Flexibel und schnell: 3D-Druck von Metallbauteilen

Sind Bauteile in kleiner Serie gefragt, etwa für Prototypen, werden sie in Industriebetrieben einfach ausgedruckt. Was sich anhört wie Science Fiction, ist in Unternehmen bereits Usus. Das Verfahren nennt sich Selective Laser Melting, kurz SLM. Dabei wandert ein Laser über ein geschichtetes Metallpulver, schmilzt es auf und lässt es zu einer festen Schicht erstarren.

Schicht für Schicht wächst so ein dreidimensionales Bauteil heran. Diese Technologie ist bereits etabliert, doch die Anwender wünschen sich ein schnelleres und damit kostengünstigeres Verfahren, das es auch ermöglicht, größere Gegenstände aus dem Pulver aufzubauen. Für die industrielle Serienfertigung gibt es noch weitere Ansprüche: Die ausgedruckten Bauteile müssen alle die gleiche Qualität aufweisen, zudem sollte sich der Druckprozess überwachen lassen.

Den Wunsch nach schnellerem Druck erfüllen die Laserexperten bisher, indem sie die Leistung des Lasers erhöhen. Das jedoch treibt die Kosten in die Höhe. Noch teurer wird es, wenn große Gegenstände ausgedruckt werden sollen: Reicht üblicherweise ein Scanner aus, der den Laserstrahl mit seinen zwei Spiegeln wie vorgegeben ablenkt, müssen die Unternehmen dann einen zweiten teuren Scanner sowie einen zweiten Laser einsetzen, um das ganze Bearbeitungsfeld ohne Produktivitätsverlust abzudecken.

Flexibler – zu einem günstigeren Preis

Die Anlage des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen soll den Nutzern künftig mehr Freiheiten geben: »Statt im SLM-Prozess auf Scannersysteme zu setzen, verwenden wir in unserer Anlage eine Multispot-Bearbeitung – also einen Bearbeitungskopf, aus dem fünf einzelne Laserstrahlen kommen«, erläutert Florian Eibl, Wissenschaftler am ILT. Dieser Bearbeitungskopf funktioniert wie ein Druckkopf, die fünf einzelnen Diodenlaser lassen sich getrennt steuern.

Der Vorteil: Der Schmelzprozess wird dadurch parallelisiert, somit können die Forscher selbst große Teile schnell und ohne zusätzlichen Aufwand ausdrucken. Das optische System muss nicht geändert werden. Es reicht, die Achsen, auf denen sich der Bearbeitungskopf bewegt, entsprechend zu verlängern. Der Druck ist schneller. Je nach Wunsch können die Forscher auch die Geschwindigkeit anpassen, indem sie einfach die Anzahl der Strahlquellen erhöhen. »Da der Druckkopf über fünf Laserstrahlen verfügt, kann die Anlage das Pulver um ein Vielfaches schneller aufschmelzen als herkömmliche Systeme«, sagt Eibl.

Gleiche Qualität für alle Druckerzeugnisse

Auch die Qualität der ausgedruckten Bauteile muss stimmen. Ein spezielles System bläst Schutzgas auf jede Bearbeitungsstelle und saugt Rauch und entstehende Spritzer direkt ab. »So erreichen wir ein gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis, auch bei großen Bauräumen«, erklärt Eibl. Zudem lassen sich Systeme in das Anlagenkonzept integrieren, die die Druckprozesse überwachen.

In einer Laboranlage setzen die Forscher ihr Anlagen- und Belichtungskonzept bereits um. Das Projekt wird zum Teil vom Exzellenzcluster »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer« gefördert, einem interdisziplinären Forschungsprojekt mit mehr als 20 Kooperationspartnern.