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Additive Fertigung Filigrane und robuste Tragstrukturen aus dem 3D-Drucker

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde / Juliana Pfeiffer

Festigkeits- und steifigkeitsangepasste Tragstrukturen sind im Bauwesen wichtig. Eine neue Methode, wie großvolumige Bauteile 3D-gedruckt werden können, entwickeln Wissenschaftler der TU Ilmenau.

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Filigrane Dachkonstruktion aus Stahl
Filigrane Dachkonstruktion aus Stahl
(Bild: istockphoto/ FredFroese )

Durch additive Fertigung können Bauteile anhand dreidimensionaler digitaler Modelle schichtweise hergestellt werden. Im Projekt „3D-Weld – 3D-gedruckte Knotenpunkte aus Stahl für bionische Tragstrukturen mittels Wire Arc Additive Manufacturing“ entwickeln Wissenschaftler der Technischen Universität in Ilmenau neuartige Methoden zur Herstellung und Ertüchtigung von Bauwerken durch additive Fertigung. Die an die Natur angelehnten robusten Tragstrukturen aus Stahl sind nicht nur filigran und materialsparend, sondern weisen gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf.

WAAM – drahtbasierte, additive Fertigung mittels Lichtbogen

„Im Bauwesen werden häufig lineare Stahlelemente in unterschiedlichen Raumrichtungen und Relativlagen eingesetzt, die zum Lastabtrag durch sogenannte Stahlbauknoten verbunden werden. Durch die Individualität in der Gestaltung von Gebäudetragwerken werden diese komplexen Stahlbauknoten in niedrigen Losgrößen und häufig als Einzelstücke hergestellt. Der Konstruktions- und Fertigungsaufwand bei diesen Strukturen, ist sehr hoch und die Herstellung somit teuer“, weist Dr.-Ing. Jörg Hildebrand vom Fachgebiet Fertigungstechnik an der Fakultät für Maschinenbau auf eine Herausforderung hin. Die drahtbasierte, additive Fertigung mittels Lichtbogen – auch als Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM) bekannt – ist eine Möglichkeit zur Herstellung von großvolumigen Bauteilen.

Was passiert beim Wire Arc Additive Manufactruing?

(Bildquelle: FIT AG)

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) nutzt Lichtbogenschweißen zum schichtweisen Aufbau des Bauteils. Ein Metalldraht wird mithilfe eines Schweißbrenners an der richtigen Stelle verschmolzen und formt so das gewünschte Rohteil. Durch die drehbare Bauplattform erfolgt der Materialaufbau 5-achsig, die maximale Bauteilgröße beträgt 1 m³. Komplexe Strukturen oder Hohlräume können so gefertigt werden. Das fertig aufgebaute Bauteil wird anschließend durch CNC-Fräsen fertig bearbeitet.

Geringer Bauraum beim Pulverbett basierten Verfahren

Bisher wird die Herstellung komplexer metallischer 3D-Bauteile hauptsächlich mittels laserbasierter Verfahren realisiert. Die verwendeten Verfahren, wie das Laser-Auftrag-Schweißen und das Selective Laser Sintering sind jedoch durch die erzielbaren Schichtdicken von wenigen zehntel Millimetern und einer geringen Aufbaurate von zirka 1 bis 10 cm³/h in der Produktivität für größere Bauteile stark eingeschränkt. „Zusätzlich ist der Bauraum vor allem bei Pulverbett basierten Verfahren in der Regel gering. Es müssen lange Herstellungszeiten und begrenzte Bauteilabmessungen in Kauf genommen werden“, benennt M.Sc. Jan Reimann, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät, einen Nachteil.

Verfahrensvorteile

  • Materialersparnis durch gezielten Materialauftrag
  • Bis zu 60 % günstiger als subtraktive CNC-Fertigung
  • Hohe Aufbaurate bis 600 cm³/h und damit wesentlich schneller als pulverbettbasierte Verfahren
  • Hohe Werkstoffvielfalt
  • Minimaler Verzug und geringe Eigenspannung im Bauteil
  • Porenfreier Lagenaufbau
  • Hybridbauweise, d.h. Aufschweißen auf Halbzeug möglich

WAAM vereint MSG, WIG und Plasmaprozesse

WAAM könne hier deutlich höhere Aufbauraten umsetzen, wodurch das Verfahren in den letzten Jahren stark in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit gerückt sei.

Unter WAAM werden dabei folgende Verfahren während der additiven Fertigung zusammengefasst:

  • Metallschutzgasschweißen (MSG)
  • Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG)
  • Plasmaprozesse

Bei diesen Verfahren wird der Energiequelle ein drahtförmiger Zusatzwerkstoff zugeführt und aufgeschmolzen, um einen lagenweisen Aufbau mit hohem Materialausnutzungsgrad zu erreichen. Das ermöglicht die Herstellung von Hinterschneidungen, Hohlräumen für Leichtbauanwendungen oder beliebig im Bauteil verlaufenden Kühlkanälen welche in konventioneller Verfahrensweise nicht oder nur eingeschränkt herstellbar sind.

„Das MSG-Verfahren zeichnet sich für die additive Fertigung besonders durch eine kostengünstige und robuste Prozesstechnik aus. Durch die lokale Schutzgasabdeckung bestehen zudem prinzipiell keine Restriktionen für die Bauraumgröße. Außerdem ist es möglich richtungsunabhängig zu arbeiten, da der Schweißzusatzwerkstoff koaxial zugeführt wird“, so Prof. Jean Pierre Bergmann, Leiter des Fachgebietes Fertigungstechnik. Je nach Material und Bauteilgeometrie ermöglicht das WAAM-Verfahren mittels MSG-Schweißtechnik Abschmelzleistungen von zirka 5 kg/h.

Vor dem eigentlichen Herstellprozess erreichten die Wissenschaftler durch topologische Berechnungen zudem eine Optimierung der Materialverteilung innerhalb eines vorgegebenen Designraums. „Wir konnten in dieser Arbeit zeigen, dass die Topologieoptimierung eine bionische Form für den Tragwerksknoten mit einer deutlich erhöhten Steifigkeit erzeugt“, so Hildebrand. Dadurch konnte im Ergebnis eine Verringerung der vorherrschenden Spannungen und der Gesamtverformung des Knotens im Prozess erreicht werden.

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Über den Autor

Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik