3 Trends, die Laser-3D-Druck auf eine neue Ebene heben

Die additive Fertigung, gemeinhin auch bekannt als 3D-Druck, hat seit seinen Anfängen in den 1980er-Jahren ohne Zweifel auch die industrielle Fertigung verändert. Zunächst vor allem für das Rapid Prototyping eingesetzt, wurden seine Einsatzbereiche bald auf den Form- und Werkzeugbau und später auch auf die Kleinserien-Fertigung von Bauteilen ausgeweitet. Die meisten 3D-Druckverfahren basieren auf Kunststoffen, für die Industrie von besonderer Bedeutung sind aber metallbasierte Verfahren wie das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen.

Mit dem pulverbasierten Laserschmelzen (Laser Powder Bed Fusion) lassen sich robuste Bauteile in schwierigen Geometrien fertigen, doch die Palette an Werkstoffen war bisher relativ begrenzt. Um diesen Zustand zu ändern, haben Forschende der RWTH Aachen und des Fraunhofer-Instituts IAM eine Lösung zur individuellen Herstellung von Metallpulvermischungen entwickelt, sodass der Anwender mit einer kleinen Auswahl an Metallpulvern Legierungen mit den gewünschten Materialeigenschaften erzeugen können.

Bisher werden weitgehend Werkstoffe verarbeitet, die von den Anlagenherstellern für ihre Prozesse qualifiziert wurden, um das Verfahren in der Industrie zu etablieren. Während es bei konventionellen Produktionsprozessen hunderte verschiedene Stähle, Aluminiumlegierungen, verschleißfeste Kobalt-Chrom-Legierungen und vieles mehr für jede spezifische Anwendung gibt, beschränkt sich im 3D-Druck die Auswahl über alle metallischen Werkstoffe auf weniger als 30 Materialien, sodass nicht alle Anforderungen abgedeckt werden können.

Mit dem jetzt entwickelten LPBF-Pulverbaukasten, der etwa Eisenbasispulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän und Titancarbid enthält, lässt sich die Werkstoffpalette erweitern und Materialeigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit gezielt einstellen.

Ist das Pulver gemischt, entsteht die Legierung durch den anschließenden Laserstrahlschmelzprozess. Durch die Energie des Lasers schmelzen die Metallpulverpartikel auf und vermischen sich zur gewünschten Legierung. Am Ende des Prozesses steht das fertige Bauteil mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften. Ein weiterer Vorteil bietet sich durch die Möglichkeit, das Gefüge der Legierung mittels angepasster Laserparameter einzustellen.

In vielen Industriebranchen wie in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt oder im Energiesektor steigt die Nachfrage nach metallischen Spezialbauteilen, die leicht sind und eine hohe Festigkeit besitzen. Ein idealer Anwendungsfall für das pulverbasierte Laserschmelzen. Allerdings ist das Verfahren gegenüber der konventionellen Fertigung in puncto Stückkosten in vielen Fällen noch nicht immer wettbewerbsfähig.

Das Projekt InShaPe, in dem 10 Partner unter Leitung der TU München kooperieren, soll die metallbasierte, additive Fertigung schneller, günstiger und nachhaltiger machen.
Der verbesserte Fertigungsprozess basiert dabei auf einem optischen Hochleistungs-Lasermodul mit programmierbarer Intensitätsverteilung und KI-Techniken zur Bestimmung der optimalen Strahlform für das Zielobjekt. Zudem wurde bei InShaPe ein innovatives Prozessüberwachungssystem entwickelt, das die gleichzeitige Beobachtung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen (multispektrale Bildgebung) in den Bereich der additiven Fertigung integriert.

Die Methode hat nach Meinung der Forschenden das Zeug, herkömmliche Herstellungsverfahren wie Druckguss in puncto Präzision und Nachhaltigkeit zukünftig zu übertreffen. Denn die Anpassung der Laserstrahlform erlaubt einen energie- und materialeffizienten Fertigungsprozess. „Die Kombination dieser beiden neuen Technologien ermöglicht effiziente und fortgeschrittene Belichtungsstrategien, sodass selbst anspruchsvollste Fertigung komplexer Spezialbauteile auf Anhieb funktioniert“, so InShaPe-Koordinatorin Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy von der School of Engineering and Design der Technischen Universität München.

Obwohl der 3D-Druck von Natur aus ein digitaler Prozess ist, wird oft nur der Weg vom CAD-Modell zum Ausdruck in digitaler Form genutzt, kritisierte kürzlich auf einer Konferenz Dr. Bart van der Schueren, CTO des 3D-Druck-Spezialisten Materialise NV aus dem belgischen Leuven. Seine Empfehlung: "Schließt die Regelkette." Wenn der Anwender den Kreislauf schließe, könne er dank des Feedbacks effektiv in einen kontinuierlichen Optimierungs-Prozess einsteigen.

Wie das konkret aussehen kann, zeigt sich etwa im Projekt MultiPROmobil. Unter der Koordination des Fraunhofer ILT entstanden multifunktionale Laserwerkzeuge zum Schneiden, Schweißen und Auftragschweißen mit Draht. Zum Einsatz kommen sie in einer Zelle für multifunktionale Laserroboter-Technologie, die im Zusammenspiel mit einem digitalen Zwilling für die flexible Fertigung von Blechbaugruppen für Elektrofahrzeuge ausgelegt ist.

Treibender Faktor ist der Trend zu kleinen Losgrößen, vielen Varianten und dynamischen Produktlebenszyklen. Daher setzen die Projektpartner auf die Vorteile der digitalen Transformation. "Das Ganze mündet in einer flexiblen und rekonfigurierbaren Arbeitszelle mit skalierbaren Fertigungssystemen und Profinet-Anbindung zum digitalen Zwilling", beschrieb ILT-Wissenschaftler Martin Dahmen das Ziel.

Im Mittelpunkt steht ein multifunktionaler Bearbeitungskopf: Er schneidet, schweißt und verstärkt mit additiven Strukturen den Dreieckslenker eines Elektrofahrzeugs. Das alles geschieht sehr schnell ohne Werkzeugwechsel dank des luftgekühlten Kombikopfes, der sich mit autonomer Düse und einer adaptiven Strahlformungsoptik an die drei unterschiedlichen Bearbeitungsvorgänge schnell anpasst.

In einer virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) optimierten die Projektpartner das Zusammenspiel der Bearbeitungsschritte. Für diese Vorgehensweise spricht laut Dahmen, dass sich dank VIBN die Zeitaufwände für die Ablaufplanung des Fertigungsprozesses und die Inbetriebnahme verkürzen, die Kosten senken und die Qualität der Steuerungssoftware erhöhen lassen.