Die additive Fertigung von Großbauteilen nimmt Fahrt auf

Lichtbogen-Schweißverfahren für große Bauteile in Schiffen oder Schienenfahrzeugen werden zunehmend marktreif. Sie sind ressourcenschonend, bergen jedoch auch technische Hürden.

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Mit der zunehmenden Nachfrage nach additiv gefertigten Großbauteilen steigt auch die Bedeutung der additiven Schweißtechnik, mit der sich in relativ kurzer Zeit größere Bauteile herstellen lassen. Sie dürfte sich künftig in Bereichen etablieren, die bislang der Gießereitechnik oder anderen konventionellen Fertigungsverfahren vorbehalten waren. Dabei kommt ihnen unter anderem auch zugute, dass sie – im Gegensatz zu anderen Verfahren der additiven Fertigung – unterschiedlichste schweißgeeignete Metallen einsetzen können, wie Georg Fischer im Fachbeitrag Additives Fertigungsverfahren mit Draht als Basismaterial für die lightweight.design 6/17 schreibt.

Ein Konsortium um den Schiffsgetriebehersteller Reintjes, das Institut für Integrierte Produktion Hannover und das Laser Zentrum Hannover entwickelt im Projekt XXL3DDruck nun gemeinsam einen 3D-Drucker für die Herstellung mehrerer Tonnen schwerer Bauteile aus Stahl. In einer ersten industriellen Anwendung sollen nach Projektabschluss im Jahr 2021 dann Gehäuseteile für Schiffsgetriebe produziert werden. Durch die additive Fertigung lassen sich dabei etwa Hohlräume oder Wabenstrukturen in das Bauteil einbringen, wodurch das Gewicht des Gehäuses auf 10 Tonnen sinken soll. Damit wäre es drei Tonnen leichter als ein gegossenes Gehäuse. Zudem erfordert das neue Fertigungsverfahren keine Gussformen mehr, wodurch weiteres Material eingespart wird. Den Forschern steht dabei ein Druckraum von sechs Metern Länge, drei Metern Breite und 1,5 Meter Höhe zur Verfügung. Mittels laserunterstütztem Lichtbogenschweißen schmelzen die Forscher dabei Stahldraht auf und schweißen ihn Schicht für Schicht aufeinander. Pro Stunde sollen auf diese Weise bis zu fünf Kilogramm Stahl aufgetragen werden.

Materialauftrag von bis zu neun Kilogramm je Stunde

Lichtbogenschweißverfahren zeichnen sich durch verhältnismäßig hohe Abschmelzleistungen, geringe Bauraumbeschränkungen sowie niedrige Investitions- und Betriebskosten aus, wie Uwe Reisgen, Konrad Willms, Lukas Oster im Kapitel Lichtbogenbasierte additive Fertigung – Forschungsfelder und industrielle Anwendungen  im Buch Additive Serienfertigung erläutern. Dadurch eignen sie sich besonders für die Serienfertigung von Großstrukturen. Auch Fortschritte in verschiedenen Bereichen wie der Roboterprogrammierung, der Pfadplanung sowie der Entwicklung energieärmerer Schweißprozesse lassen diese additiven Fertigungsverfahren zunehmend in den Fokus moderner Produktionsstrategien rücken.

Entsprechend setzen auch weitere Forschergruppen auf Lichtbogenschweißverfahren für die additive Fertigung von Großbauteilen. Elena López, Uriel Tradowsky, Frank Brückner, Christoph Leyens beschreiben im Fachbeitrag Additive Herstellung topologieoptimierter Großbauteile in der lightweight.design 5/18 die Fertigung eines Seitenwandsegments für Schienenfahrzeuge in einem sechs mal drei mal 0,5 Kubikmeter großen Bauraum. Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen erreichten die Forscher Auftragsraten von bis zu neun Kilogramm pro Stunde. Als Werkstoff verwendeten sie den korrosionsbeständigen Chrom-Nickel-Stahl 316L (1.4404). Mit ihrem Verfahren sollen gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren um bis zu 15 Prozent leichtere Großstrukturen für Schienenfahrzeuge hergestellt werden können.

Korrektur während der Fertigung erforderlich

Christian Schmid geht im Kapitel Flexibler Manufacturer für große Funktionsbauteile und die Serienfertigung von Metall- und Kunststoffbauteilen neben der Herstellung tonnenschwerer Großbauteile auch auf die ganz spezifischen Herausforderungen dabei ein: Die Anhäufung von Schweißgut und die damit verbundene eingetragene Wärme beeinträchtigen das Gefüge des Werkstücks und können zu Verzug oder Rissen führen. Zudem liegen Genauigkeiten und Toleranzen bestenfalls im oberen 10tel-Millimeter-Bereich, je nach Drahtdicke und -ausbringung auch darüber. In Korrekturzyklen zwischen den Schweißlagen muss deswegen nachgearbeitet werden, also überschüssiges Material abgetragen oder, im Falle von Untermaßen, an den entsprechenden Stellen das fehlende Material nachgetragen werden.

Für die oben beschriebene Fertigung des Gehäuseteils für das Schiffsgetriebe setzen die Forschungspartner dafür auf eine Inline-Messtechnik, die den Druckvorgang dauerhaft überwacht und bei Bedarf Prozessparameter automatisiert angepasst. Wenn beispielsweise in einem Schritt zu viel Material aufgetragen wurde, kann im nächsten Schritt weniger aufgetragen werden oder umgekehrt.