3D-Druck Die additive Fertigung ist noch nicht weit genug

Aktuelle Trends in der Produktion wie Prozessautomatisierung, Erfüllen höherer Qualitätsanforderungen durch Qualitätsmanagement und kürzere Time-to-Market-Zyklen bereiten das Feld für die additive Fertigung von Bauteilen, oft kurz auch 3D-Druck genannt. Doch in der Praxis sind die Ergebnisse noch ernüchternd.

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Diese Trends führen zu einer immer höheren Funktionsdichte von Bauteilen, zu einer stärkeren Individualisierung beziehungsweise Varianten und erfordern eine stärkere Flexibilität in der Produktionstechnik. Das sei wie geschaffen für den 3D-Druck, sagte Kolja Andreas, Leiter des Bereichs Oberfläche und Tribologie am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Universität Erlangen, auf den ZVO-Oberflächentagen 2014 in Neuss.

3D-Druck mit Metall führt zu schlechten Oberflächen

Als Ausgangsmaterialien stehen laut Andreas derzeit Sand, Kunststoff- und Metallpulver zur Verfügung. Die geringsten Zugfestigkeiten ließen sich mit Sand erreichen, die höchsten mit Metallpulvern. Mit Kunststoffen ließe sich ein breites Feld an Anforderungen durch die unterschiedlichen Verfahren, die unter dem Namen 3D-Druck oder additive Fertigung zusammengefasst werden, abdecken.

Andreas stellte die Ergebnisse mehrerer Studien des Lehrstuhls zum selektiven Lasersintern (SLS) und selektiven Laserschmelzen (SLM) von Metallpulvern vor. In einer ersten Untersuchung hätten insgesamt zwölf Forschungsinstitute Versuche durchgeführt, um Bauteile aus Edelstahlpulver herzustellen. „Im Ergebnis hat die hohe Oberflächenrauheit der unbearbeiteten Proben von additiv gefertigten Bauteilen zu Spannungskonzentrationen und vorzeitigem Versagen geführt“, erläuterte der Forscher. Erst durch eine Nachbearbeitung konnten bei der Untersuchung die Rauheit der Bauteile gesenkt und ein metallischer Glanz hergestellt werden. Insbesondere durch Wärmebehandlung ließ sich auch – mit Unterschieden je nach Pulverhersteller – eine deutlich höhere Zugfestigkeit der Bauteile erreichen. „Zum Erreichen einer ausreichenden Festigkeit ist auf jeden Fall eine Nachbearbeitung notwendig“, zog Andreas die Bilanz zum Thema additive Fertigung.

Ohne Nachbearbeitung geht es beim 3D-Druck mit Metallen nicht

In einer anderen Untersuchung versuchten die Forscher, mit SLS Umformwerkzeuge für die Massivumformung herzustellen. Das Verfahren habe jedoch auch hier insgesamt zu zerklüfteten Oberflächen mit hohen Rauheitswerten geführt. „Die Oberflächenbeschaffenheit, die wir durch additive Fertigung erreichen, reicht für die Umformtechnik nicht aus, weshalb eine Nachbearbeitung zwingend erforderlich war“, sagte Andreas. Bei einer weiteren Versuchsreihe zur Herstellung von Flanschen mittels 3D-Druck-Verfahren habe das Strahlen als Nachbearbeitung gute Ergebnisse gebracht.

Derzeit wird laut Andreas additive Fertigung insbesondere für den Prototypenbau (Rapid Prototyping) und die Fertigung von individuellen Teilen (Rapid Manufacturing) eingesetzt. Die Grenzen dieser Verfahren – mangelnde Prozessstabilität, schlechte mechanische Eigenschaften, richtungsabhängige Eigenschaften und mangelnde Oberflächengüte – machen nach Ansicht des Forschers die Verfahren insbesondere für die Werkzeugherstellung, das Rapid Tooling, unbrauchbar.

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