Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
09.09.2016

Hoch belastbare Bauteile aus Stahl, Alu und Titan

Additive Fertigungsverfahren wie das sogenannte selektive Metall-Laserschmelzen (SLM) erobern inzwischen immer weitere Einsatzbereiche sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Produktion technischer Bauteile. Während in der Anfangszeit Anschauungsmodelle dominierten, werden heute mehr und mehr real einsetzbare Komponenten hergestellt. Mit steigenden Anforderungen an die Gebrauchseigenschaften kommen auch zunehmend Metalle zum Einsatz. Hierfür wurde das selektive Laserschmelzen entwickelt. Es ermöglicht die Herstellung von massiven Bauteilen mit hoher Dichte, die sich auch für hohe Beanspruchungen eignen. Das Verfahren bietet sich insbesondere bei kleinen Stückzahlen und komplexen Geometrien an.

„Entscheidender Vorteil des selektiven Laserschmelzens ist, dass dabei massive Bauteile entstehen, deren mechanische Eigenschaften denjenigen des Ursprungsmaterials entsprechen“, sagt B.-Eng. Philipp Albrecht, Verfahrensingenieur der Firma 3D Laserdruck in Reutlingen. Ausgangsmaterial des Verfahrens sind Pulver aus hochwertigen Werkstoffen wie Werkzeug- oder Edelstählen, Aluminiumlegierungen, Nickelbasislegierungen oder Titan. Ähnlich wie bei vielen der inzwischen weit verbreiteten 3D-Druckverfahren entstehen daraus durch schichtweisen Aufbau dreidimensionale Bauteile. Zu anderen Verfahren wie Lasersintern oder Stereolithographie gibt es allerdings einen wesentlichen Unterschied: Die beim Laserschmelzen entstehenden Bauteile sind auch ohne jede Nachbehandlung massiv und weisen Eigenschaften auf, die mit denen von Walz- oder Schmiedelegierungen umfassend vergleichbar sind. Das macht das Verfahren interessant für Anwendungen, bei denen Einzelstücke oder kleine bis mittlere Serien aus real belastbaren Bauteilen mit komplexer Geometrie gefordert werden. Typische Einsatzgebiete sind beispielsweise Luft- und Raumfahrt, Rennsport, Werkzeug- und Formenbau, Medizintechnik sowie generell solche industriellen Anwendungsbereiche, bei denen – so wie beim Sondermaschinenbau – Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie in eher kleinen Stückzahlen benötigt werden.

Vorteile des 3D-Laserschmelzens

„Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Integralbauteilen, das heisst die Zusammenfassung von Baugruppen, die bislang aus vielen Einzelteilen hergestellt wurden“, erläutert B.-Eng. Sven Skerbis, Technischer Leiter Vertrieb bei 3D Laserdruck. Diese können jetzt als monolithisches Einzelteil hergestellt werden. Besondere Vorteile bietet das Verfahren auch überall dort, wo hohe Belastbarkeit, innere Hohlräume oder komplexe, durch Zerspanung kaum darstellbare Geometrien gefordert werden. So entfallen beim Laserschmelzen die hohen Kosten für Werkzeuge, Formen und sonstige Vorrichtungen, die bei konventionellen Verfahren wie Giessen, Schmieden oder Blechumformen benötigt werden. Auch können Teile innerhalb weniger Arbeitstage geliefert werden. Das ist insbesondere bei kleineren Stückzahlen ein nicht zu unterschätzender Vorteil, der es ermöglicht, die „Lebenszykluskosten“ der Bauteile signifikant zu reduzieren. Zudem gibt es „Complexity for free“, weil eine Erhöhung der Bauteilkomplexität keine zusätzlichen Kosten bedingt. Besonders hervorzuheben sind die gestalterischen Freiheitsgrade für den Konstrukteur, die erheblich über denjenigen anderer Herstellverfahren liegen, weil Restriktionen bezüglich der Zugänglichkeit für Zerspanungswerkzeuge oder der Entformbarkeit zum Beispiel aus Giesswerkzeugen entfallen. Das ermöglicht die Integration zusätzlicher Funktionen in die Bauteilgestalt, optimierten Leichtbau mit exakt an die Kraftverläufe angepassten Wanddicken oder die Realisierung innenliegender Hohlräume, belastungsoptimierter innenliegender Rippenstrukturen oder Fliesskanäle, beispielsweise für Kühlmedien. Dennoch ist die Prozesskette oft wesentlich kürzer als bei konventionellen Herstellverfahren.

Sehr vorteilhaft ist das 3D-Laserschmelzen auch im Vergleich zur Zerspanung aus dem Vollen, bei dem oft hohe Materialverluste von manchmal mehr als 80-90 Prozent in Kauf genommen werden müssen. Beim Laserschmelzen wird dagegen nur exakt das an Material eingesetzt, was für die Darstellung der Bauteilgeometrie erforderlich ist. Dies erhöht die Energie- und Ressourceneffizienz ganz erheblich. Von der Kostenseite her rechnet sich das Verfahren umso mehr, je schwerer zerspanbar die entsprechenden Werkstoffe sind, wie dies beispielsweise bei Titan, Nickelbasislegierungen wie Inconel 718 oder sehr harten Werkzeugstählen der Fall ist.

