3D-Geometrien drucken statt formen

Das Zauberwort der industriellen Fertigung lautet 3D-Drucken. Die Abkehr vom formgebundenen Denken, hin zu einer additiven Geometriefreiheit von Bauteilen ist inzwischen keine Mode, sondern ein starker Trend. Die Vorteile sind augenfällig: Schnellere Durchlaufzeiten, günstigere Bauteile und eine bislang unbekannte Freiheit der Formgebung. Folge dieser dynamischen Marktentwicklung: Die Branche scheint sich an zweistellige Wachstumsraten zu gewöhnen. Dr. Florian Bechmann, Entwicklungsleiter bei Concept Laser, berichtet über Trends und erhöhte Anforderungen an die Qualität.

Impulssetzende Wegbereiter des Verfahrens sind die Automobilindustrie, die Medizintechnik, sowie die Luft- und Raumfahrt. Diese Technologietreiber stellen nicht nur hohe Ansprüche an die Qualität oder die Wahl der Materialien, sondern auch an quantitative Aspekte, wie die Steigerung der Produktivität. Diese Anwender fordern kürzere Bauzeiten bzw. mehr Teile in einem Bauraum. Für die Automobilindustrie entwickelte Concept Laser den derzeit größten Bauraum mit der X line 1000R. Der Übergang vom 400W-Laser zum 1.000W-Laser gilt als ein wichtiger Meilenstein des Verfahrens. Die Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Laserspezialisten der Fraunhofer-Gesellschaft. Ziel war es, schnellere Prozesse, die auch noch kostengünstiger sind, zu realisieren. Die zeitsparende Motorenentwicklung moderner Fahrzeuge oder große Bauteile der Luft- und Raumfahrt sind Anwendungen für sehr große Laserschmelzanlagen.

Luft- und Raumfahrt setzen konsequent auf generative Verfahren

Innovationen gehen verstärkt von der Luft- und Raumfahrt aus, die hochwertige Lösungen nachfragen. Der Einsatz von reaktiven Materialien wie Titan oder Aluminium-Legierungen, die nur im geschlossenen System sicher und hochwertig hergestellt werden können, ist in der Luft- und Raumfahrt sehr gefragt. Alle Anwender wie NASA, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne oder Astrium Space Transportation aus der EADS-Gruppe sehen das generative Verfahren als den nächsten Entwicklungsschritt der modernen Fertigung auf breiter Linie. NASA-Ingenieure denken sogar darüber nach, Bauteile additiv auf der ISS, also im Orbit, herzustellen. Das hätte den Vorteil mittels CAD-Daten Bauteile im Weltraum fertigen zu können. Für die USA kann man einen hohen Kapital- und Personaleinsatz beobachten. Das gilt für Forschung und Lehre, aber auch für die Industrie. Die Europäer können ihre Beiträge aus Forschung und Maschinentechnik vor allem in den USA und in Europa einbringen. In Europa fördert die EU dieses Verfahren durch Projekte wie AMAZE, weil man hier von deren Nachhaltigkeit und der Innovationskraft überzeugt ist.

Medizintechnik als wichtiger Eckpfeiler

Das Laserschmelzen von Metallen revolutioniert die Medizintechnik nachhaltig: Althergebrachte Prozessketten denken komplett um. So sind LaserCUSING-Teile bei Implantaten gefragt, die mit porösen Oberflächen gut einwachsen, gleichzeitig aber auch die notwendige Elastizität erlauben. Eine aufstrebende Anwendung ist preisgünstiger und schnell herzustellender Zahnersatz aus biokompatiblen Werkstoffen. Hochpassfähige, langlebige Dentallösungen, statt handwerklich hergestelltem Zahnersatz.

Werterhaltung als Option

Auch im Retrofit kann das Verfahren punkten: So können verschlissene Turbinenteile aus Kraftwerkstechnik oder Flugzeugbau schnell und kostengünstig regeneriert werden. Auf den Grundkörper können in dem exakt gleichem Material additiv Schichten als hybride Technik aufgebracht werden. Neben dem Regenerieren werden auch komplett neue Teile in der Turbinentechnik gefertigt.

