Zukunft additiver Fertigung

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Schwarz AG - Warmpresswerk

Angehrn AG - Umformtechnik

DMB Technics AG

ETH Zürich Institute of Virtual Manufacturing

4. Wirtschaftlichkeit und Industrialisierung

Urformende Fertigungsverfahren sind immer in Prozessketten eingebunden, um die Genauigkeit bestimmter geometrischer Features oder die Oberflächeneigenschaften zu verbessern, und es wäre vermessen zu glauben, dass dies bei AM-Verfahren nicht der Fall wäre. Eine Prozesskettenbetrachtung von AM-Verfahren, insbesondere von pulverbasierten Verfahren, muss grundsätzlich die drei Prozessschritte Pulverisierung, Pulverhandling und Pulverauftrag mit beinhalten. Für die Nachbearbeitung der Bauteile kann gegenüber herkömmlichen Urformverfahren ausgenutzt werden, dass die Anordnung des Materials numerisch gesteuert erfolgt und daher für die Nachbearbeitung genau bekannt ist, wo sich Material befindet. Luftschnitte in der spanenden Nacharbeit können somit weitestgehend vermieden werden. Entsprechend sind mittlerweile Kombimaschinen bekannt, die das DMD-Verfahren auf Fräsmaschinen darstellen. Damit wird der Abtrag ohne Umspannung des Bauteils auf der gleichen Maschine realisiert. Nachteil dieser Kombimaschinen ist, dass das investierte Kapital (Fräsmaschine und Laserstrahlquelle mit Pulverzufuhr, Laserkopf und Laserschutz) nur teilweise genutzt werden kann. Solche Maschinen sind interessant, wenn zur Erzeugung des Bauteils mehrfach zwischen Auftragen und Abtragen hin- und hergewechselt werden muss, was allerdings nur einen geringen Teil der zu fertigenden Werkstücke betrifft. Interessant wäre bei solchen Maschinenkonzepten, wenn z.B. ein Laser für verschiedene Kombimaschinen verwendet werden kann und mit Strahlweichen von einer auf die andere Maschine umgeschaltet werden kann. Für die teure Laserstrahlquelle zählen wie bei anderen Laserverfahren für die Wirtschaftlichkeit die Beam-On-Zeiten, während Laserkopf, Pulverzufuhr und Laserschutz dennoch nur teilweise genutzt werden.

Beim DMD-Verfahren kommen zudem häufig vorgefertigte Teile zum Einsatz, die additiv modifiziert werden und gegebenenfalls danach nochmals nachgearbeitet werden. Mit zunehmender Industrialisierung werden diese Prozessketten durch verschiedene Maschinen mit einem geeigneten automatischen Handling abgebildet. Der Vorteil der definierten Materialanordnung bleibt dabei erhalten, wenn die Handlingsysteme diese orientierungsgerecht übergeben. Für das DMD-Verfahren bieten sich dafür die bekannten Palettenspannsysteme an. Untersucht werden muss natürlich der Wärmeeintrag auf das Spannsystem, welches gegebenenfalls mit einem Kühlanschluss ausgestattet werden muss. Allerdings kann für das SLM-Verfahren das gleiche Prinzip verwendet werden. Die Bauplatte, auf der die Teile entstehen, müsste auf einer Palette aufgebaut werden, was eine Modifikation heutiger SLM-Maschinen erfordert. Vor jeder Weiterverarbeitung muss bei diesen Maschinen die Bauplatte mit den Werkstücken vom losen Pulver befreit werden. Die Spannpalette wird dann zugleich für die Aufspannung zur Nachbearbeitung verwendet.

Damit muss die Anbindung der Bauteile auf die Bauplatte nicht nur der Wärmeableitung aus dem Prozessraum dienen und die Verzüge behindern, sondern sie muss den Zerspanungskräften standhalten und eine genügende Steifigkeit bieten. Nach der mechanischen Nachbearbeitung erfolgt dann erst die Abtrennung der Bauteile von der Bauplatte, was mit geeigneten Werkzeugen auf der spanenden Werkzeugmaschine realisiert werden kann. Gegebenenfalls erfolgt dann noch eine Bearbeitung auf der Gegenseite, die ebenfalls mit einer geeigneten Automatisierung auf der spanenden Maschine realisiert werden kann. Für die mit AM-Verfahren realisierbaren komplizierten Innenkonturen bieten sich Strömungsschleifverfahren, z. B. «ExtrudeHone», an. Eine Modifizierung der Spannvorrichtung und/oder der Teilerealisierung, sodass diese Verfahren am Teil auf der Bauplatte bereits angesetzt werden können, bietet sich an. Und ebenso bietet es sich an, eventuell erforderliche Wärmebehandlung direkt in der Prozesskette vorzunehmen, nämlich ebenfalls in der Aufspannung aus dem AM-Prozess. Speziell für DMD-Verfahren, bei denen typischerweise auch stärkere Laser verwendet werden, kann die Wärmebehandlung auch durch den Laser selber erfolgen, genau wie z. B. auch die Verringerung der Eigenspannungen, was den Vorteil hat, dass durch den Eigenspannungsabbau entstehende Verzüge auch durch die Aufspannung gesteuert werden können.

