Metall-3D-Druck weltweit auf dem Vormarsch

Metall-3D-Druck

weltweit auf dem Vormarsch

Heutzutage leben wir in einer extrem herausfordernden, spannungsgeladenen Zeit. Weltwirtschaftliche und geopolitische Spannungen, verbunden mit Lieferkettenengpässen, stellen uns beinahe täglich auf die Probe. In der Bauteilbeschaffung existieren riskante Abhängigkeiten. Die Produktion soll zunehmend umweltschonender, wirtschaftlicher und individueller erfolgen. Serienerzeugnisse werden immer öfter durch maßgeschneiderte, in kleinen Losgrößen fabrizierte Produkte ersetzt. Hier kommt Metall-3D-Druck ins Spiel.
Fronius Welding setzt mit der Prozessvariante CMT Additive Pro einen Meilenstein.

Schicht für Schicht in Form

Der Metall-3D-Druck ist wie alle anderen 3D-Druckvarianten ein Fertigungsverfahren, das die Erzeugung vieler Produkte sowohl technisch als auch ökonomisch revolutioniert. Schicht für Schicht wird heute real, was vor Jahren noch unmöglich schien. Dabei werden dreidimensionale Objekte durch lagenweises additives Auftragen von Schweißgut in Form gebracht. Diese schweißdrahtbasierte Methode der additiven Fertigung nimmt zunehmend Fahrt auf. Sie erhöht die Flexibilität und damit die Wettbewerbsfähigkeit vieler Betriebe in der Automobil-, Elektronik- und Konsumgüterindustrie, in der Öl- und Gasindustrie, Luft- und Raumfahrt, im Kraftwerksbau, im Werkzeugbau, in der Medizintechnik und im Baugewerbe.

Möglichkeiten und Vorteile

Klassische Fertigungsverfahren erfordern oft einen aufwendigen Formen- und Werkzeugbau, gepaart mit langen Vorlaufzeiten und hohen Einrichtungskosten. Die additive Fertigung hilft, Entwicklungszyklen maßgeblich zu verkürzen. Das Drucken von Bauteilen on demand beschleunigt den Prototypenbau (Rapid Prototyping), ermöglicht Just-in-time-Fertigung mit Verzicht auf Lagerhaltung und vereinfacht Reparaturarbeiten.

Werden Ersatzteile benötigt, wählt man die richtigen „Rezepte“ in der Software und druckt sie nach Bedarf. Grenzen für Bauteilgeometrien gibt es kaum. Sogar komplizierte Waben- und Hohlraumkonstruktionen, die mit konventionellen Methoden nicht realisierbar wären, sind möglich.

Besonders im Prototypenbau spielt der Metall-3D-Druck seine Stärken aus: Designschwächen können frühzeitig identifiziert und ohne aufwendigen, kostenintensiven Formenbau korrigiert werden. Das beschleunigt Innovationsprozesse und steigert die betriebliche Effizienz.

Additiv gefertigte, topologieoptimierte (struktur- und lastflussgerechte) Komponenten sind oft deutlich leichter als konventionell hergestellte Bauteile – und tragen so etwa zur Reduktion des Energieverbrauchs in Fahrzeugen oder Flugzeugen bei. Ihre hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht bietet zudem ein hohes Maß an Material- und Betriebssicherheit.

DED-Arc: Metall-3D-Druck mit High-End-Schweißtechnologie

Der Metall-3D-Druck unterscheidet zwischen pulver- und drahtbasierten Prozessen. Beim Pulververfahren wird Metallpulver aufgeschmolzen. Die aktuell gängigste Variante, das Pulverbettverfahren, besticht durch hohe Präzision, ist aber relativ langsam. Drahtbasierte Prozesse schmelzen Draht ab und bauen so das Werkstück auf – entweder elektronenstrahl-, laser- oder lichtbogenbasiert. Sie verfügen über hohe Abschmelzleistungen und tragen auf diese Weise zu kurzen Fertigungszeiten bei.

