Forschung

3D-Drucken mit Metallen

08.02.2019 - Das 3D‐Drucken von Metallbauteilen ist wegen der hohen Temperaturen eine große Herausforderung und erfordert vorbereitende Computersimulationen.

Das 3D‐Drucken von Kunststoffteilen erlebt derzeit einen Boom. Der Industrie eröffnen solche neuen Fertigungsmethoden hochflexible Möglichkeiten, komplexe Spezialteile herzustellen – auch aus Metall. Während einfache 3D‐Drucker für Kunststoffe bereits Einzug in private Haushalte halten, stellt die Fertigung metallischer Werkstücke mit Hilfe von Laserstrahlen eine komplexe Herausforderung dar. Welche grundsätzlichen Schritte vom 3D‐Computermodell bis zum Bauteil nötig sind und welche Tücken dabei im Detail stecken, schildert ein Artikel in Physik in unserer Zeit an verschiedenen Beispielen.

Das 3D‐Drucken mit Lasern ist strenggenommen nur eines von fünf technischen Verfahren, um auf Basis eines Computermodells ein Bauteil durch schichtweises Auftragen eines formlosen Rohstoffes aufzubauen. Allgemein heißt diese Verfahrensklasse in der Industrie additive Fertigung, doch die Pars‐pro‐toto‐Bezeichnung 3D‐Drucken hat sich als Schlagwort wohl unabänderlich im öffentlichen Bewusstsein festgesetzt.

Die additive Fertigung unterscheidet sich grundlegend von anderen Herstellungsprozessen. Das klassische Gießen zum Beispiel verwendet zwar einen formlosen Ausgangsstoff, aber die Gießform, nicht ein Computermodell, bestimmt die Form des Werkstücks. Das CNC‐Fräsen als zweites Beispiel nutzt zwar ein Computermodell und fällt damit ebenfalls unter das Schlagwort digitale Fertigung, doch es trägt subtraktiv Werkstoff von einem Metallstück ab.

Die in Physik in unserer Zeit vorgestellte Technik zur Fertigung metallischer Werkstücke nennt sich Selektives Laserstrahlschmelzen (Selective Laserbeam Melting, SLM): Laserstrahlen verflüssigen einen pulverförmigen metallischen Rohstoff, die Schmelze erstarrt Schicht für Schicht zur Form. Die Erfindung des SLM‐Verfahrens geht auf ein Forschungsprojekt im Jahr 1995 am Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen zurück. Heute verwendete Werkstoffe reichen von Edel‐ und Werkzeugstahl über Titan, Aluminium bis zu Legierungen auf Basis von Nickel oder Kupfer.

Der Aufbau des Werkstücks findet in einem Pulverbett statt. Für die Schmelzenergie sorgt ein Hochleistungslaser, meist ein Faserlaser mit 200 bis 500 W Leistung. Sein fokussierter Strahl wird computergesteuert von einem Scannerspiegel über die Pulverbettfläche gefahren. Die vom Laser bestrahlten Bereiche schmelzen bei Temperaturen bis 3000 K – abhängig vom Metall – und erstarren anschließend wieder als konsolidiertes Material. Nach jeder Lage wird das Werkstück um einen Schritt abgesenkt, typisch sind 20 bis 50 µm. Ein Wischer (Rakel) verteilt eine neue Schicht Pulver über das Pulverbett. Dann beginnt der Laserschmelzprozess von vorn, mit einer neuen Schichtinformation, sodass das Werkstück Schicht um Schicht wächst.

Die erforderlichen hohen Temperaturen im Laserfokus sorgen allerdings für einen thermomechanischen Verzug, der insbesondere bei komplexen Geometrien eine Herausforderung darstellt. Eine Prozesssimulation soll Designer so unterstützen, dass das Werkstück in den gewünschten Maßen ohne intolerable geometrische Fehler, Risse und mit optimal geringer Porosität entsteht. Die Simulation muss die Makroskala des Werkstücks mit der Mesoskala der lokalen Schmelzbadumgebung so verbinden, dass praktikable Rechenzeiten erreichbar sind.

Abb. 1 3D-Druck einer Luft‐Swirler‐Komponente und thermodynamische Simulation der auftretenden Verzerrung in Millimeter.

Abbildung 1 verdeutlicht dies am Beispiel einer Luft‐Swirler‐Komponente eines Gasturbinen‐Brenners. Der Durchmesser ist nach der CAD‐Zeichnung mit 133 mm vorgegeben. Die Simulation (rechts) errechnete hierfür eine Verzerrung von insgesamt 0,38 mm. Beim fertigen Bauteil (links) liegt sie schließlich bei 0,4 mm, kommt also der Vorhersage der Simulation sehr nahe. Die Farbskala rechts zeigt die lokale Verzerrung in Millimeter.

Den Artikel mit vielen weiteren Details über die Herausforderungen beim Drucken und die Simulationen finden Sie hier zum freien Download.

Originalveröffentlichung

D. Reznik, D. Kastsian, V. Lüthen, U. Krüger, 3D‐Drucken mit Metallen, Phys. Unserer Zeit 50(1), 28 (2019). https://doi.org/10.1002/piuz.201901505

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