Additive Fertigungsmethoden (3D-Druck) entwickeln sich zu einer Schlüsseltechnologie für die Produktion der Zukunft. Gerade in Branchen wie der Medizintechnik, der Luftfahrt und der Automobilindustrie, wo Nachhaltigkeit und Leichtbau eine große Rolle spielen ist aktuell ein klarer Trend zu additiven Fertigungsverfahren in der technischen Bauteilentwicklung zu erkennen. Denn Einsparungen bei Material und Gewicht haben hier einen besonders hohen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit. In der Medizintechnik sind zudem die freie Formgestaltung und die biokonforme Integration interessant. Lastangepasste Leichtbaukonstruktionen haben meist komplexe Geometrien und überzeugen durch eine hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht. Daher profitiert insbesondere der bionische Leichtbau mit seinen naturinspirierten Strukturen von dem Gestaltungsfreiraum additiver Fertigungsmethoden.

Die 3D-Druckverfahren für Funktionsbauteile

In der additiven Fertigung von technischen Funktionsteilen aus Metallen, Keramiken und Sand werden pulverbasierende Verfahren eingesetzt. Dabei werden die einzelnen Bauteilschichten in einem Pulverbett gezielt aufgeschmolzen und das Bauteil Schicht für Schicht sukzessive aufgebaut. Bei einem der derzeit populärsten Verfahren, dem Laserstrahl-Schmelzverfahren (SLM – Selective Laser Melting) geschieht dies mit Hilfe eines Hochleistungs-Lasers unter einer Schutzatmosphäre. Trotz der großen Gestaltungsfreiheit und Möglichkeiten zur Fertigung hochkomplexer Geometrien gelten auch beim 3D-Druck gewisse Fertigungsrestriktionen und Konstruktionsregeln, die für ein optimales Druckergebnis berücksichtigt werden müssen. Bei einer komplexen 3D-Struktur ist dies nicht immer möglich. Geometriebereiche, die diese Restriktionen verletzen, müssen daher mit zusätzlichen Materialstrukturen unterstützt werden. Neben der strukturellen Unterstützung dienen diese Strukturen außerdem der Wärmeableitung, z. B. bei dünnwandigen Bereichen. Diese Stützstrukturen müssen nach dem Druck mechanisch entfernt werden und können nicht direkt recycelt werden. Auch wenn das gedruckte Bauteil materialeffizient konstruiert wurde, erhöhen sich somit der allgemeine Materialverschleiß und die Produktionszeit. Die Einsparung von Material ist jedoch nicht nur in der technischen Bauteilentwicklung von hohem Interesse, sondern ebenso während des Fertigungsprozesses an sich. Eine attraktive Alternative in diesem Bereich liefert das Elektronenstrahl-Schmelzverfahren (EBM – Electron Beam Melting).

Das EBM Verfahren

Beim EBM-Verfahren gleicht der sukzessive Aufbau des Bauteils in einem Pulverbett dem des SLM-Verfahrens. Die einzelnen Schichten werden jedoch unter Vakuum mit Hilfe eines Elektronenstrahls verschmolzen. Der Energieeintrag über den Elektronenstrahl ist dabei ca. zehnmal höher als beim SLM-Verfahren, weshalb sich die Fertigungszeit im Vergleich um ca. 40 % verkürzt. Auf der anderen Seite beeinflusst der hohe Energieeintrag die Wahl des Werkstoffes hin zu Materialien mit einem höheren Schmelzpunkt wie Titan-Aluminium- und Kobalt-Chrom-Legierungen. Diese sind im Vergleich zu den beliebten Aluminiumlegierungen als Leichtbauwerkstoffe, die damit leider aus dem Anwendungsspektrum heraus fallen, kostenintensiver. Dafür liefert das größere Werkstoffspektrum von EBM im Bereich der Guss- und Schmiedelegierungen und die damit verbundenen höheren Materialfestigkeiten insbesondere bei hochbelasteten Bauteilen ein hohes Potenzial für die Leichtbauentwicklung. Interessant bleibt auch hier die Option der Materialsubstitution und Bauteilneuauslegung mit Werkstoffen höherer Festigkeit in Verbindung mit den Produktionsvorteilen von EBM. Denn das Potential für den Leichtbau und eine nachhaltige Fertigung liegt vor allem in dem Vorteil, dass im EBM-Verfahren keine Stützstrukturen benötigt werden. Wir haben diese Technologie in Zusammenarbeit mit der Firma AIM SWEDEN beispielhaft am Tretlager des Bionic Bike getestet (siehe Bild rechts). Die Oberflächenrauigkeit des in Titan gefertigten Bauteils wurde hier nicht nachträglich verbessert. Bei einer industriellen Anwendung mit anschließenden Lackierverfahren etc. ist dies natürlich ratsam. Insgesamt sind wir von der Gestaltungsfreiheit jedoch sehr begeistert.

EBM verzichtet auf Stützstrukturen

Das Pulverbett wird zu Beginn des Prozesses erhitzt, sodass die Pulverpartikel leicht miteinander verschmelzen. Allein diese Stützfunktion ist ausreichend, um das Bauteil zu tragen und die Wärme abzuleiten. Die Verbindung der Pulverpartikel ist im Nachgang durch Sandstrahlen lösbar. Dabei wird mit demselben Medium gestrahlt, sodass das Material des Pulverbettes nahezu verlustfrei (Materialverschleiß bei ca. 3%) direkt recycelt und wiederverwendet werden kann. Durch die Anbindung des Bauteils und die feinen Verbindungen im vorgeheizten Pulverbett ergibt sich im Vergleich zum SLM-Verfahren eine größere Oberflächenrauigkeit (Ra>10 µm). Bei beiden Verfahren müssen konkrete Schnittstellen wie Bohrungen und Auflageflächen später mechanisch bearbeitet und klar definiert werden. Ist jedoch auch eine höhere Oberflächengüte des Gesamtbauteils erwünscht, so empfiehlt sich beim EBM-Verfahren eine entsprechende Nachbehandlung. Die Hydroerosive Bearbeitung zum Beispiel erzielt dabei durch ein mit Schleifpartikeln versetztes Fluid eine Rauigkeit von bis zu Ra=0,08 µm. Neben dem Verzicht auf Stützstrukturen birgt das tragende Pulverbett des EBM-Verfahrens einen weiteren Vorteil – das Packing. Neben der flexiblen Platzierung der Bauteile im Bauraum können diese auch übereinander angeordnet werden. Damit erhöht sich die Stückzahl pro Zyklus.

Fazit: Das EBM-Verfahren hat prozessbedingte Vorteile in puncto Materialverbrauch und Produktionszeit und eine extrem hohe Gestaltungsfreiheit. Im einzelnen Anwendungsfall müssen Werkstoffwahl und Oberflächenrauigkeit in Bezug auf das jeweilige Bauteil diskutiert werden.