KEM Konstruktion 11.2016

WERKSTOFFE/VERFAHREN
WERKSTOFFE
Um die im Material entstehenden
Eigenspannungen zu begrenzen,
werden wabenartige Stützstrukturen
mit aufgebaut, um die verschiedenen
Partien des Rohlings
mit der massiven Bauplatte zu verbinden
und so ein Hochbiegen zu
verhindern
Bild: 3D Laserdruck
Selektives Laserschmelzen – eine moderne Fertigungstechnologie
Belastbare Bauteile aus Stahl, Alu und Titan
Additive Fertigungsverfahren wie das selektive Metall-Laserschmelzen erobern inzwischen immer
weitere Einsatzbereiche sowohl bei der Entwicklung als auch bei der Produktion technischer Bauteile.
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 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 Nach -
behandlung 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.
„Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Integralbauteilen,
das heißt die Zusammenfassung von Baugruppen, die bislang aus
vielen Einzelteilen hergestellt wurden“, erläutert 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.
Gestalterische Freiheitsgrade für den Konstrukteur
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 z.B. 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 für z.B. 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 bis 90 % in Kauf genommen werden müssen.
Beim Laserschmelzen wird dagegen nur exakt das an Material
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