Metall-3D-Druck

Additiv gefertigte Leichtbau-Lösungen von Trumpf

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Aus Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau oder der Medizin- und Dentaltechnik-Industrie ist der Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Im Interview mit KEM Konstruktion erklärt Dr. Thomas Fehn, General Manager Additive Manufacturing beim Hochtechnologieunternehmen Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH & Co. KG in Ditzingen, welche Vorteile der Metall-3D-Druck bei der Herstellung von Leichtbauteilen bietet.

Interview: Johannes Gillar, stellvertretender Chefredakteur KEM Konstruktion

KEM Konstruktion: Immer mehr Unternehmen setzen auf die Additive Fertigung (3D-Druck) – mittlerweile auch für die Serienproduktion. Welche Gründe gibt es für den Boom dieser Fertigungstechnologie und welche Vorteile bietet sie?

Dr. Thomas Fehn: Wenn man über Additive Manufacturing redet, muss man zwischen Kunststoff und Metall unterscheiden. Trumpf beschäftigt sich ausschließlich mit dem Thema Metall-3D-Druck. Der Grund für den Boom dieser Technologien ist, dass sie neue Anwendungsfelder erschließen. Zudem ermöglicht der 3D-Druck mehr Funktionalität in die Bauteile zu bringen. Bisher wurden Bauteile für das Drehen oder Fräsen konstruiert, weswegen sie meist eine runde oder eckige Form haben. Additive Bauteile orientieren sich rein an der Funktionalität. Solche im 3D-Druck gefertigten Bauteile, etwa ein Druckluftverteiler oder die Brennkammer einer Rakete, können ganz anders aussehen als ein herkömmliches, gefrästes oder gedrehtes Teil. Die Konstrukteure können mit dieser Methode Bauteile so designen, dass sie die maximale Funktionalität erfüllen, und müssen sich nicht darum kümmern, ob sie mit einem Fräskopf in eine bestimmte Öffnung kommen. Der große Vorteil der Additiven Fertigung ist, das Konstrukteure frei-formatig denken können. Gleichzeitig ist das aber auch eine der größten Herausforderungen des 3D-Drucks. Viele Konstrukteure haben Schwierigkeiten die traditionelle Denk- beziehungsweise Herangehensweise aus der Welt des Fräsens und Drehens abzulegen. Ein weiterer Vorteil der Additiven Fertigung ist, dass weniger Material benötigt wird. Ein wichtiges Kriterium, insbesondere wenn es um sehr teure Materialien wie Titan, Aluminium oder Inconel geht. Das liegt daran, dass mit Pulver gearbeitet wird und nur das gedruckt wird, was man wirklich für das Bauteil benötigt. Überschüssiges Pulver wird gesiebt und anschließend wiederverwertet, was bezüglich des Materialeinsatzes deutliche Kosteneinsparungen zur Folge hat.

KEM Konstruktion: Sehen sie Chancen darin, die Additive Fertigung mit Composite-Techniken zu verbinden?

Fehn: Wenn wir zum Beispiel über faserverstärkte Kunststoffe sprechen, ist deren Verwendung mit den aktuellen metallischen 3D-Druck-Verfahren derzeit noch nicht möglich. Hier ist es zielführend, 3D-gedruckte Metallkomponenten in einem zweiten Arbeitsschritt mit faserverstärkten Kunststoffen zu kombinieren. Denkbar wäre auch, unterschiedliche Metalle in einem Prozess aufzubringen.

KEM Konstruktion: Trumpf bietet im Bereich der Additiven Fertigung die Verfahren pulverbettbasiertes Laserschmelzen (Laser Metal Fusion) und Laserauftragschweißen (Laser Metal Deposition) an. Welche technischen Vorteile bieten diese Verfahren?

