Additive Metallfertigung von großen Werkstücken

Auf die Größe kommt es an.

Das kann eine hässliche Wahrheit sein – insbesondere für diejenigen, die früher auf dem Spielfeld stets letzte Wahl waren – aber es kann auch prestigeträchtig sein; denken Sie nur an all die technischen Projekte, die als die größten,längstenoderhöchsten der Welt beschrieben werden. In der Fertigung war die Herstellung großer Teile in der Vergangenheit kostspielig und zeitaufwändig, aber das ändert sich mit der Entwicklung des 3D-Metalldrucks.

Additive Metallfertigung: Wie viel? Wie schnell?

Während der 3D-Metalldruck in verschiedene Subtypen unterteilt werden kann – Pulverbettfusion (PBF), selektives Laserschmelzen (SLM), Elektronenstrahladditive Fertigung (EBAM), etc. – sind nicht alle dieser Methoden geeignet (oder überhaupt in der Lage), große Werkstücke herzustellen.

„Werkstücke, die kleiner als ein Laptop sind, sind in der Regel ideal für Pulverbettmethoden”, erklärt John O’Hara, Global Sales Manager bei Sciaky, Inc. “Sie sind in der Lage, geschlossene Hohlräume, interne Kühlkanäle und Oberflächen herzustellen, die nach Abscheidung von großem Nutzen sind, aber der dafür notwendige Kompromiss ist eine wesentlich geringere Abscheidungsrate.”

Wenn es um den 3D-Druck großer Metallteile geht, sind die Depositionsrate und die Fähigkeit, den Druckprozess in einem großen Arbeitsraum durchzuführen, entscheidend.

„Für die Produktion großer Werkstücke hat EBAM eine sehr hohe Depositionsrate“, sagt O’Hara. „Wir haben eine konstante Marke von 25 Pfund pro Stunde erreicht, aber die Deposition ist abhängig von Material und Anwendung.” Während 25 Pfund/ Stunde das obere Skalenende der Abscheidungsrate der EBAM-Methode darstellen, ist der Prozess des 3D-Drucks endkonturnaher Formen durch die Werkstückgeometrie und den inhärenten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Präzision eingeschränkt.

„Oder wie mein Handschriftlehrer zu sagen pflegte: Je schneller, desto schlampiger“, kommentiert O’Hara.

Dies stellt eine interessante Optimierungsherausforderung dar, wenn es darum geht, die Depositionsrate mit den Materialkosten und der für die Nachbearbeitung benötigten Bearbeitungszeit in Einklang zu bringen. Je schneller Sie arbeiten wollen, desto mehr Material benötigen Sie und desto stärker wird Ihr Werkstück von der Endkontur abweichen. „Irgendwo entlang dieses Prozesses gibt es einen Punkt, an dem die Abscheidungsrate und die Balance zwischen Material- und Bearbeitungskosten ideal sind“, sagte O’Hara.

„Für Titan sind etwa 12-15 Pfund pro Stunde optimal“, fährt er fort. „Bei Metallen, die einen höheren Wert pro Pfund haben – einige der Metalle, die wir herstellen, sind zehnmal so teuer wie Titan – ist eine langsamere Abscheidungsrate mit einer höheren Endkonturnähe sinnvoll. Bei den gängigen Gegenstücken zu Titan, wie niedrig legiertem Stahl, rostfreien Stählen, Werkzeugstählen und sogar Aluminium, werden Sie feststellen, dass ein schnellerer Bearbeitungsprozess in der Regel ökonomischer ist.“

Wie O’Hara schließlich bemerkt, hängt die Bestimmung der optimalen Abscheidungsrate zum Großteil nicht nur von der Geometrie, sondern auch von Material und Produktionsvolumen ab. Der beste Weg, diese Entscheidung zu treffen, ist mit Hilfe eines Lieferanten mit nachgewiesener Erfahrung und Expertise. Sciakys Expertise reicht bis in die 1930er Jahre zurück.

