3D-Metalldruck Aufbauen, anbauen, reparieren mit Additiver Fertigung

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SLM, EBM, DED, LMD, WAAM, Coldspray – Was verbirgt sich hinter den Abkürzungen und für welche Zwecke sind diese additiven Verfahren sinnvoll?

• Pulverbettverfahren haben geringere Aufbauraten, können aber nicht direkt in eine Linie integriert werden.

• Das LMD-Verfahren verarbeitet je nach Maschine sowohl Metallpulver als auch Draht.

• Das Verfarhen Cold spray deposition hat seinen Ursprung im Kaltgasspritzen.

Es steht fest. Sie haben sich lange informiert, mit Ihren Mitarbeitern beraten, Anwender nach deren Erfahrungen befragt, genug Anwendungspotenzial gefunden und die Kosten überschlagen. Jetzt soll auch Ihre Produktion um einen 3D-Drucker erweitert werden. Aber welches der Additiven Verfahren für Metall ist das Passende?

Wie so oft liegt alles an der Anwendung. Was Sie additiv fertigen wollen oder auch wofür Sie die Additive Fertigung einsetzen wollen, bestimmt das Verfahren. Dazu gehören selbstverständlich Bauteilgröße, Geometrie und Stückzahl. Auch die Frage, ob die neue Maschine Teil einer Produktionslinie sein soll oder separat steht, wird bei mancher Anwendung bereits beantwortet.

Für mehr Genauigkeit und weniger Nachbearbeitung

Das verbreitetste Verfahren der Additiven Fertigung mit Metall ist das selektive Laserschmelzen (SLM, auch LBMF). Im Bauraum wird per Laser Metallpulver an den geplanten Stellen verschmolzen. Das geschieht unter einer Gasatmosphäre, zumeist unter Argon, womit diese Anlagen nicht direkt in eine Produktionslinie integriert werden können. Das Gleiche gilt für das EBM-Verfahren (electro beam melting, Elektronenstrahlschmelzen), das ebenfalls zu den Pulverbettverfahren gehört. „Diese Verfahren haben eine etwas geringere Aufbaurate, aufgrund der Genauigkeit sind nur wenig spanende Arbeiten notwendig“, erklärt Jörg Willmann, Gründer von Additive Willmann die Vorteile. Was nachgearbeitet werden muss, sind Funktionsflächen, Oberflächen und Gewinde. Zu einer (teil-)automatisierten, aber auch zu einer guten Positionierung des Werkstücks bei einer händischen Weiterbearbeitung gehört sollte man auf ein Nullpunktspannsystem achten.

Für Reparaturen und Ergänzungen

Für eine direkte Zusammenarbeit mit subtraktiven Verfahren, also Additive Fertigung als Bestandteil der Produktionslinie, empfehlen sich DED-Verfahren (direct energy deposition). Zu diesen Verfahren zählen sowohl Pulver- als auch Drahtbasierte Techniken. Das LMD-Verfahren (Laser Metal Depositon) beispielsweise verarbeitet je nach Maschine sowohl Metallpulver als auch Draht. Ein Laser erzeugt ein Schmelzbad, gleichzeitig wird Pulver oder Draht mithilfe eines Inertgases zugeführt und aufgeschmolzen. Da die Grundfläche, auf der aufgebaut wird, aufgeschmolzen wird, kann dieses Verfahren für Reparaturen oder ergänzende Anbringungen an bereits bestehenden Teilen verwendet werden. „Hier gibt es namhafte Maschinenhersteller, die diese Technologie und somit die Hybridfertigung direkt integriert haben. Das Bauteil kann somit in einer Aufspannung fertig bearbeitet werden“, so Willmann. Aufbauraten von bis zu 2,5 kg/h seien möglich, ergänzt er.

Für große Bauteile und Ergänzungen

Wer ein größeres Bauteil aufbauen oder per Additiver Fertigung erweitern will, der ist mit dem WAAM-Verfahren (Wire & Arc Additive Manufacturing) besser beraten. Dabei wird ein Metalldraht per Lichtbogenschweißen zu einem endkonturnahen Bauteil verarbeitet. Da ein Roboter die Schweißdüse führt, sind mehrachsige Bewegungen die Regel. Manche Hersteller bieten auch sich bewegende Bauplattformen an. Aufbauraten von 4 bis 11 kg/h sind üblich. Postprocessing ist bei diesem Verfahren notwendig, zumeist kommen zu den Oberflächenbehandlungen zuvor auch subtraktive Bearbeitungen hinzu. „Hier ist es wichtig die Schnittstellen zwischen den Anlagen clever zu lösen“, hebt Willmann hervor. Ein Vorteil bei diesem Verfahren ist, dass mit Draht geschweißt wird. Ein bekanntes Vorgehen und eine günstige Materialvariante.

Weniger bekannt ist das Verfahren cold spray deposition, das seinen Ursprung im Kaltgasspritzen hat. Anstatt Metallpulver mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl zu schmelzen, wird beim Coldspray mit Geschwindigkeit gearbeitet. Pulverpartikel werden mit dreifacher Schallgeschwindigkeit auf die Substratplatte beziehungsweise die untere Schicht „gefeuert“. Durch den Aufprall verformen sich die Pulverpartikel und verbinden sich. Ein Bauteil ist sehr schnell aufgebaut, doch Details herauszuarbeiten, fast unmöglich. Die Datenaufbereitung wird als anspruchsvoll eingestuft. Laut Willmann lässt es sich gut mit einer Fräsmaschine kombinieren und durch den geringen thermischen Einfluss, komme es seltener zu Verzügen und Spannungen im Bauteil. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine speziell aufbereiteten Pulver nötig sind.

Einen Tipp hat Willmann noch: „Höchst interessant sind die Hybridverfahren, also Integrationssätze, die es ermöglichen, die Additive Fertigung auf vorhandenen CNC-Maschinen zu integrieren. Somit senken Sie die Investitionskosten und das Stillstandsrisiko. Denn es kann weiterhin subtraktiv gearbeitet und je nach Bedarf additiv kombiniert werden.”

* bei der Zusammenstellung unterstützt wurde die Redaktion von Jörg Willmann, Gründer von Additive Willmann, Tel. (0 76 57) 93 21 18, additive-willmann.de

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