F&E-Anstrengungen legen zu

Um die Entwicklungstätigkeit zu forcieren und der erhöhten Nachfrage des Marktes gerecht zu werden, eröffnete Concept Laser Ende 2013 ein neues Entwicklungszentrum. Laserschmelzen mit Metallen übt für Konstrukteure und Entwicklungsingenieure unterschiedlichster Branchen eine hohe Faszination für die Bauteilgestaltung aus. Ziel der Anlagenbauer ist es, diese Entwicklung des Marktes mit Innovationen zu begleiten. Bei komplexen Anlagen ist ein intensives Zusammenspiel von Optik, Mechanik, Steuerungstechnik, Software und Pulvermaterial sicherzustellen. Im neuen Entwicklungszentrum von Concept Laser wird an „diskreten Innovationen“, die nicht der breiten Öffentlichkeit gezeigt werden sollen, gearbeitet .

Neue Optionen für Konstrukteure

Mit dem LaserCUSING können Funktionen wie Kühlkanäle eingebettet werden. Das ist interessant für Bauteile, die starken thermischen Belastungen ausgesetzt sind, oder auch zur Reduktion von Zykluszeiten bei Spritzgießformen für die Kunststoffverarbeitung. In der Offshore-Industrie gibt es Überlegungen, Laserschmelzanlagen auf Bohrplattformen zu installieren, um autark bestimmte Bauteile vor Ort zu produzieren. Die Technologie ist ortsungebunden und kann lokal ablaufen.

Qualität in Echtzeit sicherstellen

Concept Laser bietet für die Anlagen Qualitäts-Management-Module. Dazu gibt es zwei Ansätze: QMmeltpool und QMcoating. Dazu erklärt Dr. Bechmann: „Beim QMmeltpool nimmt das System mit Hilfe von Kamera und Foto-Diode Signale während des Aufbauprozesses auf. Diese Daten können im Anschluss mit einer Referenz verglichen werden. Das optische System ist koaxial aufgebaut. Es ermöglicht der Kamera, den Schmelzpool über eine sehr kleine Fläche von ca. 1x1mm² aufzunehmen. Leistungsreduktionen des Lasers, ausgelöst durch die Kontamination der F-Theta-Linse oder bedingt durch die natürliche Alterung des Lasers, aber auch Abweichungen des Dosierfaktors können hiermit erkannt werden.“ Der zweite Ansatz ist das QM-Modul QMcoating: Es stellt sicher, dass die optimale Pulvermenge zum Einsatz kommt, um nicht benötigtes Material (bis zu 25 %) zu sparen und um kürzere Rüstzeiten zu ermöglichen. QMcoating kontrolliert die Schichtoberfläche während des Pulverauftrags. Bei zu geringer oder zu hoher Pulverdosierung wird der Dosierfaktor dem entsprechend angepasst, also aktiv gegen gesteuert. Die beiden QM-Module überwachen und dokumentieren den Prozess in Echtzeit und stellen somit reproduzierbare Qualität sicher.

Im Detail liegen wichtige Schlüsselfaktoren für mehr Qualität

Bei Concept Laser fällt eine charakteristische Trennung von Bauraum und Handlings-Raum auf: Dies, so Dr. Florian Bechmann, soll maximale Arbeitssicherheit und Ergonomie bieten. Die Anlagen verfügen über einen automatisierten Pulvertransport in Containern. Anlagentechnik als „geschlossenes System“ beim Laserschmelzen mit Metallen hat zahlreiche Vorteile: Dies gilt für die Qualität der Bauteile, weil Kontaminierungen durch Sauerstoff vermieden werden, aber auch bei der Sicherheit, wenn reaktive Materialien wie Titan oder Titanlegierungen verarbeitet werden. Die Sicherheitsanforderungen an die Anlagentechnik werden durch die ATEX-Richtlinie der EU definiert.

Verantwortlich für den Inhalt dieser Pressemitteilung: Concept Laser GmbH