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Schneller aus Draht: 3D-Metalldruck im Lichtbogenschweißverfahren

3D-Druck Metall OTC (2)

An der Herstellung dreidimensionaler metallischer Bauteile sind zunehmend Lichtbogenschweißverfahren wie das SynchroFeed-System von OTC DAIHEN EUROPE beteiligt. Ob und inwieweit sich diese zukünftig gegen pulverbettbasierte Systeme durchsetzen, dürfte Konstrukteure und Kleinserienproduzenten interessieren. Abb.: SynchroFeed von OTC

 

Weite Teile der Industrie setzen längst auf digital gesteuerte Fertigungslösungen, die für die Massenproduktion nicht mehr wegzudenken sind. Unabhängig von der gewünschten Losgröße gehen mittlerweile sämtliche geometrischen Konstruktionen auf das Konto intelligenter CAD-Systeme, die die Führung in der industriellen Produktion übernommen haben und die in allen Fertigungsbetrieben zu finden sind.

Die Metallindustrie setzt mit Hilfe der CAD-Systeme traditionell auf subtraktive Fertigungsprozesse wie das Fräsen und Drehen, bei denen mit bis zu 90 % Materialabfall zu rechnen ist, bevor sich am Ende die gewünschte Form abzeichnet.

Wie sieht es mit den Möglichkeiten der additiven Fertigung aus, die nur so viel Material in die Produktion einbringen, wie sie auch benötigen? Wir kennen bereits den Vorsprung von 3D-Druckern in der Kunststoffproduktion, die uns seit langem mit abwechslungsreichen Formen beeindrucken. Wechselt man die Perspektive, stellt man fest, dass die Auswahl an technischen Möglichkeiten im Metallsektor dagegen eher übersichtlich ausfällt.

 

Filigran aus der Laser-Schmelze

 

Bei den additiven Fertigungsverfahren im Metallsektor setzt man seit geraumer Zeit auf das Lasersintern, das Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen. Ausgangsmaterial für diese Prozesse sind Metallpulver, die zunächst über den Laserstrahl in einen flüssigen Zustand gebracht werden, um dann anschließend abzukühlen. Die Herstellung der gewünschten Bauteile erfolgt schichtweise und kann mit der Qualität von herkömmlich gegossenen Bauteilen durchaus mithalten.

Diese Verfahren eignen sich überwiegend zur Herstellung filigraner wie auch formatbegrenzter Werkstücke. Dabei gilt es zu beachten, dass pulverbettbasierte Verfahren, die zugegebenermaßen beeindruckende Ergebnisse liefern, keineswegs als „Rapid“-Technologien bezeichnet werden können. Die Materialausnutzung liegt durchschnittlich bei maximal 70 %.

Hinzu kommt, dass der Energieeintrag beim Laserauftragschweißen / Lasersintern gegenüber dem 3D-Metalldruck im Lichtbogenschweißverfahren höher ist, was in der Regel auch zu Einschränkungen bei der Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe führt. Manche dieser Prozesse scheitern mitunter an der dafür notwendigen Kühlung.

Nicht umsonst gibt es mittlerweile Software-Simulationen für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen, um den Aufbauprozess virtuell vorweg zu nehmen. Auf diese Weise will man rechtzeitig Kenntnis über potentielle Störungen wie Rissbildungen oder Instabilitäten erlangen.

Hinter solchen Simulationslösungen steht die Absicht, Zeit und Kosten zu sparen: Der schichtweise Aufbau eines Bauteils dauert über das Laserstrahlschmelzen recht lange. Fehlerhafte Prototypen kann sich nicht jeder Produzent leisten.

Dreidimensionale Bauteile aus pulverförmigen Ausgangswerkstoffen benötigen zudem Bauplattformen oder Supportstrukturen, um unerwünschte Verformungen zu vermeiden. Eine reproduzierbare Ableitung der über den Laser eingebrachten Hitze ist in der Regel auch nur über solche tragenden Bauteile möglich. Diese müssen nach Fertigstellung zunächst mechanisch vom neuen Werkstück getrennt bzw. entfernt werden. Anschließend folgt die spanende Nachbearbeitung der Oberfläche, um sie von Pulverpartikeln zu reinigen.

