A-Metal ETH-Spinoff entwickelt Metall-3D-Drucker

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Derzeit wird Metall-3D-Druck vor allem als Dienstleistung angeboten. Die Maschinen sind teuer und das Handling mit dem Pulver setzt Infrastruktur mit speziellen Belüftungs- und Luftfilteranlagen voraus. Das Start-up A-Metal hat einen kartuschenbasierten «Laser Powder Bed Fusion»-Drucker entwickelt, der in einer einfachen Werkstatt betrieben werden kann.

Das Metallpulver, das bei additiven Druckverfahren eingesetzt wird, ist sehr fein – mit Durchmessern im Mikrometerbereich. LPBF-Drucker (Laser Powder Bed Fusion) stehen deshalb in Räumen mit spezieller Lüftung und Schleusen, damit die Partikel nicht herausgetragen, von Personen eingeatmet oder über die Haut aufgenommen werden. Im LPBF-Drucker wird das Bauteil mit Laserenergie Schicht für Schicht in einem Pulverbett zusammengeschmolzen. Am Schluss liegt das Bauteil bedeckt im Pulverbett, wird von Hand herausgenommen und vom Pulver befreit – was ein bisschen ans Spielen im Sandkasten erinnert.

Stephan Steiner und Andreas Kuster, die Gründer des Start-ups A-Metal, störten sich an diesem heiklen Handling mit Metallpulver. Sie wollten einen Drucker entwickeln, der in einem normalen Raum eingesetzt werden kann. Zudem koste ein konventioneller LPBF-Drucker über eine halbe Million Schweizer Franken. Sie haben sich einen Preis unter CHF 100 000.- zum Ziel gesetzt. «Unsere Kunden kommen vor allem aus der Zahntechnik und dem industriellen Werkzeugbau», sagt Stephan Steiner.

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Masterarbeit an der ETH

Steiner hat für seine Masterarbeit an der ETH bei Inspire eine Beschichtereinheit mit neuartiger Pulverzuführung für LPBF-Drucker entwickelt: Das Pulver soll nicht offen in den Drucker gefüllt, sondern in geschlossenen Kartuschen eingeführt werden. Aus diesen wird das Pulver in 30 µm dünnen Schichten aufs Pulverbett aufgetragen. «Die Mechanik im Drucker, den wir heute ausliefern, hat sich deutlich weiterentwickelt und hat nicht mehr viel mit den ersten Prototypen in der Inspire-Versuchsanlage gemein, aber das Kartuschensystem hat sich bewährt», so Steiner.

Auch das Befreien des Bauteils vom Pulver im Druckbett erfolgt bei A-Metal hinter geschlossener Tür: Über eine Handschuhbox wird das Bauteil noch im geschlossenen Drucker aus dem Pulverbett gehoben und vom Pulver befreit. Der Bediener verfolgt seine Arbeit am Bildschirm über eine Kamera im Innern des Druckers. Das übrige Pulver bleibt im Drucker und kann wiederverwendet werden. Wenn der Bediener den Drucker öffnet, reichen eine normale FFP3-Maske und Handschuhe zum Schutz. Da kein offenes Pulver umgefüllt werden muss, braucht der Raum weder eine spezielle Lüftung mit Filtern noch eine Schleuse oder einen ESD-Boden. Es reicht ein normaler Werkstattraum mit Belüftung. Letzteres, weil Stickstoff oder Argon als Schutzgas eingesetzt wird.

Erste Pilotkunden

10 Geräte der Pilotserie und weitere 8 Geräte aus der weiterentwickelten Vorserie hat A-Metal mittlerweile ausgeliefert. «Wir haben früh mit Pilotkunden begonnen und wertvolle Erfahrung gesammelt», sagt Steiner. So muss die Bedienung für ihr Kundensegment einfach und unkompliziert sein. Sie erinnert an die gängigen Kunststoff-3D-Drucker. Der Bediener liest über einen USB-Stick das Druck-File ein und startet den Job. Viel Know-how steckt natürlich in der Parametrisierung und den Templates, welche beispielsweise die Stützen für die Wärmeableitung berechnen. Dieses Know-how fliesst im Hintergrund und für den User unsichtbar in die Software ein. Steiner hat darum auch keine Angst, dass ihr Drucker von der Konkurrenz kopiert wird:

Beim Metall-3D-Druck ist das Hauptproblem insbesondere die Parametrisierung des Wärmeeintrags: Die durch den Laser eingebrachte Wärme kann zum Verzug des Bauteils oder zu dessen Ablösung von der Grundplatte führen. Auch Oberflächen können überhitzen. «Es steckt viel Know-how in der Prozessparametrisierung und Benutzerführung. Wir haben aus dem Kundenfeedback viel Finetuning gemacht», erklärt Steiner.

