Der Metall-3D-Druck für die additive Fertigung
Dass immer mehr Metallbauunternehmen auf den 3D-Druck setzen, ist eigentlich kein Wunder. Nachdem moderne Produktionsanlagen eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Individualisierung bieten, wächst auch der Wunsch nach maßgeschneiderten Einzellösungen stetig. Folglich brauchen wir immer wieder zeitnah Ersatzteile, die vom Standard abweichen. Wenn es darum geht, Prototypen zu entwerfen und zu bauen, wollen wir sowohl die Werkzeugkosten als auch die Entwicklungszeiten so gering wie möglich halten.
In allen diesen Punkten kommen die großen Stärken der additiven Fertigung zum Tragen. Bauteilgeometrien, die bis vor kurzem kaum realisierbar schienen, können wir dank Metall-3D-Druck Schicht für Schicht exakt zu dem Zeitpunkt entstehen lassen, an dem wir sie benötigen.
Inhalt
Eine Reihe von Vorteilen
Der Metall-3D-Druck, im Fachjargon auch Wire Arc Additive Manufacturing oder einfach nur kurz WAAM genannt, verbraucht im Vergleich zu zerspanenden Prozessen wie dem Fräsen wesentlich weniger Material. Je höher die Preise für Rohstoffe sind, desto mehr rechnet sich dadurch diese Form der additiven Fertigung.
Auch auf die aufwändig hergestellten Formen, die wir beim Gießen brauchen, können wir verzichten. Stattdessen können wir mithilfe moderner Schweißtechnologie komplexe, in ihrer Topologie optimierte Bauteile nach Anleitung aus einzelnen Metallschichten fertigen.
So eine Anleitung nennt sich Additive Manufacturing Procedure Specification und beinhaltet alles, was für den optimalen Druckvorgang notwendig ist.
Dazu gehören die einzelnen Anweisungen für die Schweißungen, die kinematische Strategie, die die Pfade des Schweißroboters plant und seine Bewegungen steuert, sowie die Zertifikate für den Bediener und das Material.
Die Materialzertifikate stellen sicher, dass die Qualität der Schweißnähte den Produktionsanforderungen gerecht wird. Durch die Bedienerzertifikate ist garantiert, dass die Roboterschweißzellen nur von Fachkräften bedient werden.
Das ist deshalb wichtig, weil die Schweißroboter bei der additiven Fertigung mittels Metall-3D-Druck mit einem speziellen Lichtbogen arbeiten. Dieser sogenannte Directed Energy Deposition Arc, kurz DED-Arc, schmilzt den Schweißdraht schichtweise ab.
Bei der Optimierung der Topologie geht es darum, das Material der Bauteile ideal zu verteilen.
Konkret ist das Ziel, das Gewicht zu reduzieren, ohne dabei die Steifigkeit zu verlieren. Typische Anwendungen finden sich zum Beispiel im Bereich der Luft- und Raumfahrt, wo wir oft Bauteile mit bionischen Strukturen brauchen.
Ein stabiler Lichtbogen als Grundlage
Um die gewünschte Qualität zu erzielen, führt beim Schweißen kaum ein Weg an einem sehr stabilen Schweißverfahren vorbei. Bestens geeignet ist zum Beispiel der Cold Metal Transfer, kurz CMT.
Dabei handelt es sich um einen kühlen Prozess mit kurzem Lichtbogen, der den Wärmeeintrag gering hält, obwohl die Abschmelzleistung hoch ist. Möglich wird das dadurch, dass eine Rückwärtsbewegung der Drahtelektrode zur Tropfenablösung führt.
Bei einem herkömmlichen Kurzlichtbogenprozess bewegt sich der Draht konstant in der gleichen Richtung wie das Werkstück. Sobald es eine Berührung zwischen dem erweichten Drahtende und dem Schmelzbad gibt, kommt es zu einem Kurzschluss.
Daraufhin erfolgt die Tropfenablösung, bei der ein großer Teil des flüssigen Schweißdrahtes ins Schmelzbad fließt.
In der Phase des Kurzschlusses sinkt die Schweißspannung gegen null, während sich der Schweißstrom deutlich erhöht. Dadurch wird der Kurzschluss aufgebrochen und der Lichtbogen neu gezündet.
Die Tropfenablösung und das Neuzünden des Lichtbogens sind beim CMT nicht nur kontrollierter, sondern erzeugen auch einen geringeren Energieeintrag als beim klassischen Kurzlichtbogen.
Die Drahtelektrode bewegt sich in der Kurzschlussphase nämlich rückwärts. Je nach Zusatzwerkstoff, Schutzgas und Durchmesser der Elektrode erfolgt diese Rückwärtsbewegung in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 170 Hertz.
Der Wärmeeintrag ist beim CMT-Schweißen um bis zu 33 Prozent geringer. Aus diesem Grund ist CMT optimal für das additive Schweißen geeignet. Denn dadurch, dass die Schweißraupen zyklisch aufgetragen werden, entsteht eine hohe Einbringung von Wärme.
Wenn aber die Temperatur des Bauteils zu hoch ist, kann das die Eigenschaften des Werkstoffs nachteilig beeinflussen. Außerdem können Wartezeiten entstehen, durch die der Schweißvorgang unterbrochen werden muss, bis die einzelnen Schweißlagen ausreichend abgekühlt sind.
Eine weitere Funktion, durch die CMT den Metall-3D-Druck unterstützt, ist eine Leistungskorrektur.
Durch sie können wir die elektrisch aufgewendete Leistung exakt auf die jeweilige Phase des Schweißprozesses, also das Einbringen von Wärme oder den Aufbau von Lagen, anpassen, während die Abschmelzleistung konstant bleibt.
Eine große Fehlerquelle ergibt sich, wenn der Schweißvorgang während des Lagenaufbaus neu gestartet werden muss, weil die Drahtelektrode verbraucht ist.
Bindefehler oder überhöhte Schweißnähte könnten die Qualität des Bauteils erheblich mindern. Hier wirkt die Pulsed-Hot-Start-Funktion entgegen, die dafür sorgt, dass beim erneuten Schweißstart der notwendige Einbrand erzielt und eine gleichmäßige Lagenhöhe eingehalten wird.
Dezentrale Fertigung
Der Metall-3D-Druck eröffnet die Möglichkeit, ortsunabhängig zu fertigen. Anders als bei der Serienfertigung sind keine Produktionsstraßen erforderlich. Stattdessen können wir speziell ausgestattete Roboterschweißzellen nutzen, die überall flexibel eingesetzt werden können.
Aus diesem Grund gewinnt der Metall-3D-Druck überall dort immer mehr an Bedeutung, wo es im Metallbau gilt, Gewicht, Material und Kosten einzusparen und die Umweltbelastung zu reduzieren.
Gleichzeitig sind bereits Normen auf dem Weg, die die Anforderungen für die gesamte Wertschöpfungskette in der additiven Fertigung definieren und ihre Einhaltung sicherstellen.
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