Fehn: Das Laser Metal Fusion, kurz LMF, ist das klassische additive Verfahren, mit dem sich Volumenbauteile aufbauen lassen. Dabei wird ein Werkstück Schritt für Schritt in einem Pulverbett aufgebaut. Hierfür schmilzt ein Laser das metallische Pulver genau an den Stellen zusammen, die die CAD-Konstruktionsdaten des Bauteils vorgeben. Daher wird das Verfahren häufig als Metall-3D-Druck bezeichnet, auch Lasersintern sowie Laserschmelzen sind in der Branche geläufig. Das Verfahren eignet sich optimal für die Serienfertigung geometrisch komplexer Teile mit filigranen Innenkanälen und Hohlräumen, die mit konventionellen Verfahren wie Drehen oder Fräsen nicht oder nur mit hohem Aufwand hergestellt werden können. Mit fast zwei Jahrzehnten Erfahrung in dieser additiven Technologie bietet Trumpf Komplettpakete für das Pulverbettverfahren – bestehend aus Werkzeugmaschinen, Laser, Services und Digitalisierung. LMF hat den Vorteil, dass sich damit sehr hohe Dichten und sehr gute Oberflächenqualitäten mit sehr geringen Porositäten erreichen lassen. Das ist beispielsweise bei Luftfahrt- oder Medizintechnik wichtig.

Das Laser-Metal-Deposition-Verfahren (LMD), auch Laserauftragsschweißen genannt, ist ein Verfahren, dass verglichen mit LMF oder anderen additiven Verfahren hohe Aufbauraten hat. Der Prozess ist einfach erklärt: Auf der Bauteiloberfläche erzeugt der Laser ein Schmelzbad. Durch eine Düse wird automatisiert Metallpulver eingebracht. Es entstehen miteinander verschweißte Raupen, die Strukturen an bestehenden Grundkörpern oder ganzen Bauteilen ergeben. Das LMD-Verfahren wird heute hauptsächlich verwendet, um Bauteile zu beschichten, sie zu reparieren oder zu verändern. Einsatz findet das Verfahren in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, Energietechnik, Petrochemie, der Automobilindustrie sowie der Medizintechnik. Allerdings ist die Oberflächenqualität dieser Bauteile aufgrund der Schnelligkeit des Prozesses nicht so hoch, sodass eine Nachbearbeitung notwendig ist. Für einfache Bauteile ist diese Methode aber eine gute Alternative. Wir bei Trumpf beherrschen LMD und LMF und können Kunden deshalb die Lösung anbieten, die am besten zu seiner Anwendung passt.

KEM Konstruktion: Der Charme des 3D-Drucks liegt unter anderem darin, dass sich damit neue Anwendungsfelder erschließen lassen. So lassen sich beispielsweise in den Bereichen Automotive- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie Spezialteile für Autos, Flugzeuge oder Raketen drucken. Welche weiteren Anwendungsfelder sind denkbar?

Fehn: Zu den ältesten und größten Nutzern des Metall-3D-Drucks gehört die Zahntechnik. In diesem Bereich wird mittlerweile ein Großteil der Kronensubstrate, die dann mit Keramik überzogen werden, der Inlays und ähnlichen Zahnprodukten heutzutage 3D-gedruckt. Das geht hin bis zu Komplett-Prothesen. Im Feld der Zahntechnik ist der 3D-Druck am weitesten fortgeschritten und auch am weitesten verbreitet. Danach folgt der bereits erwähnte Bereich Luft- und Raumfahrt, in dem die additive Fertigung ebenfalls weit verbreitet ist. Dort werden Turbinenkomponenten gedruckt, zunehmend aber auch weitere Bauteile, etwa am Flugzeugrumpf, für Türen und Aufhängungen. Meist handelt es sich hierbei um Bauteile aus Titan oder Aluminium, die nicht nur leicht, sondern auch stabil sind. Insgesamt befinden wir uns hier aber als Industrie noch am Anfang. So besteht beispielsweise ein Airbus aus rund 10.000 Bauteilen und weniger als 100 davon sind additiv gefertigt.

