700 kg aus Schweißdraht: So druckt die Industrie riesige Metallteile

Ein geschwungenes Dach, getragen von Verbindungsknoten aus dem 3D-Drucker: Für seinen Pavillon auf der internationalen Gartenbauausstellung GREEN×EXPO 2027 setzt der japanische Baukonzern Takenaka auf ungewöhnlich gefertigte Metallteile. Die Knoten verbinden die Träger der Dachkonstruktion und müssen je nach Einbauposition unterschiedlich geformt sein.

Erster Einsatz in einem genehmigten Gebäude

Hergestellt wurden sie mit Wire Arc Additive Manufacturing, kurz WAAM. Nach Angaben des Unternehmens ist es weltweit der erste Einsatz solcher WAAM-Verbindungsknoten als tragende Bauteile in einem behördlich genehmigten Gebäude. Takenaka gab dies am 10. November 2026 bekannt.

Der Vorteil liegt dabei in der Vielfalt: Statt für jede Variante eine eigene Gussform herzustellen, lassen sich die unterschiedlichen Knoten mit demselben Verfahren direkt aus digitalen Konstruktionsdaten fertigen. Dass die gedruckten Teile den Belastungen standhalten, überprüfte Takenaka unter anderem mit Materialtests, Versuchen an Bauteilen in Originalgröße und Computersimulationen. Doch wie wird aus einem Metalldraht ein tragendes Bauteil?

Was ist WAAM – und wie funktioniert das Verfahren?

Das Grundprinzip kennen viele vom Lichtbogenschweißen aus der Metallverarbeitung: Ein elektrischer Lichtbogen erzeugt genügend Wärme, um Metall aufzuschmelzen. Beim WAAM wird kontinuierlich Draht zugeführt und das flüssige Metall entlang vorgegebener Bahnen abgelegt. Ein Industrieroboter oder ein Portalsystem bewegt dazu den Schweißbrenner. Auf die erste Lage folgt die nächste. So wächst nach und nach ein dreidimensionales Bauteil. Schutzgas verhindert, dass das Schmelzbad und das abkühlende Metall mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft reagieren.

Struktur aus Metallsträngen

Anders als beim klassischen Verbindungsschweißen geht es also nicht darum, zwei vorhandene Metallteile zusammenzufügen. Die Schweißraupen bilden selbst die gewünschte Struktur. Ausgangspunkt ist meist eine Grundplatte. Material lässt sich aber auch auf ein bestehendes Bauteil auftragen, etwa um es zu ergänzen oder zu reparieren.

WAAM gehört zur Verfahrensfamilie der Directed Energy Deposition (DED), bei der Material während des Auftrags durch eine Wärmequelle aufgeschmolzen wird. Die Bezeichnung DED-Arc verrät dabei, woher die Energie kommt: „Arc“ ist das englische Wort für Bogen, in diesem Fall für den Lichtbogen.

Warum sich WAAM besonders für große Metallteile eignet

Ein echter Vorteil ist die Geschwindigkeit, mit der das Material aufgetragen wird. Mittels WAAM lassen sich mehrere Kilogramm Metall pro Stunde verarbeiten. Das macht das Verfahren für große Bauteile interessant, deren Herstellung mit anderen additiven Verfahren viel Zeit beanspruchen würde.

Auch gegenüber dem Fräsen aus einem massiven Metallblock ist der Aufwand in vielen Fällen geringer. Statt zunächst einen großen Rohling bereitzustellen und einen erheblichen Teil davon als Späne abzutragen, baut man eine Vorform auf, die der späteren Bauteilgeometrie bereits nahekommt. Präzise Anschlussflächen oder Bohrungen werden anschließend spanend bearbeitet. Ganz ohne Fräsmaschine geht es deshalb häufig auch beim WAAM nicht. Der Materialbedarf kann jedoch deutlich geringer ausfallen.

WAAM: Ein Verfahren für spezielle Einzelstücke?

Besonders interessant ist das für Einzelstücke und Kleinserien. „Zusammengenommen hat die Methode dadurch großes Potenzial für die Herstellung individualisierter Einzelteile und komplexer Kleinserien im Großformat“, erklärte Ulf Ziesing aus dem Projektteam der Ruhr-Universität Bochum im Newsportal der Hochschule.

Verarbeiten lassen sich beispielsweise Stahl, Aluminium und Titan. Allerdings braucht jeder Werkstoff passende Prozessbedingungen. Bei Titan ist der Schutz vor Reaktionen mit der Umgebungsluft besonders wichtig. Der Anlagenhersteller Gefertec beispielsweise setzt dafür auf eine vollständig geschlossene Schutzgasatmosphäre. Die Wahl des Metalls beeinflusst also auch die Anforderungen an die Anlage und die Prozessführung.

