3D-Druck sprengt Grenzen

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Ein Mobiltelefon, das mit allen mechanischen und elektronischen Elementen komplett per 3D-Druck entsteht, ist zwar noch eine Vision, aber keinesfalls Utopie, sagt Jörg Franke, Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Denn „das Telefon muss in Zukunft nicht mehr so komplex sein wie jetzt.“ Franke hat die Potenziale des Additive Manufacturing (AM) für mechatronisch integrierte Baugruppen fest im Blick. Zum Branchentreff Rapid.Tech am 20. Juni 2017 in der Messe Erfurt bereitet er das Fachforum Elektronik vor.

Ob es darum geht, große Strukturen mit viel Volumen zu erzeugen oder höchstmögliche Auflösung zu erreichen: Die zum Teil revolutionären Möglichkeiten der additiven Fertigungsverfahren (AM) beziehungsweise des 3D-Drucks elektrisieren Forscher an Universitäten und Entwickler in der Industrie. Die Wissenschaftler des Laser Zentrums Hannover (LZH) wollen auf der Hannover-Messe vom 24. bis 28. April zeigen, was zurzeit technisch möglich ist.

Nach oben offen: Laserauftragschweißen

Bei der Additiven Fertigung im Makro- bis XXL-Maßstab werden große Volumina Material in kurzer Zeit mit drahtbasiertem Auftragschweißverfahren verarbeitet. Dabei lassen sich nach LZH-Angaben die relativ geringen Auftragraten beim konventionellen Laser-Draht-Auftragschweißen durch den Einsatz zusätzlicher Energiequellen, wie etwa Lichtbogen, deutlich erhöhen. Auf diese Weise haben die LZH-Forscher jetzt Auftragraten von mehr als 10 kg/h erreicht.

Sondermaterialien 

Kleine Bauteile aus Metall lassen sich mit dem Selektiven Laserschmelzen akkurat und präzise herstellen. Bei dem Verfahren wird sehr feines Metallpulver mit Laserstrahlung schichtweise aufgeschmolzen. Für Strukturen mit Auflösungen von unter 30 µm eignet sich das Selektive Lasermikroschmelzen. Am LZH erforscht man für diese beiden Methoden die Anwendung unterschiedlicher Materialien, zum Beispiel Magnesium oder Nickel-Titan-Formgedächstnislegierungen.

Weitere Verfahren für den Mikrometer-Bereich sind die Stereolithografie (SLT) und düsenbasierte Prozesse. Auf diese Weise lassen sich Metalle und Polymere verarbeiten. Mit beiden Methoden können am LZH momentan laterale Auflösungen von 5 bis 10 µm erreicht werden. Dabei sei es möglich, Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufzubauen und das Material innerhalb einer Schicht zu wechseln.

Von Nanometer bis Zentimeter

Bei der Zwei-Photonenpolymerisation (2PP) werden mikro- und nanostrukturierte Objekte durch direktes Laserschreiben hergestellt. Im Unterschied zu den meisten 3D-Druckverfahren muss dabei nicht streng schichtweise aufgetragen werden, sondern es wird schnell mit einem Laser frei dreidimensional in einem Polymerbad geschrieben. Besonders attraktiv an dieser Technologie sei, so die Forscher des LZH, dass sie kontaktlos arbeite, und die Strukturauflösung über weite Bereiche (von sub-100 nm bis einige Mikrometer) skaliert werden könne.

Einen soliden Überblick über den aktuellen Stand der 3D-Druck-Technologien verschaffen die Herausgeber Hans Albert Richard, Britta Schramm und Thomas Zipsner in „Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen“. Das Fachbuch vermittelt in 18 Einzelbeiträgen die gegenwärtigen Möglichkeiten und Grenzen der Additiven Fertigung von Bauteilen und Strukturen.

Neue Unternehmenskooperationen

Gestern noch sichtbare Grenzen der Technologie können bei der Dynamik der 3D-Druck-Entwicklung schon morgen überwunden sein. Vielerorts werden sie mit vereinten Kräften eingerissen. So haben der Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec, der 3D-Druck-Anbieter EOS und der Automobilhersteller Daimler angekündigt, beginnend ab Mai dieses Jahres gemeinsam im Projekt NextGenAM die nächste Generation der Additiven Fertigung entwickeln zu wollen. Ziel des Vorhabens ist es, den Gesamtprozess des metallischen 3D-Drucks weiter zu automatisieren. Dazu will das firmenübergreifende Projektteam den additiven Fertigungsprozess auf Automatisierungspotenziale hin prüfen – von der Zuführung des Metallpulvers bis hin zu den Verarbeitungsschritten nach dem eigentlichen Bauvorgang.

Materialforschung trifft auf Photonikforschung

Beim metallischen 3D-Druck werden die Bauteile schichtweise aus Pulver „verbacken“. Die dabei zum Einsatz kommenden Materialien können allerdings nach Ansicht der Wissenschaftler eines neuen Schwerpunktprogramm (SPP) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) als hoffnungslos veraltet angesehen werden. Die bislang verwendeten Metallpulver verursachten häufig instabile Prozesse sowie poröse und defekte Bauteile, berichtet SPP-Sprecher Stephan Barcikowski von der Universität Duisburg-Essen. Und bei den Polymerpulvern sei man bei der Materialpalette immer noch sehr eingeschränkt. Die Forscher der beteiligten Hochschulen haben sich deshalb vorgenommen neue Materialien zu entwickeln und die vorhandenen an die lasergestützten Produktionsverfahren anzupassen. „Wir verschmelzen hier erstmals die Materialentwicklung mit der Photonikforschung“, sagt Barcikowski. Am neuen SPP der DFG sind neben der Universität Duisburg-Essen die RWTH Aachen, die Universität Erlangen-Nürnberg, die Universität Bremen und die TU Dresden beteiligt.

NX-Software kann jetzt auch Additive Manufacturing

Unterdessen hat Siemens die AM-Technologie des Anbieters Materialise in die NX-Software integriert. Damit werde der Design-to-Manufacturing-Prozess für die schnell wachsende Zahl an Produkten beschleunigt, die unter Einsatz von AM-Technologie bzw. 3D-Druck hergestellt werden, heißt es in einer Unternehmensmitteilung. Mit der Siemens-NX für CAD, CAM und CAE ließen sich nun die CAD-Modelle für den 3D-Druck, basierend auf Pulverbettschmelzen und Auftragstechnologien, präzise und vollständig vorbereiten und die Zeit vom Design bis zum gedruckten Bauteil um etwa 30 Prozent senken.

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