Bauteile mit funktioneller Tinte ausdrucken

Zeit ist Geld – auch in der Fertigung von Bauteilen. Mit einem RapidManufacturing-Verfahren können Forscher dreidimensionale Metallteile zügig ausdrucken. Bisher einzigartig ist, dass sie dabei die Zusammensetzung des Materials vielfältig variieren. Ein solcher Metalldrucker wird vom 11. bis 15. April auf der Hannover Messe in Aktion zu sehen sein (Halle 16, Stand D16).

Übung macht den Meister, doch auch ein Profi im Werkzeug- und Formenbau mag in manchen Fällen verzweifeln. Soll der Facharbeiter in komplex geformte Teile auch noch gezielt Funktionen wie etwa harte Oberflächen integrieren, wäre es ratsam, er verwendete statt spanender Verfahren gleich ein generatives. Solche Rapid-Manufacturing-Prozesse tragen kein Material ab, sondern bauen die Teile Schicht für Schicht auf. Ein Beispiel dafür ist der Metalldrucker. Zunächst trägt die Maschine eine dünne Lage Stahlpulver auf einer Unterlage auf. Ein Druckkopf sprüht Bindemittel in der gewünschten Form darauf und eine Heizlampe verfestigt es. Dann macht sich der Drucker an die nächste, typischerweise 0,1 Millimeter dünne Schicht. So wächst das Werkstück langsam in die Höhe und am Ende des Prozesses steht ein Bauteil aus verklebtem Stahlpulver, das bereits die gewünschte Form besitzt. Im nächsten Schritt wird das Teil knapp unterhalb des Schmelzpunkts gesintert: Das Bindemittel zersetzt sich und die Pulverkörner verschmelzen miteinander, sodass ein Bauteil mit einer Dichte von bis zu 98 Prozent entsteht. Die gleichzeitig stattfindene Schrumpfung kann leicht durch eine vorherige Vergrößerung kompensiert werden.

Mithilfe von Bindemitteln, die kleinste Partikel enthalten, können Forscher vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen nun zusätzliche Funktionen in die Bauteile integrieren. „Wir haben das ProMetal-Verfahren so weiterentwickelt, dass sich die Zusammensetzung von Bauteilen örtlich variieren lässt“, freut sich Projektleiter Ingo Wirth. „Das 3-D-Verfahren des Gradienten-Printings mit ’funktionellen Tinten’ eröffnet der Branche ganz neue Möglichkeiten.“

Ein Beispiel: Werkzeugeinsätze oder Prägewerkzeuge für Bleche dürfen nicht zu spröde und daher möglichst nur an der Oberfläche hart sein. Im Inneren dagegen sollten sie eher zäh, aber dafür weicher sein. Ohne einen separaten Härtungsschritt konnten die IFAM-Forscher dies dadurch lösen, dass sie einen zweiten Druckkopf einsetzen. Nur an bestimmten Stellen der Schichten bringt er ein Gemisch von Bindemittel und feinst verteiltem Kohlenstoff auf. Beim späteren Dichtsintern entsteht nur dort ein härterer Stahl. Die Möglichkeiten sind sehr vielfältig. Im Prinzip können Teile gebaut werden, die auf der einen Seite aus reinem Metall A und auf der anderen aus reinem Metall B bestehen. Dazwischen lassen sich verschiedene Legierungen realisieren.