Metall-3D-Druck Den Laserschmelzprozess anforderungsgerecht optimieren

Der metallische 3D-Druck bietet neuartige konstruktive Lösungen. Er hat aber auch seinen Preis. Welche Möglichkeiten es gibt, Bauteile anforderungsgerecht und dennoch effizient zu fertigen, erläutert Dr. Fabian Neugebauer, Research Coordinator im Metallkompetenz-Zentrum von Materialise in Bremen.

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Herr Neugebauer, am Standort Bremen fertigt Materialise Bauteile additiv aus Aluminium, Titan, Edelstahl und Inconel. Wie setzen sich die Kosten beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) zusammen?

Die Kosten werden zu einem hohen Anteil durch die Druckkosten, das heißt, Kosten für die Anschaffung und den Betrieb des Druckers und Kosten für das Pulver, bestimmt. Hinzu kommen Kosten für die Aufbereitung des Bauteils für den Druck und die bedarfsangepasste Nachbearbeitung der Oberflächen. Zusätzlich gibt es je nach Anwendungsfall einen größeren Anteil an Kosten für die Qualitätssicherung und Bauteilprüfung.

Welche Möglichkeiten gibt es, die Kosten zu senken?

Wir verfolgen da mehrere Ansätze parallel. So lässt sich beispielsweise durch eine geschickte Auswahl der Laserparameter eine Menge Zeit beim Druck sparen. Im Bereich der Datenvorbereitung hat sich die Simulation als ein probates Mittel etabliert, mit der frühzeitig und ohne aufwändige Testdrucke gute Einstellmöglichkeiten für entscheidende Einflussfaktoren wie beispielsweise die Orientierung und die Supportstruktur gefunden werden können. Auch im Bereich der Supportentfernung und der Oberflächenbearbeitung sehen wir eine Menge Potential durch Automatisierungs
ansätze.

Welche Rolle spielen die Laserparameter in Bezug auf das Bauteil?

Sie legen den Grundstein für die tatsächliche Realisierung des Bauteils und seiner Qualität. Es gibt eine Vielzahl an Parametern, die zudem auch miteinander wechselwirken. Es bedarf sehr viel Expertise, um die Einstellungsmöglichkeiten bestmöglich zu nutzen, damit Bauteile mit den richtigen Eigenschaften erzeugt und gleichzeitig kostengünstig gefertigt werden können.

Welche Laserparameter haben denn den größten Einfluss auf das Fertigungsergebniss?

Bei der additiven Fertigung von Metall gibt es eine sehr große Anzahl an Parametern, deren Einstellungen lokale Einflüsse auf das resultierende Bauteil haben können. Aus globaler Sicht sind an erster Stelle die Laserleistung und -geschwindigkeit zu nennen. Zusammen mit der Schichtdicke und dem Abstand zwischen zwei Laserpfaden beeinflussen sie die Energie, die pro Volumen in das Pulver eingebracht wird. Die Materialien haben jeweils ein spezifisches Fenster der Volumenenergie, in dem sie so verarbeitet werden können, dass die gewünschten Eigenschaften erzielt werden.

Eine Optimierung des Prozesses auf das zu fertigende Bauteil macht also Sinn. Wie gehen Sie bei der Entwicklung der spezifischen Parametersätze vor?

Wir setzen dabei auf eine Softwarelösung, welche den Aufwand enorm reduziert. Bisher war es ein aufwändiger händischer Prozess, bei dem iterativ Parameter angepasst und neue Baujobs erzeugt wurden. Die neue Lösung erleichtert uns dabei die Arbeit, indem sie effiziente Methoden zur Experimentgestaltung mit einer automatisierten Erzeugung von Parametersätzen verknüpft.

Für welche Anwendungen lohnt sich dieser Aufwand, der ja auch Kosten verursacht?

Der Aufwand lohnt sich eigentlich immer. Egal, ob man seinen Standard verbessern möchte oder eine Sonderlösung für eine Kleinserie benötigt, die bestimmte Kriterien hinsichtlich Qualität und/oder Kosten erfüllen muss.

Wie beeinflusst die Möglichkeit otimaler Fertigungs-Parametersätze die Arbeit der Bauteildesigner/-entwickler?

Der Bauteildesigner/-entwickler erarbeitet eine Geometrie unter zwei Gesichtspunkten: dem Ausnutzen der Gestaltungsfreiheiten, die die additive Fertigung bietet, und der Anwendung, für die das Bauteil vorgesehen ist. Dabei müssen Bauteildimensionen so gewählt werden, dass sie im Einklang mit den wirkenden Kräften stehen. Welche Kräfte das Material aufnehmen kann ohne beispielsweise zu reißen, hängt von den Fertigungsparametern ab.

Hat Materialise vor, die entwickelte Softwarelösung zur Laserparameterauswahl auch Anwendern zur Verfügung zu stellen?

Es ist wichtig, solche Innovationen den Anwendern zugänglich zu machen. Materialise wird bald weitere Einzelheiten bekannt geben und ist offen für Betatester, um die Softwarelösung zu evaluieren.

Vielen Dank Herr Neugebauer für das Gespräch.

Das Interview führte Dorothee Quitter, Redakteurin Konstruktionspraxis

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