Vom Elektronenstrahlschweißen zum 3D-Metalldruck

„Sciaky‘s Geschichte reicht bis in die 1930er Jahre zurück. Das Unternehmen begann als Lieferant von Schweißgeräten“, erzählt O’Hara. „In den 80er und 90er Jahren begannen wir mit der Umstellung auf Maschinen, die Schweißreparaturen an Flugzeugtriebwerken durchführen. Dabei wurde eine Drahtzuführung mit einem Elektronenstrahl verwendet, um eine dünne Metallschicht auf eine abgenutzte oder beschädigte Oberfläche eines Flugzeugmotors aufzubringen – heutzutage immer noch eine gängige Methode.“

„In Bezug auf diese Technologie“, fährt O’Hara fort, „sagten wir: ‚Nun, wenn wir diese dünne Metallschicht auftragen können, könnten wir vielleicht noch eine weitere Schicht auftragen und Elemente an dieser Komponente anbringen‘, und dann macht man einfach den nächsten Schritt: Warum fertigen wir nicht die gesamte Komponente mit diesem Schicht-auf-Schicht-Prinzip? So entstand letztlich die EBAM-Methode. Tatsächlich basiert auch heute noch jeder unserer Drucker auf der gleichen Elektronenstrahlschweißplattform, die wir seit fünf Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickeln.“

Wenn Sie also Erfahrung mit dem Elektronenstrahlschweißen (EB) haben, sollten Sie sich an einer EBAM-Maschine wie zu Hause fühlen. Die größten Unterschiede, so O’Hara, sind die Erweiterung um einen Drahtvorschub und eine Computersteuerung. Darüber hinaus sind die auf diese Weise aufgerüsteten Maschinen nach wie vor voll funktionsfähig zum EB-Schweißen. „Tatsächlich dauert die Umstellung vom Drucken auf das Schweißen etwa eine Stunde“, sagt O’Hara. “Einige unserer Kunden drucken Komponenten und schweißen dann tatsächlich dieselben Teile in einem hybriden Ansatz von Drucken und Schweißen zusammen.”

Dies stellt einen weiteren wichtigen Unterschied zwischen EBAM und PBF dar: Das Auswechseln von Metallpulvern erfordert typischerweise eine persönliche Schutzausrüstung (PSA) und kann Stunden dauern, während das Wechseln des Drahtes in einer EBAM-Maschine schnell und relativ risikofrei erfolgen kann. „Der Draht stellt kein Risiko für Arbeiter dar, außer, dass die Spule auf die Füße fallen kann“, sagt O’Hara.

Da die EBAM-Plattform auf CNC-Schweißtechnologie basiert, konnte Sciaky die Technologie der CNC-Positionierung erfolgreich nutzen, um sicherzustellen, dass das Schmelzbad horizontal bleibt. „Die Überhangfähigkeit von Schicht zu Schicht ist bei Titan auf etwa 10° begrenzt – aber sie ist bei jeder Legierung aufgrund von Unterschieden in Viskosität und Oberflächenspannung unterschiedlich. Da wir mit dem CNC-System Teile jedoch so manipulieren können, dass das Schmelzbad horizontal bleibt, sind wir in der Lage, kompliziertere Strukturen zu bauen, als Sie sich vorstellen können.“

Ein Beispiel dafür, wie diese Kippbewegung zum Drucken von kugelförmigen Formen verwendet wird, sehen Sie im folgenden Video:

Wann sollte man die Additive Metallfertigung anwenden?

Wie es bei der Additiven Metallfertigung ganz allgemein der Fall ist, ist insbesondere die Luft- und Raumfahrtindustrie der häufigste Anwender von EBAM, und es ist nicht schwer nachzuvollziehen, warum. „Für Metalle mit hohen Kosten pro Pfund und hohen Kosten für deren Bearbeitung wird die Anwendung ökonomischer sein“, sagt O’Hara. „Und das trifft auf so ziemlich jede existierende Luft- und Raumfahrtlegierung zu.“ Dazu gehören Titan- und Nickellegierungen sowie einige Edelstähle und hochwertige Aluminiumlegierungen.

„Luft- und Raumfahrtkomponenten, Raketen, Satelliten, Hubschrauber – das sind alles Fahrzeuge, die vom hohen Festigkeit-Gewichts-Verhältnis von Titan profitieren, aber Titan ist recht teuer und wirklich schwer zu bearbeiten“, sagt O’Hara. Aus ähnlichen Gründen wird EBAM auch in der Energieerzeugung und der chemischen Verarbeitungsindustrie eingesetzt, die beide teure, schwer zerspanbare Metalle erfordern.

Obgleich dies auch für die Medizintechnik gilt, stellt O’Hara fest, dass der Maßstab, für den EBAM angewendet wird, in der Regel nicht für Medizinprodukte geeignet ist. „Wir drucken in den meisten Fällen nichts, was in einen menschlichen Körper passt“, sagt er.

