Schallwellen verbessern die Qualität von Bauteilen aus dem 3D-Drucker

In der Luft- und Raumfahrt sowie im Fahrzeugbau sind 3D-gedruckte Metallteile bislang eine Seltenheit. Der Grund dafür liegt in den hohen Qualitätsanforderungen, die von herkömmlichen 3D-Druckern oft nicht erfüllt werden. Am Lehrstuhl für Fertigungstechnik der Universität des Saarlandes arbeitet das Team von Professor Dirk Bähre daran, dieses Problem zu lösen. Doktorand Oliver Maurer hat einen entscheidenden Fortschritt erzielt: Mit Hilfe von Schallwellen ist es ihm gelungen, die Stabilität und Präzision kleiner Metallbauteile, die im Pulverbettverfahren hergestellt werden, deutlich zu verbessern.

Das Prinzip hinter der neuen Methode erinnert an das Verdichten von Beton: Kräftiges Rütteln zwischen den Partikeln minimiert Hohlräume und macht das Material stabiler. Im 3D-Drucker bedeutet das, dass die Metallpulverteilchen durch gezielte Schallvibrationen enger zusammenrücken. Sobald der Laser das verdichtete Pulver schmilzt, entsteht ein Bauteil mit einer feineren Kristallstruktur und verbesserter Festigkeit – vorausgesetzt, alle Prozessparameter sind exakt aufeinander abgestimmt. „Schall lässt sich sehr exakt kontrollieren und dosieren“, erklärt Maurer, weshalb er diese Methode einer mechanischen Rüttelvorrichtung vorzieht. Seine Forschungsergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Schallwellen die Qualität der gedruckten Metallteile erheblich steigern kann.

Schallwellen optimieren den 3D-Drucker-Prozess

Für seine Experimente integrierte Maurer einen Lautsprecher unter die Substratplatte eines handelsüblichen Metall-3D-Druckers. Die erzeugten Schallwellen versetzen die Platte in gezielte Vibrationen. Dies verdichtete das  Metallpulver vor dem eigentlichen Schmelzprozess. Das Ergebnis: weniger Poren, eine homogenere Mikrostruktur und eine glattere Oberfläche der Bauteile. Die geometrische Genauigkeit der 3D-Druckerzeugnisse ist ebenfalls höher. Die verbesserte Qualität führt dazu, dass die Bauteile höheren Belastungen standhalten, schneller verbaut werden können und weniger Nachbearbeitung benötigen.

Der Schmelzvorgang selbst läuft bei diesem Verfahren kontrollierter ab: Schallwellen heben oder senken die Pulveroberfläche in präzisen Grenzen aus dem Laserfokus heraus, was den Erstarrungsprozess der Schmelze beeinflusst. Durch die zusätzliche Verdichtung bleibt das Bauteil stabil im Pulverbett positioniert. Maurer vermutet, dass auch die Eigenspannung der Bauteile durch diese Methode reduziert werden könnte. Hierzu sind weitere Untersuchungen notwendig.

3D-Drucker: Metallgefüge wird durch Schall stabiler

Nach dem Aufschmelzen der Metallpartikel durch den Laser wachsen die Metallkristalle, bis sie vollständig erstarren. Bleibt das Bauteil während dieses Prozesses in ständiger Schwingung, entstehen kürzere und dichter vernetzte Kristallite in alle Richtungen. „Diesen Prozess können wir mit Schall gezielt steuern“, erläutert Maurer. Das Ergebnis ist ein deutlich stabileres Gefüge, da die Kristallite nicht mehr lang und parallel wachsen, sondern sich kompakter verbinden. Dies vermeidet Hohlräume oder Blasen im Inneren des Bauteils.

Besonders für kleine, komplex geformte Bauteile bietet das neue Verfahren Vorteile. Laut Maurer lassen sich damit Werkstücke bis zu einer handlichen Größe besonders präzise und hochwertig fertigen. Dies ist vor allem für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau sowie in der Medizintechnik interessant, beispielsweise bei der Herstellung von Prothesen. Gerade hier müssen 3D-gedruckte Metallteile höchste Qualitätsstandards erfüllen.

Herausforderungen bei der Beschallung von 3D-Druckern

Wer glaubt, es reiche aus, einen 3D-Drucker einfach zu beschallen oder zu rütteln, irrt jedoch. Der gesamte Prozess muss individuell und äußerst präzise abgestimmt werden. „Die einzelnen Prozessparameter unterscheiden sich mit und ohne Schall erheblich“, betont Maurer. Über mehrere Jahre hinweg haben die Forschenden zahlreiche Versuche durchgeführt, um die optimale Kombination aus Laserleistung, Geschwindigkeit, Pulverschichtdicke und Metallart zu finden. Nur wenn alle Faktoren perfekt harmonieren, entstehen hochwertige Bauteile aus dem 3D-Drucker.

Schon beim Laser-Auftragsschweißen, auch Laser Cladding genannt, war bekannt, dass Schall die Qualität verbessern kann. Dort werden Metallstrukturen auf einem Grundkörper aufgebaut, indem Draht oder Pulver aufgeschweißt wird. Während beim Laser Cladding jedoch eine Schallleistung von 1.000 Watt benötigt wird, reichen für den pulverbettbasierten 3D-Druck mit Maurers Methode drei bis fünf Watt aus. Seine Untersuchungen an einer Aluminiumlegierung zeigen, dass das Verfahren grundsätzlich auch auf andere Metalle übertragbar ist. Entscheidend bleibt stets die exakte Abstimmung der Schallfrequenz auf den jeweiligen Prozess. Die Universität des Saarlandes sucht nun gezielt nach Unternehmen, die Interesse an einer Weiterentwicklung und Anwendung dieses Verfahrens haben.