Vor nicht allzu langer Zeit hatte der 3D-Druck noch einen gewissen futuristischen Touch. Heute ist er in einigen Bereichen zu einer Standardtechnik geworden und kann sogar auf metallische Werkstoffe angewendet werden.
Darmstadt erlebte vor einigen Jahren eine Weltneuheit. Zum ersten Mal in der Geschichte wurde eine Stahlbrücke unter freiem Himmel gebaut. 3D-Druck. Zwar handelte es sich bei dem zu überquerenden Wasserlauf nicht um den Amazonas, sondern um einen künstlich angelegten Bach auf dem Gelände der Technischen Universität. Und mit einer Länge von drei Metern war es eine sehr überschaubare Brücke.
Aber die Brücke war nicht nur die erste Konstruktion dieser Art, sondern auch der Beweis für den Erfolg eines neuen Verfahrens. Während bei fast allen 3D-Verfahren vertikal von unten nach oben gearbeitet wird, wurde in diesem Fall das Material auch horizontal, also von der Seite, eingebracht. "Nur so konnten wir die gesamte Konstruktion vor Ort fertigstellen", sagt Thilo Feucht, Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Stahlbau: "Das neue Verfahren bietet uns zusätzliche Konstruktionsmöglichkeiten, auch für deutlich größere Bauwerke."
Die Anfänge des 3D-Drucks - auch bekannt als additive Fertigung im Fachjargon - reichen bis in die 1980er Jahre zurück. Anfangs war das Verfahren auf Kunststoffe beschränkt und wurde hauptsächlich für die Herstellung von Prototypen und Formen verwendet. Seit der Jahrtausendwende wird es jedoch zunehmend in der Massenproduktion eingesetzt. In den letzten Jahren wurde die Anwendung auch auf metallische Werkstoffe ausgedehnt. Inzwischen ist es in immer mehr Branchen und Anwendungsbereichen ein Standardverfahren geworden.
Beim 3D-Druck werden Metalle in Form von Pulver oder Draht verarbeitet. Während Draht im Allgemeinen herkömmlichen Schweißdrähten entspricht, ist die Herstellung von Pulver komplexer und erfordert den Einsatz spezieller Verfahren. In den meisten Fällen wird geschmolzenes Metall durch eine Düse gespritzt und in feine Tröpfchen verwandelt. "Die Kugelform der Partikel sorgt für ein frei fließendes Pulver", erklärt Dr. Dirk Kampffmeyer, Spezialist für Schweißen und Additive Manufacturing bei Messer. "Das ist bei vielen Verfahren eine wichtige Voraussetzung für eine effiziente Pulververarbeitung." Um eine Oxidation des Roheisens zu verhindern, wird es mit einem Schutzgas - in der Regel einem Sauerstoff - durch die Düse getrieben. Argon- unter hohem Druck.
Das fertige Pulver gelangt in das Pulverbett, einen Behälter, dessen unterer Teil vertikal bewegt werden kann. Das Pulver wird schichtweise zugeführt. Ein computergesteuerter Laser- oder Elektronenstrahl erwärmt das Pulver an bestimmten Stellen. Dadurch wird eine Art Sinterprozess ausgelöst, bei dem das Pulver in eine feste Form umgewandelt wird. Ist eine Schicht fertig, wird der Boden des Behälters um die Dicke der Schicht abgesenkt. Dann wird neues Pulver aufgetragen, und die nächste Schicht wird auf die untere Schicht gesintert. Auf diese Weise werden die Werkstücke Schicht für Schicht hergestellt. Mit dem Pulverbettverfahren lässt sich ein hohes Maß an Präzision erreichen, und häufig sind keine Schleifarbeiten erforderlich. Die größte Einschränkung liegt in den Abmessungen der Pulverbetten.
Das Sputtern ist von dieser Einschränkung nicht betroffen. Bei dieser Technik wird Metallpulver durch eine Düse in einen Laserstrahl gesprüht. Auch hier wird hauptsächlich Argon verwendet. Durch den Laser geschmolzen, wird das Pulver wie eine "Perle" auf einer Unterlage abgelagert. Diese Technik wird normalerweise in Kombination mit einem dreh- und kippbaren Tisch verwendet. Durch Drehen und Kippen des Tisches unter der feststehenden Düse erhält das zu fertigende Bauteil seine spezifische Form.
Eine andere Möglichkeit ist, anstelle von Pulver Draht als schmelzbares Material im Laserstrahl zu verwenden. Er ist viel einfacher und billiger herzustellen als Metallpulver. Neuere Entwicklungen zeichnen sich durch einen koaxialen Drahtzuführungsmechanismus aus, der eine Richtungsunabhängigkeit wie beim Pulverspritzen ermöglicht. In diesem Fall wird ein geteilter Laserstrahl verwendet, der in der Schmelzzone wieder zusammengeführt wird. Durch die Verwendung von Draht kann die additive Fertigung auch für Bauteile, die preislich weit unter dem High-End-Segment liegen, kostengünstig werden.
Letzteres gilt insbesondere für die WAAM-Technologie (Wire Arc Additive Manufacturing). Dieses Verfahren ähnelt im Prinzip dem bekannten MIG/MAG-Schweißverfahren. Anstatt eine einzige Schweißnaht zu erzeugen, geht der Schweißroboter "Naht für Naht", "Schicht für Schicht" vor, um ein dreidimensionales Objekt zu fertigen. Dieses Verfahren wurde von den Brückenbauern in Darmstadt angewandt. Ihr Ausgangsmaterial war laut Thilo Feucht "gewöhnlicher Schweißdraht", ähnlich wie bei herkömmlichem Baustahl. Der Trick, um flüssiges Metall von einer Seite her aufzutragen, ohne dass es tropft, besteht außerdem darin, die Phasen richtig zu timen: "Das Material muss abkühlen, bevor wir weiteres Metall hinzufügen. Deshalb bauen wir die gesamte Brücke aus einzelnen Schweißpunkten im Sekundentakt auf.
Nahezu alle Schweiß- und Sinterverfahren haben eines gemeinsam: Sie können nur in einer Schutzgasatmosphäre die erforderliche Qualität erreichen. "Hier kommt unser spezifisches Know-how ins Spiel", betont Dr. Bernd Hildebrandt, Leiter des Bereichs Schweiß- und Schneidanwendungen. "Wir kennen die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Metallen und Legierungen einerseits und den Gasen und Gasgemischen andererseits sehr gut. Nur wenn beide Seiten optimal zusammenspielen, kann das gewünschte Ergebnis erzielt werden. Hier können wir unsere Kunden umfassend beraten.
Um diese Beratung auf dem neuesten Stand der Technik zu halten, ist Messer neben einigen der führenden Fahrzeughersteller und Automobilzulieferer sowie anderen Technologieführern im Metall-3D-Druck auch Mitglied im Additive Manufacturing Centre in Aachen. Darüber hinaus nimmt Messer jedes Jahr an der Fachmesse Formnext teil, die Experten für additive Fertigung aus der ganzen Welt zusammenbringt. Dr. Kampffmeyer: "Die additive Fertigung ergänzt die konventionellen Metallbearbeitungsverfahren und ersetzt sie teilweise. Als Gaseexperten sind wir bei dieser Entwicklung ganz vorne mit dabei.