Edelstahl erobert 3D-Druck

Die Markanalysten von SmarTech Publishing veröffentlichten eine Studie über den globalen Markt der additiven Fertigung. Das Unternehmen berichtet von einem Wachstum von 18%. 2018 wurden mit Hardware, Software, und Materialien 9,3 Milliarden Dollar umgesetzt. Dabei rücken Produkte aus Edelstahl immer mehr in den Vordergrund. Aber nicht nur Privatfirmen streiten um den großen Zukunftsmarkt, auch Universitäten und Regierungen haben das Zukunftsthema erkannt.
 
Bereits 1984 wurde mit der Stereolithografie das erste Additive Verfahren von Chuck Hull, dem Gründer von 3D Systems, entwickelt und wenige Jahre später kommerzialisiert. Mit den Weiterentwicklungen des 3D-Drucks ergeben sich inzwischen in nahezu jeder Industriebranche sinnvolle Einsatzmöglichkeiten. Immer mehr Unternehmen denken über die Herstellung eigener Bau- und Werkteile mittels Druckverfahren nach und lassen die Technologie in die Entwicklung neuer Produkte einfließen. Die Auswahl an Materialien für den dreidimensionalen Druck reicht von hochwertigen Metallen wie Edelstahl oder Titan bis zu Keramik. So entstehen neue Impulse für Innovationen und können Betriebskosten gesenkt werden.

Rekordverdächtig
Der aktuell weltweit größte 3D-Drucker ist bei KSB zu finden. Der Pumpen- und Armaturenhersteller aus Frankenthal gab rund 2,1 Millionen Euro für den neuen Drucker aus. Die von einer Fachfirma aus Lichtenfels gebaute Maschine wird von KSB in erster Linie für Edelstahlteile, wie zum Beispiel die komplett aus Edelstahl hergestellte Unterwasserpumpenserie UPA-Chrom, einsetzt. Ein Teil der Kosten (712.000 Euro) waren eine Förderung des Bayrischen Wirtschaftsministeriums. Die additive und digitalisierte Fertigung sei ein Muss, so Stephan Bross, geschäftsführender Direktor für den Bereich Technik. Die oft geäußerte Angst, dass die additive Fertigung Arbeitsplätze koste, sei unbegründet: „Das hat man bei der Automatisierung, beim Weg ins Computerzeitalter auch behauptet. Und es kam anders.“ Es werde nicht weniger Jobs geben in Zukunft. Aber: „Sie werden sich verändern.“

Serienproduktion

Auch Autobauer wie General Motors nutzen den 3D-Druck, um Prototypen herzustellen. Schon bald sollen gedruckte Bauteile auch in Serienfahrzeuge eingesetzt werden könnten. Etwa 30.000 Prototypteile werden jedes Jahr im Warren Tech Center, dem Entwicklungslabor von GM, gedruckt. Neben Prototypen verwendet GM die additive Fertigung auch, um spezielle Werkzeuge zu entwickeln, die bei der Automobilproduktion verwendet werden. „Die Automobilindustrie ist seit 30 Jahren führend in der Anwendung von additiver Fertigung beim Prototyping“, sagt Mark Cotteleer, der das Center for Integrated Research des Beratungsunternehmens Deloitte leitet. Er hat sich in den vergangenen Jahren mit additiver Herstellung beschäftigt. „Wir erleben gerade, dass die Industrie mittels der additiven Fertigung anfängt komplette Autoteile zu produzieren, auch wenn bisher nur in geringeren Stückzahlen.“

Edelstahl und Titan
Um die richtigen Materialien für den 3D-Druck zu verwenden, sind im Vorfeld die genau geforderten Eigenschaften des gewünschten Produkts abzuklären. Ähnlich wie bei der bisherigen Produktfertigung, beispielsweise durch Metall- oder Spritzguss, ist eine klare Spezifikation von Dichte, Belastbarkeit und anderen physikalischen Eigenschaften unverzichtbar, aber mittels moderner 3D-Drucker einfach umzusetzen. Hochwertige Metalle wie Edelstahl und Titan sind die führenden Werkstoffen im metallischen 3D-Druck, aber auch Objekte aus Kobaltchrom oder Inconel lassen sich so produzieren. Neben der hohen Stabilität sind die gedruckten Metallerzeugnisse mediendicht und Wanddicken sind bereits ab wenigen Millimetern umsetzbar. Neue Verfahren wie das Laserschmelzen bieten neue Möglichkeiten in der Verarbeitung von Werkstoffen, wodurch diese Einzug in den Bereich des 3D-Drucks erhalten.

Selektives Laserschmelzen
Das selektive Laserschmelzen ist ein additives Fertigungsverfahren, mit dem 3D-Objekte aus Metall mithilfe von Hochleistungs-Laserstrahlen aufgebaut werden. Im ersten Schritt des Bauprozesses wird mit einer Rakel (oder eine Kombination mehrerer Rakeln) eine dünne Schicht Pulver auf die Bauplattform aufgetragen. Ein Laser schmilzt mit Temperaturen von bis zu 1.250 °C im Laserfokus das Metallpulver an den von einer CAD-Datei vorgegebenen Koordinaten auf. Während der gesamten Bauphase ist der Bauraum mit einem Schutzgas gefüllt, um eine Oxidation des Metalls zu verhindern. Durch den großen Temperaturunterschied zwischen der jüngsten Bauteilebene und den bereits erkalteten Schichten kann es bei falscher Prozessführung zu unerwünschten Effekten kommen, wie beispielsweise dem Verzug des Bauteils, Verbrennungen und dem sogenannten Curling, einem Hochbiegen der Bauteilkanten. Um dies zu vermeiden, werden die Werkstücke durch eine Stützstruktur fest mit der Grundplatte verschweißt. Diese Stützstruktur muss später manuell entfernt werden. Das selektive Laserschmelzen ist ein ressourcenschonendes Verfahren, bei dem nur wenig Abfall anfällt, denn das überschüssige Material kann durch Sieben aufbereitet und zu einem großen Teil wiederverwendet werden.
 

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