AM-Verfahren kommen aus dem Rapid Prototyping und zeichnen sich dadurch aus, dass Teile schnell, d. h. ohne lange Vorbereitungsaufwendungen, auf die Maschine gebracht werden können. Dennoch bedarf es einer gewissen Vorbereitung. Es muss die für das SLM ideale Lage ermittelt und die Stützstrukturen ankonstruiert werden. Dann müssen die Parameter im geeigneten Prozessfenster für das Pulver festgelegt werden. Letzteres funktioniert heute bereits über Materialdatenbanken. Mit der Prozesskettenbetrachtung und vor allem beim DMD, bei dem das Teil auch für die Aufbaurate geeignet positioniert werden kann, wird die Planung und wegen der Wirtschaftlichkeit die automatisierte/regelbasierte Planung immer wichtiger. Dasselbe trifft zu, wenn es um die Erzielung hoher Genauigkeit und Qualität und damit die Minimierung von Eigenspannungen und Verzug geht. Planungssysteme, die das leisten, gibt es derzeitig nicht. An Systemen, die Auf- und Abtrag miteinander optimieren und die eine Lageoptimierung sowie die Stützstrukturen festlegen können, wird derzeitig gearbeitet, z. B. auch bei inspire icams und IWF der ETH Zürich. Ein weiterer Schritt ist dann immer noch die Verzugsoptimierung.

Wesentlich für die Wirtschaftlichkeit ist zudem die Aufbaurate. Dies trifft insbesondere zu, wenn im AM-Verfahren grosse Bauteile mit mehreren hundert Kilogramm Gesamtgewicht aufgebaut werden sollen. Während typische Aufbauraten des SLM-Verfahrens für Stahl derzeit bei etwa 200 g/h liegen, können diese verzehnfacht werden durch das DMD-Verfahren, wobei mit einer Verschlechterung der Auflösung bezahlt werden muss. Eine weitere Steigerung der Aufbaurate um den Faktor 10 wiederum mit Verlust der Auflösung ist möglich, wenn beim DMD mit konventionellen MIG-Brennern und Drahtzufuhr gearbeitet wird. Maschinen mit zwei verschiedenen Energiequellen erscheinen dann eine geschickte Kombination, wobei die hohen Auftragsraten durch den MIG-Brenner, die feinen Konturen mit einem gut fokussierenden Laser kleiner Leistung realisiert werden. Gegenüber heutigen Pulverpreisen ist der Materialeinsatz bei Drahtzufuhr deutlich kostengünstiger, so dass Drahtzufuhr auch für das laserbasierte DMD-Verfahren interessant ist. Hinzu kommt, dass beim pulverbasierten DMD je nach Geometrie mindestens 30 bis herauf zu 70 Prozent des zugeführten Pulvers gar nicht zum Aufbau beitragen und die Wirtschaftlichkeit daher wesentlich vom Pulverrecyclingkonzept abhängt. Um die Aufbaurate beim SLM zu steigern, wird mit mehrfachen Laserspots gearbeitet, die entweder direkt aus einem Laser ausgekoppelt werden können oder je eine Laserstrahlquelle haben. Damit wird der Wärmestrom auf mehrere Stellen verteilt. Eine solche SLM-Maschine, bei der die beiden Laser separat arbeiten, aber auch zur Steuerung der Temperatur-Zeit-Kurve an einer einzigen Aufbaustelle verwendet werden können, wird derzeitig am IWF der ETH Zürich entwickelt und aufgebaut und ist in Bild 9 zu sehen.

Für das DMD bleibt die Drahtzufuhr aber interessant, wobei der Draht entweder als Kaltdraht direkt dem Brennfleck des Lasers zugeführt wird oder als Heissdrahtverfahren, bei dem eine lichtbogenunterstützte Drahtzufuhr und ein Laser als Hybridverfahren zusammenarbeiten und somit sehr hohe Abschmelzleistungen erzielt werden können. Entscheidender Nachteil ist, dass der Draht seitlich in den Schmelzpool zugeführt werden muss. Um konstante Verhältnisse zu erzeugen, benötigt der Schweisskopf in diesem Fall eine zusätzliche Drehachse, damit die Drahtzufuhrrichtung relativ zum Vorschub immer gleich steht. Überwinden lässt sich dies, indem man gemäss Bild 10 die Drahtzufuhr in die Mitte stellt und den Laser mit Hilfe eines Axicons in einen fokussierten Ringstrahl um die Drahtzufuhr herum anordnet. Das entspricht dem Prinzip, alles, Materialzufuhr, Energieeinspeisung und auch die Überwachung, entlang der optischen Achse anzuordnen. Dies wäre auch eine sinnvolle Variante für die Pulverzufuhr, da damit ein höherer Pulverwirkungsgrad erwartet werden kann.

Nachdem heutige SLM-Maschinen im Wesentlichen eine Standardbauteilgrösse abdecken, werden diese Verfahren auch für Kleinteile und für Grossteile interessant. Am Markt ist ein Trend hin zu anwendungsspezifischen Maschinen zu beobachten. So lassen sich Spezialmaschinen für die Verarbeitung von Edelmetallen, bei denen Pulvernutzung verbessert und Pulvereinsatz minimiert werden muss, finden. Spezialmaschinen entstehen derzeitig auch für Grossteile, wobei hierfür eigentlich nur noch DMD mit Laser, MIG, Pulver oder Draht in Frage kommt. Aber jede universelle Lasermaschine mit genügend grossem Bauraum kann für DMD ausgerüstet werden. Zumeist mangelt es dann an genügend leistungsfähigen Pulverförderern.

Eine weitere interessante Entwicklung stellen kontinuierliche AM-Verfahren dar, bei denen die Werkstücke kontinuierlich tiefer in das Pulverbett hineinwandern, bis sie schliesslich am Ende des Bauraums die gewünschte Höhe erreicht haben und ausgepackt werden können. Für die Erstellung von polymergebundenen Sandkernen für die Giessereitechnik ist eine solche Maschine bereits am Markt verfügbar.

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