Neben der Möglichkeit, mit Materialien zu arbeiten, die eine Herausforderung für traditionelle Fertigungsprozesse darstellen, kann EBAM die Durchlaufzeiten erheblich reduzieren. Dies zeigt sich besonders deutlich im Fall eines Titanballasttanks für ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV).

„Sie kamen zu uns, weil sie hörten, dass wir in drei Wochen einen Ballasttank für sie herstellen könnten, was wir letztendlich auch taten“, erklärt O’Hara. „Viele Leute kommen zu uns und sagen: ‚Hey, wir machen ein Additivprojekt, kommt an Bord.‘ Bei ihnen war es anders. Sie sagten: „Wir haben gehört, dass ihr Tanks herstellen könnt. Es ist uns egal, wie ihr es macht, solange es innerhalb von drei Wochen erledigt ist.‘ Das war eines der Hybridobjekte, bei dem die beiden getrennten Halbkugeln gedruckt und dann auf derselben Maschine EB-verschweißt wurden.”

Old-School-Hersteller mögen der Behauptung widersprechen, dass der 3D-Druck großer

Werkstücke schneller sein kann als die Herstellung mit herkömmlichen Fertigungsmethoden, aber O’Hara betont, wie wichtig es ist, das richtige Verfahren für das jeweilige Teil auszuwählen.

„Im Allgemeinen, wenn Sie einen Fräsprozess haben, der schneller durchgeführt werden kann als ein Additivprozess, dann machen Sie bei der Additivfertigung etwas falsch“, sagt er. “Für viele Teile schicke ich Leute weg, weil ein gutes CNC-Zentrum mit dem Teil fertig wäre, bevor unsere Maschine überhaupt ein Vakuum erreicht hätte. In solchen Fällen handelt es sich nicht um ein Versagen der additiven Fertigung, sondern um einen Lernprozess beim Kunden im Hinblick darauf, was AM leisten kann und was nicht.“

O’Hara erklärt, dass in Lieferketten bei großen Teilen oft zugunsten der Additivfertigung entschieden wird, insbesondere in Fällen, in denen es schwierig ist, einen ausreichend großen Rohling für die Bearbeitung zu finden, oder wenn die Spezifikation sich auf ein Schmiedeteil bezieht, dessen Herstellung zu lange dauern würde. „Menschen sind heutzutage sehr gut darin, Werkstücke herzustellen“, sagt O’Hara. “Wir arbeiten schon seit langem daran, aber es gibt diese bestimmte Sorte von Teilen, die ein echtes Fertigungs- oder Lieferkettenproblem darstellen, für das die Additive Fertigung adäquate Antworten bereithält. Das sind die Teile, die geeignet sind. Die Additive Fertigung sollte nicht um ihrer selbst willen angewendet werden.”

EBAM-Anwendungen & die Zukunft des Metall-3D-Drucks

Laut O’Hara beginnen die meisten Kunden von Sciaky damit, EBAM auf ein bestimmtes Teil anzuwenden, aber diese Teile wurden oft ursprünglich für traditionelle Fertigungsmethoden entwickelt. „Mit zunehmender Adoption der Additivfertigung werden wir immer mehr Zukunftsdesigns mit der Additivfertigung als Prozess der Wahl sehen, und das wird zu einer Revolution im Bereich der Additivfertigung führen. Diese Zukunftsdesigns werden in Flugzeugen, Raketen und Satelliten zur Anwendung kommen, die alle die Vorteile dieser neuen Fertigungsmethoden nutzen werden.“

Die Eignungsqualifikation bleibt ein wesentliches Hindernis bei der Einführung der Additivfertigung, zumal die traditionellen Herstellungsverfahren, mit denen die Additive Metallfertigung konkurriert, einen erheblichen Vorsprung haben. Dennoch ist der Weg nach vorne geebnet.

„Kurzfristig werden die Produktionsteile in der Frühphase kleiner, risikoärmer und relativ unbedeutend sein, aber sie ebnen den Weg“, sagt O’Hara. „Wir qualifizieren diese Teile, was den Herstellern Gewissheit verschafft, dass dieser Technologie vertraut werden kann. Die Folgeprojekte werden dann größer, komplexer und geschäftskritischer. Es ist alles nur eine Frage der Zeit.“

Weitere Informationen über EBAM finden Sie auf der Sciaky-Website.

Sciaky Inc. hat diesen Beitrag gesponsert. Sämtliche geäußerten Meinungen sind meine eigenen. – Ian Wright

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