3D-Geometrien drucken statt formen – neue Perspektiven für Design und Funktion

Aktuelle Trends des Laserschmelzens mit Metallen (LaserCUSING) verändern die Fertigung der Zukunft – Qualitätsanforderungen an generative Verfahren wachsen

Das Zauberwort der industriellen Fertigung lautet 3D-Drucken. Die Abkehr vom formgebundenen Denken, hin zu einer additiven Geometriefreiheit von Bauteilen ist inzwischen keine Mode, sondern ein starker Trend. Die Vorteile sind augenfällig: schnellere Durchlaufzeiten, günstigere Bauteile und eine bislang unbekannte Freiheit der Formgebung. Folge dieser dynamischen Marktentwicklung: Die Branche scheint sich an zweistellige Wachstumsraten zu gewöhnen. Dr. Florian Bechmann, Entwicklungsleiter bei Concept Laser, berichtet über Trends und erhöhte Anforderungen an die Qualität.

Impulssetzende Wegbereiter des 3D-Druckens sind die Automobilindustrie, die Medizintechnik sowie die Luft- und Raumfahrt. Diese Technologietreiber stellen nicht nur hohe Ansprüche an die Qualität oder Wahl der Materialien, sondern auch an quantitative Aspekte, wie die Steigerung der Produktivität. Die Anwender fordern kürzere Bauzeiten beziehungsweise mehr Teile in einem Bauraum. Für die Automobilindustrie entwickelte Concept Laser den derzeit größten Bauraum mit der X line 1000R.

Der Übergang vom 400-W-Laser zum 1000-W-Laser gilt als ein wichtiger Meilenstein des Verfahrens. Die Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Laserspezialisten der Fraunhofer-Gesellschaft. Ziel war es, schnellere Prozesse, die auch noch kostengünstiger sind, zu realisieren. Die zeitsparende Motorenentwicklung moderner Fahrzeuge oder große Bauteile der Luft- und Raumfahrt sind Anwendungen für sehr große Laserschmelzanlagen.

Generative Verfahren in Luft- und Raumfahrt

Innovationen gehen verstärkt von der Luft- und Raumfahrt aus, die hochwertige Lösungen nachfragen. Der Einsatz von reaktiven Materialien wie Titan oder Aluminiumlegierungen, die nur im geschlossenen System sicher und hochwertig hergestellt werden können, ist in der Luft- und Raumfahrt sehr gefragt. Alle Anwender wie NASA, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne oder Astrium Space Transportation aus der EADS-Gruppe sehen das generative Verfahren als den nächsten Entwicklungsschritt der modernen Fertigung auf breiter Linie. NASA-Ingenieure denken sogar darüber nach, Bauteile additiv auf der ISS, also im Orbit, herzustellen. Das hätte den Vorteil, mittels CAD-Daten Bauteile im Weltraum fertigen zu können. Für die USA kann man einen hohen Kapital- und Personaleinsatz beobachten. Das gilt für Forschung und Lehre, aber auch für die Industrie. Die Europäer können ihre Beiträge aus Forschung und Maschinentechnik vor allem in den USA und in Europa einbringen. In Europa fördert die EU dieses Verfahren durch Projekte wie AMAZE, weil man hier von deren Nachhaltigkeit und der Innovationskraft überzeugt ist.

Medizintechnik als wichtiger Eckpfeiler

Das Laserschmelzen von Metallen revolutioniert die Medizintechnik nachhaltig: Althergebrachte Prozessketten denken komplett um. So sind LaserCUSING-Teile bei Implantaten gefragt, die mit porösen Oberflächen gut einwachsen, gleichzeitig aber auch die notwendige Elastizität erlauben. Eine aufstrebende Anwendung ist preisgünstiger und schnell herzustellender Zahnersatz aus biokompatiblen Werkstoffen. Hochpassfähige, langlebige Dentallösungen, statt handwerklich hergestelltem Zahnersatz.

Werterhaltung als Option

Auch im Retrofit kann das Verfahren punkten: So können verschlissene Turbinen­teile aus Kraftwerkstechnik oder Flugzeugbau schnell und kostengünstig regeneriert werden. Auf den Grundkörper können in dem exakt gleichen Material additiv Schichten als hybride Technik aufgebracht werden. Neben dem Regenerieren werden zudem komplett neue Teile in der Turbinentechnik gefertigt.