Schichtweises Aufschmelzen

„Der entscheidende Unterschied im Vergleich mit konventionellen Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile liegt darin, dass unsere Teile aus vollflächig übereinander geschweissten Schichten bestehen“, ergänzt P. Albrecht. Die Schichten entstehen aus feinen Metallpulvern mit Korngrössen von 20 bis 60 µm. Nach dem Aufbringen, das mit Hilfe eines Schlittens nebst geeignetem Dosiersystem erfolgt, wird ein leistungsstarker Laserstrahl in einem vom Computer definierten Muster über die Pulverschicht geführt. Dabei wird die Pulverschicht soweit aufgeschmolzen, dass sie vollständig verflüssigt wird und auch die zwei darunterliegenden Metallschichten mit angeschmolzen und verschweisst werden. Nach dem Abkühlen, das aufgrund der geringen Schichtdicke sehr schnell erfolgt, bestehen die „belichteten“ Bereiche aus metallisch dichten „Schweissraupen“, die mit dem darunter befindlichen Material fest verschweisst sind. Diese beiden Arbeitsschritte werden in der für additive Bauverfahren typischen Arbeitsweise so oft wiederholt, bis das gewünschte Bauteil komplett vorliegt, wobei die typischen Schichtdicken zwischen 30 und 50 µm betragen. Die so erzeugten Teile bestehen daher aus kompaktem Metall, dessen Dichte 99,7 - 99,9 Prozent derjenigen von Walz- oder Schmiedematerial erreicht. Auch die wesentlichen mechanischen Eigenschaften sind vollständig vergleichbar. Die fertigen Bauteile können mit allen für den jeweiligen Werkstoff üblichen Verfahren mechanisch bearbeitet, wärmebehandelt und beschichtet werden und sind somit für zahlreiche Einsatzzwecke geeignet. Die Abmessungstoleranzen liegen bei ungefähr ± 0,1 mm. Bei Dicht- oder Funktionsflächen genügt meist eine zerspanende Schlichtbearbeitung.

Hochwertige Werkstoffe

„Die von uns verwendeten Metallpulver haben eine hohe Reinheit, und wir qualifizieren jede Charge, so dass ihre Zusammensetzung den jeweiligen Werkstoffnormen und unseren Ansprüchen genau entspricht“, weiss S. Skerbis. Dies gewährleiste langfristig in engen Grenzen reproduzierbare Bauteileigenschaften. Deshalb beschränke man sich zurzeit auf wenige, dafür aber sorgfältig ausgesuchte Werkstoffe. Im Stahlbereich sind dies der martensitaushärtbare Werkzeugstahl 1.2709 (X3NiCoMoTi18-9-5) sowie der rostfreie 1.4404 (V4A, X2CrNiMo17-12-2). Der 1.2709 ist verzugsarm und weist hohe Werte für Zähigkeit, Streckgrenze und Zugfestigkeit auf. Darüber hinaus zeichnet er sich noch durch hohe Warmfestigkeit und Verschleissbeständigkeit aus. Der 1.4404 ist besonders korrosionsbeständig und wird deshalb bevorzugt in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Lebensmittelindustrie sowie dem Armaturen- und Anlagenbau eingesetzt. Weitere Anwendungsgebiete finden sich in der Offshoreindustrie, der Petrochemie sowie der Luft- und Raumfahrt. Hinzu kommen noch die Nickelbasis-Legierungen Inconel 625 sowie 718. Die im Leichtmetallbereich eingesetzten Werkstoffe AlSi10Mg, und AlSi9Cu3 entsprechen in Zusammensetzung und Eigenschaften häufig eingesetzten Aluminiumlegierungen. Hinzu kommt noch der Titanwerkstoff TiAl6V4 Grade 5 (3.7165) mit einer spezifischen Dichte von etwa 4,5 g/cm³. Dieser zeichnet sich durch gute Beständigkeit gegen Risseinleitung und Rissausbreitung sowie eine herausragende Biokompatibilität aus und wird daher häufig für Implantate verwendet. 

weitere Informationen:

http://www.3d-laserdruck.de/ 



Bei Bauteilen mit hohem Zerspanungsanteil bietet das selektive Laserschmelzen merkliche Vorteile z.B. mit Blick auf Ressourcen- und Energieeffizienz sowie mit Blick auf die Kosten (Bilder: 3D Laserdruck)


"Entscheidender Vorteil des selektiven Laserschmelzens ist, dass dabei massive Bauteile entstehen, deren mechanische Eigenschaften denjenigen des Ursprungsmaterials entsprechen“, erklärt Philipp Albrecht.


„Besondere Vorteile bietet das Laserschmelzen überall dort, wo hohe Belastbarkeit, innere Hohlräume oder komplexe, durch Zerspanung kaum darstellbare Geometrien gefordert werden“, bringt es Sven Skerbis auf den Punkt.


Die Rotorblätter benötigen Stützstrukturen.


Das Verfahren eignet sich besonders für Fälle, in denen Einzelstücke oder kleine bis mittlere Serien aus real belastbaren Bauteilen mit komplexer Geometrie wie diese Stützstruktur aus TiAl6V4 gefordert werden.


Wärmetauscher aus AlSi10Mg; Stückzahl: 5 St.; Lieferzeit: 12 Arbeitstage inklusive Nachbearbeitung.


Die bei 3D Laserdruck eingesetzte Laserschmelzanlage SLM 280 HL hat einen Bauraum von 280 x 280 x 350 mm und erzeugt mit ihrem 400 W YLR-Faserlaser pro Durchgang eine Schichtdicke von 20 – 75 μm.