Vom Verbindungsknoten zum Verdichterrad

Welche Dimensionen WAAM erreichen kann, zeigt auch die Formnext, die vom 17. bis zum 20. November in Frankfurt stattfindet. Gefertec kündigt dort ein rund 700 kg schweres Verdichterrad (Impeller) an. Daneben will das Unternehmen unter anderem einen Notausstiegsrahmen aus Titan für Flugzeuge und eine Werkzeugform präsentieren. Die Beispiele zeigen, wie unterschiedlich die Einsatzgebiete sind: vom Maschinenbau über die Luftfahrt bis zur Herstellung von Werkzeugen.

Dabei muss nicht immer das gesamte Bauteil aus dem Drucker kommen. Auch die Kombination mit konventionell gefertigten Teilen ist möglich. So lassen sich auf vorhandenen Rohlingen zusätzliche Strukturen aufbauen. Statt das komplette Werkstück neu zu konstruieren, wird es dort ergänzt, wo die zusätzliche Geometrie benötigt wird.

Wo die Grenzen von WAAM liegen

Viel Material in kurzer Zeit aufzutragen, hat allerdings seinen Preis. Die einzelnen Schweißraupen hinterlassen eine wellige Oberfläche. Feine Strukturen lassen sich damit nur eingeschränkt herstellen. „Der Lichtbogen lässt sich […] nicht so exakt fokussieren wie ein Laserstrahl“, erklärte Max Fabian Steiner, seinerzeit wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT, in einer Pressemitteilung des Instituts. Präzise Funktionsflächen müssen deshalb häufig nachbearbeitet werden.

Hinzu kommt die ungleichmäßige Erwärmung. Während der Lichtbogen an einer Stelle Metall aufschmilzt, sind benachbarte Bereiche bereits abgekühlt. Beim Erstarren und Abkühlen zieht sich das Metall zusammen, wird dabei aber vom umgebenden Material behindert. So können Eigenspannungen entstehen und sich Bauteile verziehen. Auch die Werkstoffeigenschaften hängen vom Wechsel zwischen Erwärmung und Abkühlung ab. Material, Konstruktion und Prozessführung müssen deshalb sorgfältig aufeinander abgestimmt werden.

WAAM: Oft Nachbearbeitung nötig

Eine gezielte Wärmebehandlung nach dem Drucken kann solche Eigenspannungen reduzieren. Anders als beim örtlich begrenzten Erhitzen durch den Lichtbogen werden Temperatur, Haltezeit und anschließende Abkühlung dabei kontrolliert auf den Werkstoff abgestimmt. Weitere Wärmebehandlungen können dazu dienen, die gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen. Fräsen und Schleifen sorgen anschließend für passende Maße und Oberflächen und können die Ermüdungslebensdauer verbessern.

Für die Wirtschaftlichkeit zählt die gesamte Prozesskette. Ein schneller Materialauftrag allein sagt wenig darüber aus, wie aufwendig die Herstellung des fertigen, geprüften Bauteils ist.

Kann WAAM die Pulververfahren ablösen?

WAAM und pulverbasierte Verfahren haben unterschiedliche Stärken. Beim Laser-Pulverbettverfahren wird beispielsweise Metallpulver schichtweise verteilt und an ausgewählten Stellen aufgeschmolzen. Damit lassen sich feinere Details und komplexere Geometrien herstellen. WAAM punktet dagegen bei großen Strukturen und hohen Auftragsraten. Das Fraunhofer IAPT beschreibt WAAM entsprechend als Ergänzung zu anderen additiven Fertigungsverfahren.

Dabei ist Pulververfahren nicht gleich Pulververfahren. Neben dem Laser-Pulverbettverfahren gibt es das Laser-Pulver-Auftragschweißen, bei dem Pulver während der Bearbeitung zugeführt wird. Auch gegenüber diesem Verfahren bietet WAAM einen schnelleren Materialauftrag, erreicht jedoch eine geringere Detailauflösung. Welcher Weg der bessere ist, hängt somit von Größe, Geometrie, Werkstoff und geforderter Genauigkeit ab. Eine pauschale Ablösung der Pulververfahren durch WAAM lässt sich daraus nicht ableiten.

Vom gedruckten Teil zum tragenden Bauteil

Beim Takenaka-Pavillon kommen mehrere Anforderungen zusammen: Die Verbindungsknoten müssen unterschiedlich geformt sein, sich wirtschaftlich herstellen lassen und zuverlässig Lasten übertragen. WAAM eröffnet dafür einen Fertigungsweg. Die notwendigen Nachweise nimmt es den Ingenieuren jedoch nicht ab. Takenaka ließ neben den Bauteilen auch die Grundlagen der Tragwerksplanung und der Qualitätskontrolle überprüfen.

Ob sich das Verfahren für eine Aufgabe eignet, entscheidet sich deshalb nicht nur am Drucker. Konstruktion, Nachbearbeitung und Prüfung gehören von Anfang an dazu.