Wire Arc Direct Energy Deposition, kurz DED-Arc, ist lichtbogenbasiert und nutzt den Metall-Schutzgas-Schweißprozess (MSG). Diese Variante ermöglicht Abschmelzraten von bis zu 4 kg/h, die zukünftig durch spezielle Prozesse und Mehrdrahtlösungen noch gesteigert werden.

Im Zentrum von DED-Arc steht ein stabiler Schweißprozess wie Fronius CMT Additive Pro. Teure Vakuumkammern, wie sie beim Elektronenstrahlverfahren benötigt werden, fallen weg. „Für ein gutes Druckergebnis sind vor allem der richtige Schweißpfad in Kombination mit den passenden Schweißprozessen und -parametern entscheidend“, erklärt Wolfgang Scherleitner, Head of Prototyping & Manufacturing Center. „Wir haben mit CMT Additive Pro einen revolutionären, 3D-optimierten Schweißprozess auf den Markt gebracht, der mit besonders gleichmäßigem Lagenaufbau, hoher Qualität und Stabilität überzeugt. Gemeinsam mit der Schweißstromquelle iWave Multiprocess PRO steht ein perfekt aufeinander abgestimmtes Equipment zur Verfügung, das mit allen gängigen Schweißrobotern kompatibel ist und eine Vielzahl an Möglichkeiten eröffnet.“

Exklusive 3D-Features in einer Kennlinie vereint

Mit CMT (Cold Metal Transfer) verfügt Fronius seit Jahrzehnten über einen besonders stabilen, gut kontrollierbaren und vergleichsweise kühlen Schweißprozess. Weltweit in der additiven Fertigung eingesetzt, ist der Prozess mittlerweile für den Metall-3D-Druck optimiert und bietet neben der lagenoptimierenden Leistungskorrektur einen prozessintegrierten Abschmelzratenstabilisator (Deposition Stabilisor). Dieser gewährleistet einen konstanten Drahtvorschub, der zu einem gleichmäßigen, vorhersehbaren Lagenaufbau führt.

In der additiven Fertigung muss der pro Zeiteinheit de facto abgeschmolzene Schweißdraht dem im Schweißprogramm vorgegebenen Volumen entsprechen. Die Kennlinie CMT Universal wird auf einen durchschnittlich konstanten Schweißstrom geregelt, mit dem Ergebnis, dass unterschiedliche Stickout-Werte (CTWD – Contact Tip to Work Distance) zu unterschiedlichen Drahtvorschubgeschwindigkeiten führen, weshalb der Lagenaufbau nicht eins zu eins reproduziert werden kann. Fronius CMT Additive Pro ist dagegen auf die durchschnittliche konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit geregelt und bleibt unabhängig vom Stickout auf diesem Wert.

Die Leistungskorrektur (Power Correction) reguliert den Wärmeeintrag und hält das Breiten- und Höhenverhältnis der Schweißraupe konstant, unabhängig von der Temperatur des Grundmaterials und der geschweißten Raupen. Wird während des Lagenaufbaus ein neuer Schweißzusatz benötigt, muss im Anschluss an den Nachfüllprozess der Lichtbogen wiederholt gezündet werden – es kommt zu einem neuerlichen Schweißstart. Dabei kann es zu Bindefehlern oder einer Nahtüberhöhung im Startbereich kommen. Fronius löst dies mit einer für CMT Additive Pro modifizierten Pulsed-Hot-Start-Funktion. Wie bei CMT Universal wird der Startstrom erhöht, allerdings wird dabei in der Startphase auf einen gepulsten Lichtbogen umgeschaltet, damit deutlich mehr Leistung erzielt und die gleiche Abschmelzrate wie in der Hauptstromphase erreicht wird.

Resümierend betrachtet, wurde CMT Universal um wertvolle Features für optimale 3D-Druck-Ergebnisse ergänzt und alles in einer Kennlinie vereint. Mit noch mehr Lösungen für anspruchsvolle Schweißherausforderungen kann das Expertenteam im Prototypen- und Fertigungszentrum aufwarten.

