Wegweisendes Patent Der metallische 3D-Laser-Druck wird 25 Jahre

Im Jahr 1996 wurde das Patent zum metallischen 3D-Laser-Druck eingereicht. Erfunden wurde das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) genannte Verfahren in Aachen am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Ein Rück- und Ausblick.

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Die Erfinder des Verfahrens heute vor der ersten LPBF-Maschine von 1996: Wilhelm Meiners, Kurt Wissenbach und Andres Gasser
Die Erfinder des Verfahrens heute vor der ersten LPBF-Maschine von 1996: Wilhelm Meiners, Kurt Wissenbach und Andres Gasser
(Bild: Fraunhofer ILT)

Das LPBF-Verfahren bietet die Möglichkeit, komplexe Funktionsbauteile ressourceneffizient und wirtschaftlich herzustellen. Die Fertigungskosten hängen dabei weniger von der Komplexität der Geometrie ab, sondern hauptsächlich vom Volumen des Bauteils. Laut Fraunhofer ILT war das Besondere an der Idee von damals, auf anwendungs-interessante Werkstoffe zu setzen, wie z.B. Cobalt-Chrom-Legierungen für Dentalimplantate. An diese Werkstoffe wurde der Prozess angepasst. Heute findet das LPBF-Verfahren eine breite industrielle Anwendung: vom Turbomaschinen- und Automobilbau, über die Luft- und Raumfahrt, bis hin zur Medizintechnik und ist mit über 80 Prozent die dominierende Technologie auf dem Markt für die Additive Fertigung mit Metallen.

Ein Verfahren – viele Namen

Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren wird je nach Anlagenhersteller oder Fertiger heute auch Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder Metal-3D-Printing genannt. Der Prozess ist aber immer derselbe: Schichtweise wird Metallpulver mittels Rakel aufgetragen. Laserstrahlen verschmelzen dann entlang berechneter Bahnen ausgewählte Teile der oberen Schicht mit darunter liegenden, bereits festen Bereichen. Ist eine Schicht fertig, wird das Metallpulverbett um eine Schichtbreite abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgetragen. Anschließend verschmilzt der Laser wieder die Metallpartikelpulver. Durch die laufende Wiederholung dieser Schritte entsteht Schicht für Schicht das Bauteil mit seinen Stützstrukturen (Supports).

Die Vorteile des Verfahrens

Mit dem schichtweisen Aufbauprozess des LPBF-Verfahrens lässt sich eine dreidimensionale Fertigungsaufgabe auf zwei Dimensionen reduzieren. Dadurch bietet das Verfahren eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu konventionellen Fertigungstechniken wie dem Urformen oder der Zerspanung. Wie das Fraunhofer ILT mitteilt, sind so beispielsweise überhaupt erst komplexe Kühlkanäle zur gezielten Temperierung von Werkzeugen oder integrierte Gitterstrukturen für Leichtbauanwendungen möglich geworden. Auch lassen sich Prototypen in Kleinserien mit serienidentischen Werkstoffeigenschaften in kürzester Zeit herstellen. Ein weiterer Vorteil sei die Verkürzung von Entwicklungszeiten. Zahlreiche Iterationen lassen sich nun mit geringerem Aufwand durchführen. Daraus resultiert eine verkürzte Zeit bis zur Markteinführung neuer Produkte.

Woran heute entwickelt wird

Im Fokus der gegenwärtigen Entwicklung stehen nach Angaben des Fraunhofer ILT innovative Belichtungskonzepte, die an die Anforderungen oder die Geometrie von Bauteilen angepasst sind. Darüber hinaus werden neuartige Maschinenkonzepte zur Produktivitätssteigerung des Verfahrens entwickelt und das Verfahren in industrielle Prozessketten integriert.

Was die Zukunft bringt

Zukünftig wird am Fraunhofer ILT die ganzheitliche Betrachtung der LPBF-Technologie im Fokus stehen. Hinsichtlich einer kreislauforientierten Produktion soll der LPBF-Prozess beispielgebend werden. Miterfinder Willhelm Meiners ist sich sicher: „Innerhalb der nächsten 20 Jahre wird LPBF eine noch größere Rolle spielen. Ich denke gerade auch an den Automotive-Bereich!“

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