 

Neues Verfahren im Schichtbetrieb

 

Die Palette der additiven Formgebungsprozesse für Metallbereich wurde nun um das 3D-Lichtbogenschweißen erweitert: OTC DAIHEN EUROPE GmbH aus Mönchengladbach hat sich dabei das selbstentwickelte SynchroFeed-Verfahren*) zunutze gemacht, um – wie beim Schweißen üblich – durch das Abschmelzen eines Werkstoffes zunächst eine Trägerfläche aufzubringen und sie anschließend Schicht für Schicht weiter aufzubauen. Wie auch bei allen anderen Prozessen entsteht über eine 3D-Software daraus am Ende ein physischer Körper.

Das SynchroFeed-Verfahren ist für die präzise Steuerung des Lichtbogens sowie das Abschmelzen des Materials verantwortlich. Bei zu hohen Temperaturen würde der Werkstoff einfach abfließen, bei zu niedriger Temperatur käme keine metallurgische Verbindung zwischen aufgebrachter und darunterliegender Lage zustande. Bei der Lichtbogen-Schweißkonstruktion kommt es also auf die optimale Wärmeeinbringung nach Maßgabe des dafür verwendeten Werkstoffs an.

Bereits auf der letzten Messe „Schweißen & Schneiden“ wurde erfolgreich demonstriert, dass dieser Prozess mit Aluminium unterbrechungsfrei zum gewünschten Ergebnis führt. Bei der Fertigung größerer 3D-Objekte muss lediglich die Kühlung an die jeweils aufgebrachte Lage angepasst werden.

 

 

3D-Druck Metall OTC (1)

 

Bei besonders festen Materialien wie Stahl kommt es darauf an, mehr Energie in den Prozess einzubringen, diese aber auch rechtzeitig wieder auszuleiten. Dabei darf das Material unter keinen Umständen „überlaufen“, da es sonst zu schädlichen metallurgischen Einflüssen oder Verbindungen käme. Die besondere Herausforderung besteht also darin, das Material nach Maßgabe einer entsprechenden Temperaturkurve rechtzeitig abzukühlen. Insbesondere 3D-Schweißkonstruktionen aus Edelstahl müssen sich dieser Notwendigkeit stellen.

 

Große Werkstücke sind reine Formsache

 

2-Türme

 

3D-Druckerzeugnisse über das Lichtbogenschweißen bieten ähnliche Freiheiten in der Konstruktion wie das Laserauftragsschweißen und das Lasersintern – einschließlich sämtlicher Vorzüge der Materialeinsparungen, die additive Fertigungsprozesse generell zu bieten haben.

 

Entscheidend ist jedoch die Schnelligkeit, mit der Werkstücke entstehen. Über das robotergestützte SynchroFeed-Schweißverfahren von OTC lassen sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 80 cm/Min. bereits neue Aluminium-Bauteile modellieren. Solche hohen Aufbauraten der Schichten können pulverbettbasierte Verfahren jedenfalls nicht erzielen.

 

Was die Endformate der Werkstücke angeht: Der Arbeitsbereich eines Roboters bei OTC liegt bei etwa zwei Quadratmetern, um größere Bauteile zu fertigen. Ist die Reichweite des eingesetzten Roboters sogar noch höher, sind dem Format der neuen 3D-Konstruktionen praktisch keine Grenzen gesetzt. Neben der Geschwindigkeit im Herstellungsprozess ein weiterer Pluspunkt für das SynchroFeed-Schweißverfahren.

 

In einzelnen Industriebereichen wie der Luftfahrtindustrie, in denen es nicht auf große Stückzahlen ankommt, sieht OTC für den Lichtbogen-Schweißprozess interessante Herausforderungen. Ein größerer Anwenderkreis für den 3D-Metalldruck dürfte jedoch der Berufszweig der Metallbauer sein, der kleine Serien von Geländern, Fassungen, Rahmen und Profilen auflegt und der sich gerne bestimmte Freiräume in seinem Angebotsspektrum offenhält.

 

 

Burgform

 

 

„Metallbaubetriebe, die ausgefallene Treppengeländer oder Formen produzieren möchten, dürften mit SynchroFeed und der Möglichkeit des 3D-Druckens wirtschaftlich gut aufgestellt sein. Besonders dann, wenn ein ausgefallener Prototyp nach einem Qualitätscheck in kleiner Auflage in Serie gehen soll“, so der technische Direktor bei OTC.

