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Ausgewählte Ausgabe: 10-2017 Ansicht: Modernes Layout
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3D-Druck: Symmetrie war gestern

Der 3D-Druck ist in aller Munde. Man liest ja, dass schon ganze Häuser nach dieser Methode gebaut werden können. Auch Unternehmen der Heizungsindustrie setzen die Technik für die Herstellung von Prototypen einzelner Komponenten ein. Mit größeren Erfolgsmeldungen halten sie sich jedoch noch zurück. Was dieses Fertigungsverfahren vermag und was es noch nicht vermag, darüber sprach der Autor unter anderem mit Prof. Dr.- Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum von der RWTH Aachen.


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Einer von derzeit drei 3D-Druckern im Viessmann Prototypenbau

Als die Viessmann-Werke im Frühjahr dieses Jahres mit Kanzlerin Angela Merkel als Ehrengast das neue Technikzentrum eröffneten1), ging der Presserundgang an einem Labor vorbei, für das nur Zeit blieb, einen flüchtigen Blick durch die Glasscheibe hinein zu werfen. „Da fertigen wir auch Teile im 3D-Druck“, hatte der Pressereferent wie nebenbei bemerkt (Bild 1). Ob es tatsächlich der gedrängte Tagesablauf nicht zuließ, näher an die Maschinen heranzutreten, oder ob das Unternehmen sein spezifisches Know-how in diesem Bereich vorerst für sich behalten will, sei dahingestellt. Jedenfalls machte die Zurückhaltung neugierig. Was verbirgt sich hinter dem 3D-Druck?

Additiv statt subtraktiv

Zunächst: Die Bezeichnung 3D-Druck führt in die Irre. Es handelt sich nicht um Drucken oder Pressen, es handelt sich um Schmelzen und Sintern. Wieso sich die Bezeichnung 3D-Druck eingebürgert hat, weiß keiner der Experten so richtig zu beantworten. „Ein Unwort“, gibt Prof. Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum von der RWTH Aachen zu, „es ist ein auftragendes Verfahren, im Gegensatz zu den abtragenden, den Span abhebenden.“ Der Ingenieurwissenschaftler leitet den Lehrstuhl „Digitale additive Produktion“ an der Fakultät für Maschinenwesen. Ebenfalls lenkt er die Forschung am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen. Additive Produktion – das ist der korrekte Begriff für ein ganzes Bündel von Fertigungstechniken, die nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren und sich jeweils nur für ganz bestimmte Materialien eignen. Während es sich bei spanenden Bearbeitungen wie Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen um subtraktive Fertigungsmethoden handelt, um Methoden, die Material von einem Rohling wegnehmen, baut die additive Produktion das Bauteil aus dünnen Lagen dreidimensional Schicht für Schicht auf.
Es begann vor Jahren mit Kunststoffen. Dort ist man schon relativ weit. Mit entsprechenden Maschinen oder Geräten in der Preiskategorie von 200 oder 300 Euro werkeln heute bereits im privaten Bereich Bastler. Das Prinzip mit Kunststoffen sieht so aus, dass ein geeigneter Werkstoff durch Hitze oder durch hohen Druck verflüssigt und dann auf einer Trägerplatte im Bauraum beziehungsweise auf das Werkstück über eine Düse Lage für Lage aufgetragen wird (Auftragsverfahren). Die Metallindustrie dagegen arbeitet mit einem Metallpulver als Substrat. Damit wird Schicht für Schicht der Bauraum nachgefüllt (Schichtverfahren).

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Schnitt durch einen im 3D-Druck hergestellten Inox-Radial-Wärmetauscher aus Edelstahl

Der Laserstrahl schmilzt gezielt nur die Oberfläche in diesem Pulverhaufen auf. Danach überzieht die Maschine das Werkstück mit einer neuen Lage Metallstaub und schaltet wieder den Laser ein. Dieser Vorgang wiederholt sich x-mal, bis zur gewünschten Form. Der Pulverüberschuss bleibt im Bauraum. Titan und Edelstahl (Bild 2) bieten sich dafür an. Die Auswahl der Werkstoffe und Legierungen, das sei hier gleich eingeschoben, ist jedoch noch begrenzt.

Was tun bei Hinterschneidungen?

Die 3D-Methode lässt die kompliziertesten Geometrien zu. Deshalb etwas genauer gefragt, zum Beispiel: Wie fertigt man Hinterschneidungen, wie platziert man auf eine kleine eine größere Fläche? Mit Kunststoff als Substrat stellt sich die Frage nicht. Da klebt man, vereinfachend gesagt, links und rechts etwas an. Die Metallschmelze lässt das naturgemäß nicht zu.
Hier müssen sich die Techniker deshalb noch klassisch mit Stützkonstruktionen behelfen. Diese Aufgabe übernimmt teilweise das Pulver selbst, in dem das Bauteil komplett liegt. Da die Oberfläche alle Laserenergie absorbiert, verflüssigt der Strahl nur eine Tiefe von wenigen Mikrometern. Das geht aber nur bis zu einem bestimmten Grad.

