3D-Laserdruck von Edelstahl: High-Tech in der Stahlbranche

PUBLISHED 5 Juli 2017

Der 3D-Laserdruck hat die computergestützte Fertigung revolutioniert. Der Prozess erlaubt es, viele komplexe Komponenten mit hochwertigen Toleranzen und besserem Präzisionsgrad in verschiedenen, speziellen Formen herzustellen.


3D-Laserdruck von Profilen aus Edelstahl

3D-Laserdruck: Der Prozess

Der Prozess  beginnt mit dem Entwurf eines 3D-CAD-Modells. Eine spezielle System-Software unterteilt numerisch das CAD-Modell in mehrere finite Elemente. Für jede geschnittene Schicht wird wiederum ein Laserscan-Pfad kalkuliert. Dieser definiert sowohl die Konturabgrenzung als auch eine Art Füllsequenz mit Hilfe eines Rastermusters. Verschmolzene Partikel sind schließlich erstarren und bilden so jeweils eine Komponente, Schicht für Schicht.
Jede darauffolgende Schicht wird anschliessend sequenziell in Abschnitten kreiert. Das geschieht durch Schmelzen eines Pulverbettes mit Hilfe eines Laserstrahls. Nach jeder geformten Schicht verteilt ein Wischer das Pulver einheitlich und der Prozess beginnt von neuem.

Metal Additive Manufacturing und Metallzusatzproduktion (AM)

Metallzusatzproduktion ist eine innovative Technik. Sie fertigt die kompakten Teile direkt von 3D-CAD-Daten. Feine Schichten aus Metallpulver verschmelzen durch einen gerichteten Laserstrahl miteinander. So können schwierige Designs und Geometrien erzeugt werden, die unmöglich mittels herkömmlichen Produktionstechniken hergestellt werden können. Dieser Prozess kann bei einer Vielzahl von Anwendungen und industriellen Applikationen genutzt werden. Ein Beispiel ist der 3D-Laserdruck von metallenen Zahnimplantaten, die so entworfen sind, dass sie die Form und Härte des Originalzahns imitieren. Dies erlaubt eine grössere Biostabilität.

Komplexe Designs im 3D-Laserdruck

Ein Vorteil beim 3D-Metall-Druck ist, dass das Produkt oder Profil komplex  in CAD gezeichnet und anschließend zum 3D-Laserdrucker geschickt werden kann. Darüber hinaus werden Komponenten für Bio-Chirurgie benötigt, so zum Beispiel für künstliche Hüften. Auch Schädel- oder Gesichtsimplantate können so hergestellt werden, die in der für diesen Bereich angewendete Chirurgie zum Einsatz kommen. Folglich wird der Schädel zunächst gescannt. Anschließend werden die betroffenen Knochen per 3D-Lasermetalldruck symmetrieähnlich reproduziert werden.

Verringerte Fertigungszeit und Kosten

Dieser Prozess reduziert Produktionszeiten und somit auch die Kosten. Die Objekte werden mit hoher Präzision und sehr engen Toleranzen in Formen gefertigt. Diese wären äusserst schwierig bis unmöglich reproduzierbar, oder schlicht zu teuer, würde man nicht auf den Gebrauch von computergestützte Fertigungstechnologien zurückgreifen.

Vermeiden von Werkzeug- und Rüstaufwand

3D-Laserdruck bedarf keiner Werkzeug- und Rüstaufwendungen, die Schwächen verursachen würden. Zudem erlaubt der 3D-Druck kleine Veränderungen. Diese können bei CAD einfach vorgenommen werden, wodurch die Teile schnell neu nachproduziert werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Prozess ungesintertes Material recycelt und in weiteren Komponenten wiederverwendet werden kann. Es ist des Weiteren auch möglich, auf dem Objekt den Firmennamen oder eine ID-Nummer zu vermerken. Somit wird eine spätere Identifikation vereinfacht. Dies ist immens wichtig bei Teilen aus der Luftfahrt- oder Automobilbranche, wo eine Nachverfolgbarkeit entscheidend ist.

Flexibilität im Design

3D-Laserdruck ermöglicht flexible Designs

Einer der nützlichsten Vorteile vom 3D-Laserdruck ist die gebotene Flexibilität in anschliessenden Entwürfen. So können Modifikationen schnell und einfach umgesetzt werden. Ist ein Prototyp erst einmal fertiggestellt, können einzelne Komponenten schneller gefertigt werden. Auf diese Weise können auch weitere Folgeteile ohne grosse Verzögerung einfach produziert werden, die sich auf dieselben Daten und 3D-Scans beziehen.

Metall-Warmstrangpressen

Auf einer Plattform werden Teile in einer Warteschleife gehalten, um die Hitze und die Spannungen während des Fertigungsprozesses aufzulösen. Mit Hilfe von Stützstrukturen für anspruchsvolle Designs wird das Metallpulver gehalten und verflüssigt sich anschliessend. Dadurch wird die Endform des Fertigungsteils beibehalten und ausgehärtet. Die Stützstrukturen werden dann entfernt, sobald das Werkstück hart geworden ist.

Vielfalt von Metallen

Es ist möglich, eine Vielfalt von unterschiedlichen Materialien beim 3D-Laserdruck zu verwenden. Dazu zählen neben Edelstahl auch martensitische Stähle. Edelmetalle, Titan, und kobalthaltige Chrome finden ebenso Verwendung wie nickelhaltige Legierungen und Aluminium. Das bedeutet, dass auch die Anwendungen eine hohe Vielfalt aufweisen.
Komponenten für verschiedene Anwendungsbereiche und Industrien können so hergestellt werden. Neben der Rüstungsindustrie sind das auch Medizin sowie Luftfahrt- und Automobilindustrie. In der Architektur, dem Bauwesen und auch in der Schmuckindustrie kommen per 3D-Laserdruck hergestellte Einzelteile ebenfalls zum Einsatz.

Derzeitige Grenzen beim 3D-Laserdruck

Alles in allem ist die Technologie aber noch ziemlich teuer. Die Investitionskosten sind sehr hoch und die Produktivität hingegen niedrig. Das stellt zwar kein Problem bei Einzelfertigungen dar, für eine industrielle Massenfertigung ist der 3D-Laserdruck jedoch noch zu teuer.
Außerdem ist die Gesamtgröße des Werkstücks begrenzt. Nur kleine Profile, die in einen imaginären Würfel mit der jeweiligen Kantenlänge von achtzig Millimetern passen, können realisiert werden. Grössere Teile sind nicht realistisch.
3D-Laserdruck ist die ideale Lösung, um kleine und komplexe Komponenten herzustellen. Darüber hinaus müssen Profile aus Aluminium, Titan oder Stahl stranggepresst werden.

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