F&E-Anstrengungen legen zu

Um die Entwicklungstätigkeit zu forcieren und der erhöhten Nachfrage des Marktes gerecht zu werden, eröffnete Concept Laser Ende 2013 ein neues Entwicklungs­zentrum. Laserschmelzen mit Metallen übt für Konstrukteure und Entwicklungsingenieure unterschiedlichster Branchen eine hohe Faszination für die Bauteilgestaltung aus. Ziel der Anlagenbauer ist es, diese Entwicklung des Marktes mit Innovationen zu begleiten. Bei komplexen Anlagen ist ein intensives Zusammenspiel von Optik, Mechanik, Steuerungstechnik, Software und Pulvermaterial sicherzustellen. Im neuen Entwicklungszentrum von Concept Laser wird an diskreten Innovationen, die nicht der breiten Öffentlichkeit gezeigt werden sollen, gearbeitet .

Neue Optionen für Konstrukteure

Mit dem LaserCUSING können Funktionen wie Kühlkanäle eingebettet werden. Das ist interessant für Bauteile, die starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind, oder auch zur Reduktion von Zykluszeiten bei Spritzgießformen für die Kunststoffverarbeitung. In der Offshore-Industrie gibt es Überlegungen, Laserschmelzanlagen auf Bohrplattformen zu installieren, um autark­ bestimmte Bauteile vor Ort zu produzieren. Die Technologie ist ortsungebunden und kann lokal ablaufen.

Qualität in Echtzeit sicherstellen

Concept Laser bietet für die Anlagen Qualitätsmanagement-Module (QM-Module). Dazu gibt es zwei Ansätze: QMmeltpool und QMcoating. Wie Dr. Bechmann hierzu erläutert, nimmt beim QMmeltpool das System mit Hilfe von Kamera und Fotodiode­ Signale während des Aufbauprozesses auf. Diese Daten können im Anschluss mit einer Referenz verglichen werden. Das optische System ist koaxial aufgebaut. Es ermöglicht der Kamera, den Schmelzpool über eine sehr kleine Fläche von circa 1 x 1 mm² aufzunehmen. Leistungsreduktionen des Lasers,­ ausgelöst durch die Kontamination der F-Theta-Linse oder bedingt durch die natürliche Alterung des Lasers, aber auch Abweichungen des Dosierfaktors können hiermit erkannt ­werden.

Der zweite Ansatz ist das Modul QMcoating: Es stellt sicher, dass die optimale Pulver­menge zum Einsatz kommt, um nicht benötigtes Material (bis zu 25 %) zu sparen und um kürzere Rüstzeiten zu ermöglichen. ­QMcoating kontrolliert die Schichtober­fläche während des Pulverauftrags. Bei zu geringer oder zu hoher Pulverdosierung wird der Dosierfaktor dementsprechend angepasst, also aktiv gegengesteuert.

Die beiden Qualitätsmanagement-Module überwachen und dokumentieren den Prozess­ in Echtzeit und stellen somit reproduzierbare Qualität sicher.

Schlüsselfaktoren für mehr Qualität

Bei Concept Laser fällt eine charakteristische Trennung von Bauraum und Handlingsraum auf: Dies, so Dr. Florian Bechmann, soll maximale Arbeitssicherheit und Ergonomie bieten. Die Anlagen verfügen über einen automatisierten Pulvertransport­ in Containern. Anlagentechnik als geschlossenes System beim Laserschmelzen mit Metallen hat zahlreiche Vorteile: Dies gilt für die Qualität der Bauteile, weil Kontaminierungen durch Sauerstoff vermieden werden, aber auch bei der Sicherheit, wenn reaktive Materialien wie Titan oder Titan­legierungen verarbeitet werden. Die Sicherheitsanforderungen an die Anlagentechnik werden durch die ATEX-Richtlinie der EU definiert.

Zukunftsaspekte des Laserschmelzens

Die Applikationen des Laserschmelzens mit Metallen wachsen in die Breite und damit auch das Spektrum der Werkstoffe. Dies erfordert eine starke Beratungsleistung, die Concept Laser für den Markt erbringen muss. Die Anlagentechnik muss nach Ansicht von Dr. Florian Bechmann an diese­ neuen Materialien immer wieder punktgenau ausgerichtet werden. Gleichzeitig wachsen die konstruktiven Anforderungen an Bauteile. Das reicht vom Leichtbau oder Quasi-Schaumstrukturen bis hin zur Funktionsintegration, wie zum Beispiel Kühlkreisläufe in Bauteilen. Multiplikation über Branchengrenzen hinweg beflügelt die Innovationsgeschwindigkeit der Anlagenbauer. Ein anderer Aspekt ist die Zunahme der Bedeutung von Qualität in der Wahrnehmung von Anwendern. Die Kunden erwarten eine aktive Prozessüberwachung und Serientauglichkeit, das heißt Reproduzierbarkeit auf industriellem Niveau.

