Metallschweißens erweitert: OTC Daihen Europe GmbH aus Mönchengladbach hat sich das eigene Synchro Feed-Verfahren zunutze gemacht, um – wie beim Schweißen üblich – durch das Abschmelzen eines Werkstoffes zunächst eine Trägerfläche aufzubringen und diese anschließend Schicht für Schicht aufzubauen. Wie auch bei allen anderen Prozessen entsteht daraus am Ende ein physischer Körper aus einem 3D-Programm.
Das Synchro Feed-Verfahren ist für die präzise Steuerung des Lichtbogens sowie die Abschmelzung des Materials verantwortlich. Andernfalls würde das Material bei zu hoher Temperatur einfach abfließen – bei zu niedriger Temperatur tritt die aufgebrachte Lage metallurgisch nicht in Verbindung mit der bereits geschweißten Lage darunter, was ebenso von Nachteil ist. Es kommt also bei der 3D-Schweißkonstruktion auf die materialspezifische Wärmeeinbringung an.
Was bei verschiedenen Materialen beachtet werden muss
Bereits auf der letzten Messe Schweißen & Schneiden wurde demonstriert, dass dieser Prozess mit Aluminium unterbrechungsfrei zum gewünschten Ergebnis führt. Bei der Fertigung größerer Objekte muss lediglich die Kühlung an die jeweils aufgebrachte Lage angepasst werden.
Bei besonders festen Materialien wie Stahl kommt es darauf an, mehr Energie in den Prozess einzubringen, diese aber auch rechtzeitig wieder auszuleiten. Dabei darf das Material unter keinen Umständen „überlaufen“, da es sonst zu schädlichen metallurgischen Einflüssen oder Verbindungen käme. Es gilt also, das Material nach Maßgabe einer entsprechenden Temperaturkurve rechtzeitig abzukühlen. Eine besondere Herausforderung, der sich künftig auch 3D-Schweißkonstruktionen aus Edelstahl stellen müssen.
Vom Prototyp zur Kleinserie
Grundsätzlich bieten metallische 3D-Druckerzeugnisse besondere Freiheiten in der Konstruktion, was hohe Materialeinsparungen mit einschließt. Das robotergestützte SynchroFeed-Schweißverfahren von OTC arbeitet im Aluminiumbereich mit einer Geschwindigkeit von 80 cm/Min. – Lasersinterverfahren dagegen operieren weitaus langsamer. Vor allem liegt der Arbeitsbereich des Roboters bei etwa 2 m², was der Flexibilität und der Konstruktion größerer Bauteile zugute kommt.
Für einzelne Industriebereiche wie die Luftfahrtindustrie, in der es nicht auf große Stückzahlen ankommt, ist das 3D-Verfahren in Metall von OTC prädestiniert. Das gilt vor allem für mittelständische Betriebe, die Einzelstücke oder Kleinserien produzieren.
Metallbauer, die ausgefallene Treppengeländer oder Formen produzieren möchten, schaffen sich mit der Möglichkeit des 3D-Druckens in Metall gegenüber der klassischen Handarbeit eine wirtschaftliche Alternative. Besonders dann, wenn ein ausgefallener Prototyp anschließend in kleiner Auflage an den Start gehen soll.
In der Großserienfertigung hat nach wie vor die Spritzgusstechnik die Nase vorn. Wenn man sich entscheidet, in die Massenproduktion einzusteigen, kalkuliert man jedoch auch von vornherein mit einer deutlich höheren Gewinnschwelle. Dennoch lassen sich beide Verfahren sinnvoll ergänzen. Ein mögliches Beispiel sind Kühler für LKWs: Eine über die Spritzgußtechnik vorgefertigte Massenauflage von Kühlnetzen könnte sich komplementär um individuelle Anschlussstutzen ergänzen lassen, die über den 3D-Druck in Metall angefertigt werden.
Eine weitere Möglichkeit wäre das Aufpanzern eines Grundkörpers aus der Massenproduktion mit einem Härtematerial. Möglicherweise möchte man gezielt Konturen oder Formen auf dieses Objekt aufbringen, die allerdings später nicht aufwendig abgeschliffen werden sollen. Eine solche Notwendigkeit bestünde nur dann, wenn man statt dem 3D-Druck auf das Lasersintern zurückgreifen würde.
Derzeit interessieren sich vor allem Forschungseinrichtungen für die neue Technologie und man arbeitet daran, über die Schweißtechnik nicht nur aus einer senkrechten Position heraus zu produzieren, sondern künftig auch Schräglagen des Brenners von rund 30° zu nutzen.
