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Samstag, 23. Februar 2019

Produktionstechnik

Spannende Zeit für Zerspaner

Von Stefan Asche | 13. September 2018 | Ausgabe 37

3-D-Metalldrucker werden immer größer, die Qualität der gefertigten Produkte besser. Künftig braucht es also vielleicht weniger Dreh-, Bohr- und Fräsmaschinen.

BU Mammutdrucker
Foto: Fraunhofer IAPT

Amtierender Weltmeister: Der Bauraum des 3-D-Druckers im Fraunhofer IAPT misst 750 m3(s. auch Kasten rechts).

Mehr Dynamik geht kaum: Beim Metalldruck wächst die Zahl der verfügbaren Verfahren gerade ähnlich schnell wie die Bauraumgrößen. Ein Beispiel: Als die ersten Single-Laserschmelz-Maschinen zur Jahrtausendwende ihre Arbeit aufnahmen, boten sie im Inneren kaum Platz für eine Kaffeetasse. Nun entwickelt die Lübecker SLM Solution AG eine Druckkammer mit den Maßen 60 cm x 60 cm x 80 cm, also ca. 0,3 m3. Darin sollen mindestens zwölf Laser gleichzeitig tanzen und Metallpartikel verschmelzen. Das markiert den Einstieg in eine neue Dimension – und ist technisch entsprechend anspruchsvoll. Alleine die Choreografie des Laserballetts, das Pulverhandling und die Luftstromführung verlangen nach höchster Ingenieurkunst.

Der größte Metalldrucker der Welt

Die Maschinenbauer der Sciaky Inc. aus Chicago zeigen sich von den Maßen wenig beeindruckt. Sie behaupten, über die weltweit voluminöseste Bauplattform zur additiven Fertigung von Metallteilen zu verfügen. Ihre Drucker, in denen angeblich bis zu 8,35 m3 große Werkstücke hergestellt werden können, basieren allerdings auf dem Ebam-Verfahren (Electron Beam Additive Manufacturing).

Beim Ebam-Verfahren trägt eine voll bewegliche Elektronenstrahlkanone Metall schichtweise (über einen Ausgangsdraht) auf, bis das Werkstück fertig und für die abschließende Nachbearbeitung bereit ist. Ein wesentlicher Vorteil im Vergleich zum Fräsen aus dem Vollen ist die Materialeffizienz. Je nach Werkstück können laut Sciaky bis zu 80 % des Metalls eingespart werden. Dementsprechend kürzer sei auch die Nachbearbeitungszeit – was wiederum zu geringeren Werkzeugkosten führe.

Die Auftragsgeschwindigkeit beläuft sich laut Sciaky auf 3 kg/h bis zu 9 kg/h, abhängig von der Zielgeometrie und dem gewählten Material. Die von Ebam unterstützten Metalle umfassen unter anderem Titan, Edelstahl, Aluminium, Inconel, Tantal, Wolfram und Niobium. Praktisch könnten alle Metalle, die schweißbar und in Drahtform erhältlich sind, eingesetzt werden. Zu den Kunden zählen u. a. das US-Verteidigungsministerium, die US-Luftwaffe, Boeing und Lockheed Martin.

Das australische Unternehmen Titomic behauptet ebenfalls, den größten Metalldrucker der Welt anzubieten. Tatsächlich ist der Bauraum deutlich größer als bei den Amerikanern. Er misst stolze 9 m x 3 m x 1,5 m, also 40,5 m3.

Die Maschine basiert auf der Kaltgas-Spritztechnik. Dabei wird ein Prozessgas bei bis zu 50 bar Druck einer Spritzpistole zugeführt und im Pistolengehäuse auf über 1000 °C aufgeheizt. Die anschließende Expansion des erhitzten und hoch gespannten Gases in einer konvergent-divergenten Düse hat zur Folge, dass das Prozessgas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und im gleichen Moment auf Temperaturen von unter 100 °C abkühlt. In den rasanten Gasstrom wird nun Metallpulver eingebracht. Die Partikel erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 1200 m/s. Sobald sie auf eine Oberfläche treffen, verformen sie sich und bilden eine fest haftende Schicht – ohne zuvor aufgeschmolzen worden zu sein. Schicht für Schicht entsteht so ein Bauteil.

Die Australier haben die Spritzpistole an einen Sechsachsroboter montiert, der mittels eines Gantry-Systems über dem gigantischen Bauraum verfahren wird. CEO Jeff Lang behauptet, seine Maschine könne bis zu 45 kg Metall pro Stunde auftragen. Branchenexperten halten 10 kg allerdings für realistischer. Aber selbst das ist im Vergleich zum klassischen Laserschmelzen immer noch ein riesiger Sprung: Dort liegt die maximale Aufbaurate aktuell bei etwa 0,3 kg/h.

Der gut 40 m3 messende Bauraum des australischen Druckers ist schon recht beeindruckend. Aber gemessen an den 500 m3, die das italienische Unternehmen Multiax in Kooperation mit der kalifornischen 3D-Hybrid Solutions Inc. vor zehn Monaten in Aussicht stellte, ist das sehr übersichtlich. In diese Dimensionen vorstoßen wollen die beiden Firmen, indem sie ihre Kompetenzen bündeln: Multiax entwickelt vor allem große CNC-Maschinen, die auf Gantry-Systemen basieren. 3D-Hybrid hat sich auf Metalldruckköpfe spezialisiert. Die Amerikaner bieten Lösungen für drei Technologien: Laser-Auftragschweißen, Kaltgasspritzen und Lichtbogen-Auftragschweißen. Verwirklicht wurde die angekündigte Mammutlösung trotz des geballten Know-how bisher nicht.