Auch in der Medizintechnik kommt der Metall-3D-Druck verstärkt zum Einsatz, etwa für Komponenten, die in den menschlichen Körper eingesetzt werden, wie Gelenkprothesen und ähnliches. Zudem werden aber auch Bauteile, die für minimal-invasive Operationsmethoden benötigt werden, additiv aus inerten Metallen hergestellt. Und dann ist natürlich die Automobilbranche ein bedeutendes Anwendungsgebiet für den 3D-Metalldruck. Das Besondere am Bereich Automotive sind vor allem die sehr hohen Stückzahlen. Durch den Zugang zu dieser Industrie wird das Thema Additive Fertigung von Metallbauteilen für Anbieter wie Trumpf wirtschaftlich sehr interessant. Insbesondere in der Elektromobilität sehen wir diesbezüglich ein großes Potenzial. Trumpf hat für dieses Segment einen Laser entwickelt, der im grünen Wellenlängenbereich bei 515 Nanometer arbeitet, um Kupfer, sowie Kupferlegierungen mit Chrom oder Zirkon effektiv zu bearbeiten. Aus beziehungsweise mit diesen Materialien werden Bauteile im Bereich Batteriefertigung hergestellt, aber auch Stator-Elemente für Elektromotoren. An diesen Themen arbeiten wir bei Trumpf sehr intensiv.

KEM Konstruktion: Ein interessantes Einsatzgebiet für die Additive Fertigung ist der Leichtbau. Trumpf bietet in diesem Bereich das bereits erwähnte Verfahren des pulverbettbasierten Laserschmelzens (LMF) an. Welche Vorteile ergeben sich dadurch für Leichtbauteile?

Fehn: Herkömmlich gefertigte Bauteile sind aufgrund ihrer Dreh- oder Fräsgeometrie relativ massiv. Aus Funktionalitätsgründen erfordern sie viel Material, das nicht gebraucht wird, aber nicht weggenommen werden kann. Hier spielen additiv aufgebaute Bauteile ihre Vorteile aus, da man sie mit weniger Volumen herstellen kann. Damit lässt sich Gewicht einsparen. Ein weiterer Vorteil ist, dass man die Komponenten komplett neu designen kann und somit Funktionalität sowie Stabilität verbessern und gleichzeitig das Gewicht reduzieren kann. Zudem müssen bestehende Geometrien nicht übernommen werden und die Verfahren verbrauchen nur so viel Material, wie es das Bauteil erfordert. Momentan haben wir allerdings noch die Herausforderung, dass die aktuellen, auf dem Markt verfügbaren Maschinen, einen relativ kleinen Bauraum haben. Große Leichtbauteile, etwa die B- oder C-Säule eines Autos, lassen sich darin nicht additiv fertigen. Das heißt, 3D-gedruckte Leichtbauteile sind auf die Größe der Baukammern heutiger LMF-Maschinen beschränkt. Für große Komponenten, etwa Turbinen für Raketen, werden derzeit mehrere Teile gedruckt und anschließend zusammengeschweißt. Dafür lässt sich dann wieder das LMD-Verfahren nutzen, da man die Schweißnaht aus dem gleichen Material ziehen kann, aus dem das Bauteil besteht, und man somit keinen Materialübergang hat. Allerdings wird das nur bei sehr teuren Anwendungen gemacht. Insgesamt kann man sagen, dass die hohe Stabilität von komplexen Strukturen und das gleichzeitig geringe Gewicht additiv gefertigter Bauteile das Verfahren besonders attraktiv für den Leichtbau machen.

KEM Konstruktion: Leichtbauteile werden in der Luft- und Raumfahrt, Automobil- oder Medizintechnik eingesetzt. Dort sind aber auch die Anforderungen am höchsten. Wie erreichen Sie, dass die Bauteile aus Ihren 3D-Druckern nicht nur leicht sind, sondern auch die extremen Einsatzanforderungen erfüllen?

