Schmelzbad im »Paradies«


3D-Druck gehört heute zu den erfolgreichsten modernen Fertigungstechnologien. Dabei wird Laserauftragsschweißen immer öfter eingesetzt. Siemens Corporate Technology hat dazu im Rahmen eines EU-Projekts eine Lösung entwickelt, mit der sich das Laserauftragsschweißen noch besser nutzen lässt.

20.08.2019 - Daniel Regulin ist zufrieden. In einem Labor der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) in München blickt er mit einer Schutzbrille auf einen Laser, der sich Funken schlagend über das halbfertige Gehäuse eines Industriemotors bewegt. Der Strahl verschmilzt Metallpulver, das aus einer Düse mit einem Gasstrom in den Laserstrahl geblasen wird. Lage für Lage wächst so das Bauteil heran. Das Verfahren nennt sich Laserauftragsschweißen oder auch „Laser Metal Deposition“ (LMD). Dabei bewegt die Maschine den Strahl ein Mal merklich langsamer, dann wieder schneller. „Auf diese Weise gleichen wir Unebenheiten aus, sodass am Ende ein möglichst perfektes Werkstück vorliegt“, erklärt Regulin die Besonderheit der Anlage. „Und das wird helfen, LMD verstärkt in der automatisierten Industriefertigung einzusetzen.“

Regulin entwickelt das LMD-Verfahren nicht nur weiter – er möchte es auch zum nächsten Meilenstein auf dem Feld des 3D-Drucks machen. Er ist einer von tausenden Ingenieuren, Mathematikern und Softwareentwicklern, die bei der CT Hand in Hand mit Siemens-Geschäftseinheiten die Technologien von morgen vorantreiben. Zu den spannendsten Entwicklungen gehört dabei eben auch die additive Fertigung.

Eine Analyse des amerikanischen Marktforschungsinstituts Research and Markets sieht LMD als die Technologie mit den größten Zuwachsraten der jungen Branche. Die Gründe für die Prognose liegen auf der Hand: So ist die Technologie nicht auf Druckkammern angewiesen, die den Druckprozess von der Umgebung abschirmen. Die Schutzgase strömen hier direkt aus dem Laserkopf und umhüllen so Pulverstrahl und Schmelzbad. Da der Laserkopf und die Werkstücke sich auch flexibler bewegen, schafft das zusätzliche Freiheiten für das Design – und erlaubt, größere Teile zu produzieren.

»Wir verfügen über das komplette Know-how für die industrielle Automatisierung von 3D-Druck«

Herausforderungen für LMD

Bis LMD seine Vorteile aber voll ausspielen kann, gibt es noch einiges zu tun – das Verfahren ist keineswegs perfekt. So ist der Prozess im Vergleich anderen Technologien ungenauer, was zur Folge hat, dass die Bauteile regelmäßig nachbearbeitet werden müssen. Deshalb ist eine gängige industrielle Kombination die von LMD mit Fräsmaschinen. Solche Hybridanlagen werden heute weltweit eingesetzt, um präzise Bauteile für Flugzeugturbinen oder Wälzlager herzustellen.

An Regulin ist es jetzt, der Division Digital Factory zu helfen, solche Hybridanlagen schneller und kostengünstiger laufen zu lassen. Dabei fokussiert er sich auf eine zentrale Herausforderung des LMD-Verfahrens: Die Höhe der Metalllagen variiert oft – und somit die Größe des gedruckten Bauteils. Das hat die Siemens CT dazu bewogen, sich an einem EU-Entwicklungsprojekt namens »Paraddise« (kurz und bündig für einen sehr langen Projektnamen: »A Productive, Affordable and Reliable solution for large scale manufacturing of metallic components by combining laser-based ADDItive and Subtractive processes with high Efficiency«) zu beteiligen. Ein Ziel des Projekts: die Variabilität des LMD-Druckvorgangs perfekt kontrollieren zu können.

Bahnbrechende Erfindung

Neben Siemens gehören unter anderem der spanische Werkzeugmaschinenhersteller Ibarmia, die RWTH Aachen und Precitec, ein deutscher Spezialist für Lasermaterialbearbeitung und optische Messtechnik, dazu. Regulins Projektteam hat mit Unterstützung der RWTH Aachen dazu eine bahnbrechende Erfindung beigesteuert. Es hat eine Kontrolltechnik entwickelt, bei welcher der Precitec-Sensor die genaue Höhe der aufgetragenen Metalllage berechnet. Dazu vergleicht das Steuerungsprogramm mithilfe des Lichtinterferenzen messenden Sensors die geplante mit der tatsächlichen Bauteilhöhe. Die Lagendicke kann dann angepasst werden, indem die Druckgeschwindigkeit justiert wird.

Schneider erörtert mit Regulin derzeit Möglichkeiten, die Technologie in die Produktpalette der Digital Factory zu integrieren. Zahlreiche führende LMD-Maschinenhersteller kommen für die Prozessregelung infrage. Das Fernziel ist jedoch, den Prozess eines Tages so zu perfektionieren, dass die Druckerzeugnisse lieferfertig aus der Maschine kommen. »Nachbearbeitung ist vorerst weiterhin notwendig, aber bereits jetzt können wir die Zuverlässigkeit des Prozesses entscheidend steigern,« sagt Schneider.

Text und Bildmaterial wurde bereitgestellt von Siemens AG.