Foto: Fraunhofer IAPT

Claus Emmelmann, Leiter des Fraunhofer IAPT: „Wenn die Druckkosten weiter sinken, werden etliche Fräsprozesse unwirtschaftlich.“

Vielleicht deshalb, weil die aufwendige Konstruktion schon jetzt nicht mehr zum Weltrekord reichen würde. Den hält nämlich inzwischen Claus Emmelmann, Leiter der Fraunhofer Einrichtung für Additive Produktionstechnologien (IAPT) in Hamburg. Zusammen mit seinem Team hat er einen Bauraum mit einem Volumen von stolzen 750 m3 realisiert (30 m x 5 m x 5 m). Möglich macht das ein Gantry-System mit drei Portalbrücken, auf denen mindestens ein robotergestützter Laser- und/oder Lichtbogenauftragskopf arbeiten.

Damit ließen sich mit sechs Robotern Aufbauraten von ca. 50 kg/h im Lichtbogenverfahren und 3 kg/h im lasergestützten additiven Auftragprozess, etwa mit Titan, erreichen. Erste Projekte laufen derzeit mit der Luftfahrt- und Schiffbauindustrie – mit im Fraunhofer IAPT entwickelter, integrierter sowie zertifizierbarer Qualitätsdiagnose und -regelung. Das IAPT wird mit diesem XXL-Drucker auch Kunststoffe wie Ultem, PPA, PPS, PA und faserverstärkte Composite-Materialien im Schmelzschichtverfahren drucken.

Ist das ein Beispiel für German Overengineering? Oder fragt der Markt wirklich solche Giganten nach? Emmelmann: „Ein sinnvolles Einsatzgebiet ist beispielsweise der Flugzeugbau. Dort werden aktuell große Rumpfbauteile verwendet, die einen Zerspananteil von 90 % haben. Ihre Herstellung ist also extrem kosten- und zeitintensiv – insbesondere dann, wenn die Halbzeuge aus Titan sind.“ Auch in der Verfahrenstechnik könne der XXL-Metalldruck Kostenvorteile bringen.

Foto: Airbus

Gedruckter Flieger: XXL-Drucker könnten Flugzeugrümpfe aus einem Stück drucken. Bei Airbus gibt es erste Überlegungen, wie das Design aussehen könnte.

Aber Größe ist nicht alles. „Die Materialeigenschaften gedruckter Bauteile, und hier besonders die Festigkeit, sind wichtige Kennwerte“, weiß Emmelmann. Und genau an diesem Punkt wähnen Kritiker der additiven Fertigung Defizite. Sie behaupten, der schichtweise Aufbau münde stets in vergleichsweise schlechten Produkteigenschaften. „Dabei ist das Gegenteil schon mehrfach bewiesen“, entgegnet der IAPT-Chef. „Bei den meisten Verfahren haben die Bauteile direkt nach dem Druck eine Qualität, die der von gewalzten Materialien entspricht. Wenn noch eine Nachbehandlung erfolgt, wird sogar die Klasse der geschmiedeten Materialien erreicht.“

Eine Nachbehandlung kann auf verschiedenen Wegen erfolgen. „Manchmal genügt es, nur die Oberfläche zu glätten“, so Emmelmann. Bei dynamisch belasteten Bauteilen könne so die Bildung von Anfangskerben verhindert werden. „Wem das noch nicht reicht, der kann seine Bauteile zusätzlich heiß-isostatisch pressen.“ Bei diesem als „hippen“ bezeichneten Vorgang werden die Bauteile in einem hochtemperierten Druckkessel zusätzlich verdichtet.

„Die herausragenden Materialeigenschaften können wir im Fraunhofer IAPT durch eigens entwickelte Qualitätsdiagnosemethoden für statische und dynamische Anwendungen zertifizierbar nachweisen“, berichtet Emmelmann.

Und die Kosten? Noch ist die additive Fertigung in der Mehrzahl der Fälle teurer. Allerdings wird aktuell an gleich mehreren Stellschrauben gedreht, um das zu ändern. So wird beispielsweise die Automatisierung des gesamten Herstellungsprozesses vorangetrieben. Namhafte Marktteilnehmer arbeiten fieberhaft an der Fabrik der Zukunft. Ihre Vision: Am Eingangstor werden Rohstoffe angeliefert, am Hallenende können nachbehandelte Bauteile entnommen werden.

Außerdem haben neue Verfahren das Potenzial, das bisherige Preisgefüge durcheinanderzuwirbeln. „Beim Binder Jetting hat einer der Marktführer jetzt angekündigt, den Bauteilpreis von heute über 1000 €/kg auf 30 €/kg senken zu können“, so Emmelmann. „Solche Kosten werden konzeptionell auch im IAPT bereits lasertechnisch erreicht. Wenn das wirklich gelingt, werden etliche Fräsprozesse unwirtschaftlich.“

Das Binder Jetting ist ein zweistufiges Verfahren. Zunächst wird Metallpulver mit einem Bindemittel Schicht für Schicht zu einem Grünling geformt. Dieser kommt anschließend in einen Sinterofen. Ein Vorteil des Verfahrens ist die hohe Produktionsgeschwindigkeit.

Nachteile haben die additiven Verfahren in der Geometriegenauigkeit. „An Stellen, an denen es auf den Mikrometer ankommt, muss häufig nachgefräst werden“, weiß Emmelmann. „Schon deshalb wird es auch zukünftig Bearbeitungszentren geben müssen. Aber wenn man mich fragt, ob die auf Halbzeugen basierende Frästechnik durch die Kombination aus 3-D-Druck und frästechnischer Nachbearbeitung ersetzt werden kann, so lautet meine Antwort: Ja.“