Fehn: Um die hohen Anforderungen dieser Branchen zu erfüllen, arbeiten wir mit den jeweiligen Herstellern zusammen. Wir lassen uns die sogenannten Baujobs von ihnen qualifizieren und zertifizieren. Zuerst wird dabei das verwendete Material qualifiziert, im Flugzeugbau beispielsweise hat sich ein spezieller Titanwerkstoff etabliert. Dieser muss dann von uns auf unseren Anlagen eingefahren werden. Das heißt, wir lassen Probebaujobs auf unseren Anlagen laufen. Im nächsten Schritt bauen wir genaue Testteile, die dann sowohl bei uns als auch beim Kunden analysiert werden. Dabei geht es um Zug, Druck, Oberflächengüte und ähnliches, also all die Kriterien, die man für eine Luftfahrtzulassung benötigt. Wenn alle Prüfungen und Analysen zufriedenstellend verlaufen sind, drucken wir ein erstes Bauteil als Einzelstück. Dieses wird dann wiederum verschiedenen Test unterzogen und erst wenn es hierbei keine Beanstandungen gibt, erhalten wir die Freigabe, dieses spezielle Bauteil auf unserer Maschine mit einem ganz bestimmten Pulver in der zertifizierten Korngröße herzustellen. Das Ganze ist ein sehr aufwendiger Prozess.

KEM Konstruktion: Im Leichtbau verwendet man zunehmend bionische Strukturen. Viele Experten sehen in der Bionik einen Impulsgeber für den 3D-Druck. Wie bewerten Sie diese Entwicklung und beschäftigt sich Trumpf mit diesem Thema?

Fehn: Bionik ist bei Trumpf im Bereich Konstruktion Teil des Entwicklungsprozesses. Es geht dabei vor allem um Stabilität sowie Funktionalität und letztendlich kopieren wir hier Strukturen, die in der Natur vorhanden sind. Dadurch entstehen Lösungen, die gut geeignet sind, um zum Beispiel Kräfte aufzunehmen oder zu verteilen, die Stabilität zu verbessern, das Strömungsverhalten zu optimieren und ähnliches. Allerdings versuchen wir nicht auf Teufel komm raus ein Bauteil mit einer bionischen Struktur zu bauen beziehungsweise zu drucken. Entscheidend ist die Funktionalität des Bauteils und da hilft die Bionik oft. Sie ist aber kein Selbstzweck.

KEM Konstruktion: Welche Rolle spielen Werkstoffe/Materialien für die Additive Fertigung im Allgemeinen und für den Leichtbau im Speziellen?

Fehn: Die Werkstoffe beziehungsweise die Pulver sind ein ganz wichtiges Thema für den 3D-Druck. Anwender, die neu in diesen Bereich einsteigen, unterschätzen das häufig. Wichtig ist, dass die Pulver auf das jeweilige additive Fertigungssystem abgestimmt werden. Dafür machen wir zusammen mit dem Kunden einen sogenannten Facility Acceptance Test für ein bestimmtes Pulver mit einer gewissen Korngröße und einer bestimmten Oberflächenform der Pulverteilchen. Das gedruckte Bauteil hat dann eine optimale Qualität. Ändert sich irgendein Parameter, lässt sich die Komponente im Extremfall nicht mehr verwenden. Das ist ein äußerst diffiziler Prozess. Die Auswahl und Zertifizierung des Pulvers sind ein zentraler Punkt. Das bedeutet, dass man das Pulver immer wieder stichprobenartig analysieren und kontrollieren muss. Dafür benötigt man auch eine gewisse metallurgische Kompetenz im Unternehmen.

KEM Konstruktion: Trumpf stellt seinen Anwendern im Bereich der Materialien verschiedene Pulver zur Verfügung, abgestimmt auf den „idealen Bauprozess“ in den TruPrint-Anlagen. Wie erfolgt diese Abstimmung bzw. wie erfolgen die Pulver- und Bauteilanalysen zur Qualitätssicherung des Ausgangsmaterials?