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„Genau genommen befinden wir uns immer noch in der pränatalen Phase“, Johannes Henrich Schleifenbaum

Bei größeren Verwinkelungen müssen die Verarbeiter Stützmaterial aufschmelzen und es später mit einem konventionellen Bearbeitungsprozess wie Fräsen oder Erodieren entfernen. Johannes Schleifenbaum (Bild 3): „Das ist beinahe eine Wissenschaft für sich. Wie richte ich das Bauteil am geschicktesten im Bauraum aus, um mit wenig Stützkonstruktionen zu fahren? Bei einigen Geometrien lässt sich das nun mal nicht vermeiden.“ Programme helfen dabei.
Apropos Geometrien: „Das Verfahren im Metallbereich ist schon etwa 20 Jahre alt. Doch haben wir uns eigentlich in diesen beiden Jahrzehnten hingestellt und gesagt, okay, wir wollen serienidentische Materialien verarbeiten, damit die Prototypen auch jene Funktionseigenschaften aufweisen, die das spätere Serienerzeugnis hat oder haben muss. Das hat zur Folge, dass Sie Materialien einsetzen, die eigentlich nie für diesen Prozess gedacht sind. Sie arbeiten ja bei diesem additiven Verfahren mit riesigen Aufheiz- und Abkühlraten. Sie müssen sich das so vorstellen, dass klassisch ein Gussblock unter Umständen einige Tage liegt, bis er wirklich komplett erstarrt ist. Die Abkühlrate der winzigen Schmelze, die Sie mit der additiven Produktion erzeugen, bewegt sich demgegenüber bei einer Million Kelvin oder Grad Celsius pro Sekunde.“

Gesucht: die richtigen Werkstoffe

Die Metallkügelchen erstarren sozusagen schon mit dem Aufweichen. „Und das machen nur wenige Werkstoffe mit. Hier liegt der Hauptschwerpunkt von Forschung und Entwicklung. Genau genommen befinden wir uns sogar noch in der pränatalen Phase, also noch vor der Geburt dieses neuen Forschungsbereichs. Wir müssen noch die passenden Materialien designen, um dann auch ihre völlig neuen Eigenschaften zu nutzen. Diese Teile sind zu identifizieren. General Electric etwa hat jetzt eine Einspritzdüse für ihre neuen Triebwerke vorgestellt, die ausschließlich additiv hergestellt wird. Das ist Neuland.“
Mit der Düse für Triebwerke ist unter anderem angedeutet, dass es sich vorerst nicht um Massenprodukte handelt, die sich für den 3D-Druck anbieten. „Die Geschwindigkeit lässt eigentlich keine Massenfertigung zu. Sie müssen Lage für Lage auftragen. Und wir sprechen von wenigen Mikrometern pro Lage. Das dauert seine Zeit, unter Umständen Stunden.“ Zugegeben, 40 000 bis 60 000 Einspritzdüsen pro Jahr rangieren nicht gerade unter dem Kapitel Kleinserie. Doch gab die verzwickte Form des Produkts den Ausschlag für die Laserschmelztechnologie. Klassisch hergestellt setzte sich die Triebwerks-komponente aus zwanzig Einzelteilen zusammen, die zu gießen, zu fräsen und nachzubearbeiten waren. Die 3D-Maschine fertigt sie in einem Stück. Das spart Personal, Gewicht, Material und Lagerkosten.

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Autoren

Dipl.-Ing. Bernd Genath

Freier Journalist, Düsseldorf.

Vaillant eröffnet...

... neues 3D-Druckcenter

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3D-Druckerzeugnisse von Vaillant

Presseinformation von Vaillant:
„Die Vaillant Group hat Ende April in Remscheid das Kompetenzzentrum für digitale 3D-Druckverfahren eingeweiht. Es trägt den Namen 3D-CUBE. Eingesetzt wird das digitale Druckverfahren zunächst in der Vorserienproduktion zum Bau von Prototypen. Es bildet eine Schnittstelle zwischen Entwicklung und Produktion. „Das 3D-Druckverfahren ermöglicht im Vergleich zu klassischen industriellen Fertigungsverfahren die Herstellung von komplexen Bauteilen, Modulen und ganzen Baugruppen in viel kürzerer Zeit und zu deutlich geringeren Kosten. Dies macht den gesamten Entwicklungsprozess flexibler und verkürzt Innovationszyklen in der Produktentwicklung“, erläutert Dr.-Ing. Norbert Schiedeck, Geschäftsführer Technik bei der Vaillant Group, die Vorteile der Technologie. Per 3D-Druck lassen sich dabei auch Geometrien und Strukturen erzeugen, die mit herkömmlichen Werkzeugen und üblicher Verfahrenstechnik überhaupt nicht herzustellen wären. Beispiele hierfür sind der Tier- oder Pflanzenwelt nachempfundene Formen oder ineinander konstruierte Bauteile. Dies gelingt durch einen schichtweisen Aufbau in einem Werkstück. Die Maschinen im 3D-Druckcenter verarbeiten dazu Kunststoffe in unterschiedlichen technischen Verfahren sowie auch Materialien wie Kunstharze, Keramik und Metalle. Nacharbeiten an hergestellten Bauteilen sind nahezu nicht erforderlich. Dies steigert die Fertigungsqualität insgesamt. Auch für Ersatzteile ist das 3D-Druckverfahren perspektivisch eine interessante Lösung: Statt umfangreicher Lagerhaltung oder aufwändiger Nachproduktion könnten bestimmte Teile künftig bedarfsorientiert ausgedruckt werden.“

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