Weniger Achsen, eigene Elektronik

Auch beim Preis des Druckers liegt das Start-up auf Kurs: «Unser Drucker hat keinen klassischen Feeder-Zylinder. Zudem setzen wir keine Standard-Steuerung ein, sondern haben sowohl Elektronik als auch Soft- und Firmware selber entwickelt. So bleiben die Kosten in der Produktion tief.» Für die Elektronik sei Andreas Kuster der Experte. Die Elektronik steuert den Laser, die optischen Spiegel, Motoren und Ventile an und liest diverse Sensoren aus, die im Bauraum den Prozess überwachen. Mittlerweile ist das Entwicklungsteam bei A-Metal auf 8 Personen angewachsen.

Um den Preis tief zu halten, beschränkt sich A-Metal auf einen Laser mit 200 Watt Leistung. «Der Laser ist das teuerste Bauteil im Metall-3D-Drucker», erklärt Steiner. «Die Produktivität ist bei uns deshalb etwas geringer, die Geschwindigkeit rund 30 Prozent tiefer als bei Druckern mit höherer Leistung oder Mehrlasersystemen.» Aber bei ihren Kunden sei dies kein Thema: Die Zahntechniker würden den Tag durch die Zahnspangen und Prothesen modellieren und über Nacht drucken – meist viele Gerüste gleichzeitig im selben Druckjob. Die Qualität des Drucks sei auf demselben Niveau wie bei den teuren Geräten.

Der Bauraum von 150 x 150 x 150 mm sei zwar sehr kompetitiv, aber im Vergleich zu anderen Produktions-Druckern kleiner. Für viele KMU reiche dies gut aus. Wichtiger ist laut Steiner, dass der Drucker nicht zu viel Platz einnehme. Das Gerät von A-Metal hat mit 60 x 90 x 120 cm etwa das Volumen eines Kühlschranks.

Aufgewachsen mit Inspire

Die aktuellen Vorseriengeräte baut A-Metal im Technopark Zürich, wo das Unternehmen dank dem Spinoff-Label der ETH in den ersten Gründungsjahren günstig eingemietet war. «Wir sind hier zudem eng verbunden mit Inspire», erklärt Steiner. Schon bei seiner Masterarbeit habe ihn Adriaan Spierings von Inspire in St. Gallen unterstützt. Vor der Gründung des Start-ups seien sie Teil von Inspire gewesen, das sie als Gast-Institut beherbergt habe. «Nach meiner Masterarbeit haben wir von Innosuisse den ‹Bridge Proof of Concept Grant› bekommen und konnten die Technik weiterentwickeln.» Voraussetzung für den Grant war, dass sie Teil einer Schweizer Forschungseinrichtung waren. Bei Inspire hätten sie aber auch von der Infrastruktur, den Labors, der Werkstatt und nicht zuletzt vom Know-how profitiert. «Ohne Inspire und den Grant von Innosuisse gäbe es uns heute nicht», versichert Steiner.

2023 gründeten Stephan Steiner und Andreas Kuster das Start-up A-Metal und lieferten 2024 bereits die ersten 9 Maschinen aus. 2025 begannen sie mit der Vorserie und machten eine weitere Finanzierungsrunde über 2,1 Millionen Schweizer Franken. «Jetzt bereiten wir die Serienmaschine vor, deren Produktion Anfang 2027 starten wird», führt Steiner aus. Die Serienproduktion wird nicht mehr im Technopark sein, aber nach wie vor in der Schweiz: «Die Nähe zur Produktion ist uns wichtig», erklärt Steiner. Ralf Gerdes, CEO von Inspire, ist stolz auf das Start-up: «A-Metal ist ein Paradebeispiel dafür, wie aus einer Masterarbeit und Forschung wirtschaftliche Wirkung entsteht. A-Metal hat eine anspruchsvolle Technologie nicht nur vereinfacht und sicherer gemacht, sondern sie auch für neue Anwendergruppen zugänglich gemacht. Wir sind stolz, dass wir die Gründer auf einem Teil dieses Weges begleitet haben, und freuen uns über ihren beeindruckenden Erfolg.»

(neu)

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