Fehn: Wir haben ein breites Angebot an Metallpulvern für unsere 3D-Drucker, die TruPrint heißen. Unter anderem bieten wir Pulver aus Aluminium-, Titan-, Kobalt-Chrom-, Nickelbasis- oder Kupferlegierungen sowie Edel- und Werkzeugstählen an. Alle Trumpf-Metallpulver werden von unseren Materialexperten für einen idealen Bauprozess auf unsere TruPrint-Anlagen optimiert. Um dies zu erreichen, führen wir aufwendige Pulver- und Bauteilanalysen durch. Auch die zu den Anlagen erhältlichen Prozessparameter werden unter Verwendung unserer Pulver entwickelt. Die Abstimmung von Pulvern, Parametern und TruPrint-Anlagen schafft die Voraussetzungen für einen optimalen Bauprozess im LMF-Verfahren. Wenn Kunden ihr eigenes Pulver verwenden möchten, ist das mit den 3D-Druckern von Trumpf problemlos möglich.

KEM Konstruktion: Mit dem TruDisk 1020 ist es Trumpf gelungen, einen Laser zu entwickeln, der stark reflektierende Metalle schweißen kann. Wie funktioniert der neue Laser im Detail, wie wird er für den 3D-Metalldruck genutzt?

Fehn: Der TruDisk 1020 ist ein Scheibenlaser. Mit einer Laserleistung von 1 kW ist er der derzeit leistungsstärkste Laser mit grüner Wellenlänge. Herkömmliche 3D-Drucker arbeiten mit einem Infrarotlaser als Strahlquelle. Dessen Wellenlänge ist aber zu groß und kann stark reflektierende Werkstoffe wie Kupfer oder Gold nicht schweißen. Mit dem Laserlicht im grünen Wellenlängenbereich, also in einem Spektralbereich von 515 Nanometern, ist das möglich. Mit grüner Wellenlänge lassen sich Kupfer, Gold und andere hochreflektive Materialien effizient und qualitativ hochwertig schweißen – und zwar unabhängig von der Beschaffenheit der Materialoberfläche. Zudem wird die Spritzerbildung auf ein Minimum reduziert und verglichen mit einem Infrarotlaser hat man beim Schweißen von Kupfer eine um Faktor 10 höhere Prozessgeschwindigkeit. Der Laser eignet sich dadurch zum Wärmeleit- und Tiefenschweißen mit konstanter Einschweißtiefe. Anwendung findet der TruDisk 1020 mit grüner Wellenlänge unter anderem in der Elektronikbranche bei der Halbleiterfertigung, im Bereich der Elektromobilität oder in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Bei einigen Testkunden ist er bereits im Einsatz.

Details zu den Additiven Fertigungssystemen von Trumpf:

hier.pro/aYS6X

Messe Formnext 2019: Halle 12.0, Stand E61

TRUMPF GmbH + Co. KG
Johann-Maus-Straße 2
71254 Ditzingen
Tel. +49 7156 303-0
Fax. +49 7156 303–930309
info@trumpf.com
www.trumpf.com

 

 


Dr. Thomas Fehn, General Manager Additive Manufacturing bei Trumpf in Ditzingen
Bild: Rüdiger J. Vogel/Konradin Mediengruppe

„Das LMF-Verfahren eignet sich optimal für die Serienfertigung geometrisch komplexer Teile mit filigranen Innenkanälen und Hohlräumen, die mit konventionellen Verfahren wie Drehen oder Fräsen nicht oder wenig effektiv hergestellt werden können.“


Dr. Thomas Fehn, General Manager Additive Manufacturing bei Trumpf in Ditzingen
Bild: Rüdiger J. Vogel/Konradin Mediengruppe

„Die Automobilbranche ist ein bedeutendes Anwendungsgebiet für den 3D-Metalldruck. Das Besondere am Bereich Automotive sind vor allem die sehr hohen Stückzahlen.“


Dr. Thomas Fehn, General Manager Additive Manufacturing bei Trumpf in Ditzingen
Bild: Rüdiger J. Vogel/Konradin Mediengruppe

„Die Konstrukteure können mit dem 3D-Druck Bauteile so designen, dass sie die maximale Funktionalität erfüllen.“


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