In der Großserienfertigung hat nach wie vor die Spritzgusstechnik die Nase vorn. Wer in die Massenproduktion einsteigt, kalkuliert auch von vornherein mit einer deutlich höheren Gewinnschwelle.
Ansätze einer sinnvollen Arbeitsteilung gibt es jedoch auch bei solchen Fertigungsprozessen, beispielsweise in der Automobilindustrie bei der Herstellung von LKW-Kühlern: Eine über die Gusstechnik vorgefertigte Massenauflage von Kühlnetzabschlüssen ließe sich komplementär um individuelle Anschlussstutzen ergänzen, die über den 3D-Druck via Lichtbogen gefertigt würden. Diese Anbauten ließen sich auch direkt mit den Kühlern verbinden, was eine zusätzliche Arbeitserleichterung darstellen würde.

 

 

3-Türme

 

Eine weitere Möglichkeit bestünde im Aufpanzern eines Grundkörpers aus der Massenproduktion mit einem Härtematerial. Hier ließen sich gezielt Konturen oder Formen auf dieses Objekt aufbringen, die dann später nicht noch aufwendig abgeschliffen werden müssen.

 

Synchronisation von Schweißstrom und Drahtzufuhr


SynchroFeed bringt durch einen hochdynamischen Regelprozess den Schweißdraht bei reduzierter Wärmeeinbringung auf und ist dadurch in der Lage, verformungs- und spritzerfrei zu arbeiten. Nachbearbeitungsprozesse wie das Fräsen sind nach dem Schichtauftrag entbehrlich.

 

Im Vergleich von Schweißungen mit unterschiedlichen Lichtbögen erweist sich SynchroFeed als spritzerärmstes Verfahren und ist deshalb für den 3D-Druck besonders geeignet.

 

Kurzlichtbogen Geregelter Kurzlichtbogen SynchroFeed 

Linke Abbildung: Kurzlichtbogen, Mitte: geregelter modifizierter Kurzlichtbogen, rechts: SynchroFeed von OTC

 

 

In der Grundausstattung benötigt man ein SynchroFeed Schweißrobotersystem mit OTC Roboter (FD-B6), Schweißstromquelle (OTC Welbee P500L), Push Feeder Einheit, Drahtpuffer, Hochleistungswechselhalsbrenner, Robotersteuerung, Arbeitstisch und die notwendige Sicherheitstechnik.

 

Wirtschaftlichkeit und Prognosen

 

Die Anschaffungskosten für die notwendige Ausrüstung des lasergestützten Auftragsschweißens oder des Lasersinterns sind entsprechend hoch. Im Vergleich dazu ist lediglich mit einem Bruchteil der Kosten zu rechnen, wenn man sich für das 3D-Lichtbogenschweißsystem SynchroFeed von OTC entscheidet.

 

Zukünftig ist davon auszugehen, dass ein Großteil industrieller Formen über additive Fertigungsprozesse auf das Konto von Lichtbogenschweißsystemen geht. Es ist zwar nicht von der Hand zu weisen, dass sich über das Lasersintern/Laserauftragschweißen sehr filigrane Formen erzeugen lassen, doch muss man sich auch die Frage stellen, ob ein derart aufwendiger Herstellungsprozess in allen Fällen seine Berechtigung hat.

 

„Robuste Bauteile oder Leichtbauteile mit größeren Abmessungen sind bereits ein Fall für die Robotertechnik in Kombination mit einem intelligenten Lichtbogenschweißprozess, da sie auch in akzeptabler Geschwindigkeit hergestellt werden können. Kürzere Prozesszeiten, eine Materialausnutzung von bis zu 90 % und die weitaus niedrigeren Anschaffungskosten sprechen nach meiner Auffassung für eine SynchroFeed-Anlage", äußert sich der technische Direktor bei OTC.

 

Derzeit interessieren sich vor allem Forschungseinrichtungen für die neue Technologie und man arbeitet daran, schweißtechnisch nicht nur aus einer senkrechten Position heraus zu produzieren, sondern künftig auch Schräglagen des Schweißbrenners von rd. 30° zu nutzen.

 

3D-Druck Metall OTC (3)

 

*) SynchroFeed ist ein spritzerfreies Schweißverfahren von OTC DAIHEN Europe, das sich durch erhöhte Abschmelzleistung bei reduzierter Wärmeeinbringung auszeichnet.

 

 

Nähere Informationen erhalten Sie von:
Katharina Klötergens, Marketing Assistentin OTC DAIHEN EUROPE GmbH,
Tel.: +49 2161 69 49 7 261, Mail: Katharina.Kloetergens@otc-daihen.de

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