360°-Service von der Machbarkeitsstudie bis zur Nullserie

Im Prototypen-Zentrum stellt Fronius ein umfassendes Dienstleistungspaket zur Verfügung. Hier werden maßgeschneiderte Lösungen für individuelle Anforderungen entwickelt, die additiven Fertigungsprozesse der Kunden optimiert und hochkomplexe Bauteile realisiert. Von der anfänglichen Beratung und Machbarkeitsprüfung bis hin zur Produktion von Teilen erfolgt alles in enger Abstimmung mit dem Auftraggeber und unter einem Höchstmaß an Diskretion. Ziel ist es, die Time-to-Market zu minimieren und das volle Potenzial von Innovation und Technologie in den Projekten auszuschöpfen.

Die Expertinnen und Experten unterstützen bei der Fertigung der ersten Prototypen und Vorserien und ermöglichen einen reibungslosen Einstieg in den additiven Fertigungsprozess. Darüber hinaus erhalten die Kunden valide Empfehlungen zu Schweißprozess, Wirtschaftlichkeit, Qualität und Umsetzungsoptionen oder den Kosten für den Prototyp sowie den Produktionsstart. Das über 1.000 m² große Prototypen-Zentrum in Wels, Österreich, verfügt dafür über mehrere abgeschottete Roboterzellen und Anlagen und bietet Full Service inklusive Offline-Programmierung und Simulationen, metallurgischen Untersuchungen, 3D-Bauteilvermessung, lückenloser Datendokumentation und vielem mehr.

Fronius unterstützt bei der Entstehung von Normen

Als Mitglied im „Gemeinschaftsarbeitskreis additiv gefertigte Bauteile unter der Druckgeräterichtlinie des Deutschen Instituts für Normung (DIN)“ hat Fronius in Zusammenarbeit mit MIGAL.CO, Linde Engineering und dem TÜV SÜD an der Musterqualifizierung eines additiv geschweißten Bauteils teilgenommen. Dabei wurde die Anwendbarkeit des Normenentwurfs prEN 13445-14 für Komponenten unbefeuerter Druckbehälter überprüft.

Geprüft wurde die komplette Prozesskette anhand eines Druckbehälters in der Form eines Rohrabzweigs. Laut Designvorlage wurde der Abzweig (additiv aufgetragener Bereich bis zum Stutzen) auf einem herkömmlich gefertigten Grundrohr aus Aluminium mit dafür vorgesehenem Ausschnitt aufgebaut.

Aluminium, die naturharte Knetlegierung, wird im Anlagenbau hauptsächlich wegen ihrer hervorragenden Tieftemperaturzähigkeit bis minus 273 °C verwendet. Allerdings stellt sie hohe Anforderungen an den Schweißprozess. So sind nicht nur die Prozessauswahl und die Prozessparameter entscheidend für das Ergebnis, sondern auch die Auswahl des Schweißzusatzes, der beim Metall-3D-Druck eine fundamentale Rolle spielt. Sowohl für den Drahtdurchmesser als auch für die chemische Zusammensetzung, die möglichst wenig Wasserstoff enthalten soll, gelten enge Toleranzen. Außerdem muss der Draht für eine reibungslose Produktion frei von Einschlüssen und lagenecht gespult sein. Anforderungsbezogen wurde für den additiven Lagenaufbau CMT Mix für die ersten Lagen und CMT Additive Pro für den darauffolgenden Wandaufbau gewählt, wobei die Leistungskorrektur-Funktion den Wärmeeintrag entscheidend beeinflusste.

Wie in der prEN 13445-14 vorgesehen, wurden die einzelnen Prüfstücke zerstörungsfrei und zerstörend geprüft. Zum Nachweis der äußeren und inneren Fehlerfreiheit wurden Sicht- und Maßprüfungen (VT), Volumenprüfungen (RT-D) und Oberflächenprüfungen (PT) als zerstörungsfreie Prüfverfahren genutzt.

Detaillierte Informationen zur Musterqualifizierung des Druckbehälters bietet das folgende Video: Linde Engineering, TÜV Süd, MIGAL.CO,Fronius.