Die Sicht der Kunden konzentriert sich derzeit sehr stark auf Qualitätsanforderungen. Dies erfordert nach den Worten von Dr. Bechmann ein hohes Niveau im Zusammenspiel von Optik, Mechanik, Steue­rungstechnik und Software einer Anlage. Die Schlüsselfaktoren liegen dabei in einer übergreifenden Qualitätsüberwachung. Die patentierten Qualitätsmanagement-Module von Concept Laser entscheiden dabei über Güte, Bedienbarkeit und Einflussnahme in Echtzeit auf den laufenden, hochdynamischen Bauprozess. Anwender interessieren sich neben Geometrie, Dichte­ und Produktivität heute vor allem für die Qualität des Endprodukts.

Wie Dr. Bechmann erläutert, sind zwei Ansätze für ein höheres Maß an Qualität zielführend: Aktive Prozessüberwachung durch die Maschi­nentechnik und Entwicklungen auf der Materialseite. Dazu zählt das Zertifizieren von Materialien, etwa in der Medizintechnik, oder auch die herstellerspezifischen Vorschriften, wie man sie in der Automobilbranche oder der Luft- und Raumfahrt beachten muss.

Entwicklungen der nahen Zukunft

Dr. Florian Bechmann sieht generell beim Mapping, also einer Landkarte des Bauteils wichtige Entwicklungen der nahen Zukunft. 2D-Mappings werden während des Bau­prozesses generiert und werden im Anschluss in 3D-Modellen darstellbar sein. Dies ist vergleichbar den Aufnahmen mit CT-Messungen, also der Computertomografie aus der Medizintechnik. Diese 3D-Darstellung wird nach Ansicht von Dr. Bechmann zukünftig die Transparenz des Prozesses steigern und erfasst das Bauteil in seiner strukturellen Gesamtheit. Dies bedeutet Transparenz in einem hochdynamischen, schnellen Prozess, den der Bediener nur mit besonderen Hilfen meistern kann.

Begehrlichkeiten der Kunden sieht Dr. Bechmann in der zukünftigen Geschwindig­keit beim Aufbau der Bauteile: Dazu gibt es zwei Wege: einerseits eine höhere Laserleistung wie bei der X line 1000R, also der Sprung von 400-W- auf 1000-W-Laser, andererseits der Einsatz von mehreren Lasern. Mehrere Laserquellen können künftig die Bauteilrate deutlich erhöhen, wobei der Vorteil des Einsatzes von bekannten Prozessparametern gegen die zunehmende Komplexität des optischen Aufbaus abzuwägen ist. In diesen Konzepten wird nämlich nicht nur der Laser, sondern auch ein Großteil der anderen optischen Komponenten multipliziert.

Concept Laser GmbH
An der Zeil 8, D-96215 Lichtenfels

• www.concept-laser.de

LaserCUSING®

Mit dem LaserCUSING®-Verfahren von Concept Laser werden mechanisch und thermisch belastbare­ metallische Bauteile mit hoher Präzision erstellt. Zum Einsatz kommen je nach Anwendung Edel- und Werkzeugstähle, Aluminium- oder Titanlegierungen, nickelbasierte Superlegierungen, Kobalt-Chrom-Legierungen oder auch Edelmetalle wie Gold- oder Silberlegierungen.

3D-Darstellung wird zukünftig die Transparenz des Prozesses steigern und erfasst das Bauteil in seiner strukturellen Gesamtheit. Dies bedeutet Transparenz in einem hochdynamischen, schnellen Prozess, den der Bediener nur mit besonderen Hilfen meistern kann (Bild: Concept Laser GmbH)

Text zum Titelbild: Ohne QMcoating kann es zu unzureichender Beschichtung des Layer kommen (die roten Bereiche weisen auf fehlendes Pulvermaterial hin); Ansatz dazu: Mit QMcoating wird der Dosierfaktor des Pulvers innerhalb der Toleranz angepasst
Bild: Concept Laser GmbH