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Additive Fertigung

Audi TechDay: 3-D-Druck mit Metall

| Autor/ Redakteur: Wolfgang Pester / Thomas Günnel

Der 3-D-Druck mit Kunststoffen gehört inzwischen zum Produktionsbild – gedruckte Metallbauteile sind noch die Ausnahme. Audi zeigte auf seinem „TechDay Smart Factory“ in Ingolstadt, wie weit dieser Prozess dennoch schon ist.

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Gedruckte Metallbauteile sind noch die Ausnahme im Produktionsprozess. Audi zeigte auf seinem „TechDay Smart Factory“ was mit dem Prozess bereits möglich ist.
Gedruckte Metallbauteile sind noch die Ausnahme im Produktionsprozess. Audi zeigte auf seinem „TechDay Smart Factory“ was mit dem Prozess bereits möglich ist.
(Bild: Volkswagen)

Die Zeitenwende in der Fabrikation ist längst eingetreten. Das, was Ingenieure mit spezieller Software und mit Cloud-Computing in hunderttausend algorithmischen Operationen im Rechner konstruieren, wird vom 3-D-Drucker direkt und 1:1 produziert. So ist quasi Material „digital“ formbar und das einzelne Korn des eingesetzten Pulvers wird zum „Pixel“. Schon heute haben sich Objekte aus pulverförmigem Kunststoff fest etabliert, die im 3-D-Drucker entstehen. Jetzt nehmen „Metal-Printer“ in der Automobilindustrie Fahrt auf, wie Audi auf dem „TechDay Smart-Factory“ in Ingolstadt im neu gegründeten Metall 3-D-Druck-Zentrum demonstrierte. Angesiedelt im Bereich Werkzeugbau sind derzeit drei Metall-3-D-Drucker installiert. Laut dortiger Laserspezialisten ist die Maschine für Stahlbauteile mit 420 mm Kantenlänge die bisher weltweit größte ihrer Art und seit Anfang November im Einsatz. Die beiden kleineren 3-D-Drucker kommen auf 280 mm und 290 mm Kantenlänge.

Vor der Gründung des Metall-3-D-Druck-Zentrums produzierten die Stahldrucker des Werkzeugbaus vor allem Einzelteile für Presswerkzeuge – beispielsweise Schneideinsätze und Messer oder auch Komponenten mit integrierten Kühlschlangen und -netzen, die in den Großwerkzeugen die Kühlleistung steigern und so etwa den Gieß- oder Umformvorgang beschleunigen. Die 3-D-Druckspezialisten im Gießerei Technikum nahmen vor allem den Werkstoff „gedrucktes Aluminium“ und seine Fertigungstechnik unter die Lupe, um Know-how und Verfahrenssicherheit zu gewinnen. Es entstanden unterschiedliche Fahrzeugbauteile, so „Space Frame“ Komponenten mit integriertem Flüssigkeitsbehälter und erste Fahrwerksbauteile.

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Jetzt arbeiten die Spezialisten des Metall-3-D Drucks im neuen Zentrum zusammen und profitieren dabei voneinander. In Kooperation mit der technischen Entwicklung von Audi fertigen sie Stahl- und Aluminiumteile für die Erprobung in Motoren und Fahrwerken. Die bislang unternommen Analysen und Prüfstandtests bestätigen laut Audi das hohe Potenzial des Metall-3-D-Drucks. Der „kurze“ Weg von digital zu real entfesselt die Kreativität: Mit der Software sind Bauteile konstruierbar, die per 3-D-Metalldruck leichter und zugleich fester sind als das in der Funktion vergleichbare, herkömmlich produzierte Bauteil. Auch sind mit dem Schichtbauprinzip geometrisch komplexe Strukturen möglich, die sich in konventioneller Fertigung gar nicht oder nur überaus aufwendig herstellen lassen. Dieses Metallprintverfahren ist heute nur ideal für kleine, hochvariable Serien – die abnorme Druckzeit und die außerordentlich hohen Bauteilkosten setzen Limits.

Schicht für Schicht aufschmelzen

Doch wie verläuft der 3-D-Druck? Als Prozess gehört er zu den additiven Fertigungsverfahren. Unter „additiv“ fasst der Fachmann alle Herstellverfahren zusammen, bei denen der Werkstoff zur Erzeugung eines Bauteils schichtweise hinzugefügt wird. Im Gegensatz dazu stehen klassische „subtraktive“ Produktionsschritte wie Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material abgetragen wird, um das endgültige Bauteil zu erzeugen. Beim Metall-3-D-Druck handelt es sich um ein Laserschmelzverfahren, bei dem Bauteile und Komponenten aus Stahl und Aluminium aus dem entsprechenden Metallpulver Schicht für Schicht durch Aufschmelzen entstehen – Teile aus Titan und Kobalt-Chrom- oder Nickelbasislegierungen sind ebenfalls druckbar.

In einem Pulverbett oberhalb einer Basisplatte „zeichnet“ (fixiert) der Drucker per Klebstoff ein horizontales Schnittbild des Bauteils auf die Pulverschichtoberfläche, das „belichtet“ werden muss. Der Laserstrahl schmilzt es exakt auf und mit dieser Schicht (Schnittbild) verschmilzt die darunter liegende Schicht. Nach dem (Wieder-)Erstarren des geschmolzenen Materials ist die Schicht beziehungsweise das Bauteil je nach Drucker und Materialpulver um 0,02 mm bis 0,07 mm gewachsen. Das Bauteil senkt sich im Pulverbett um eine Schichtdicke ab, darüber wird die nächste Pulverlage geschichtet, der Drucker erstellt das Schnittbild und der Laser übernimmt den Aufschmelzprozess und so weiter. Das Metallpulver kennzeichnet die Bauteilqualität und hat eine Korngröße von 0,015 mm bis 0,045 mm und ist etwas dünner als ein menschliches Haar. Audi ermittelte, dass gedruckte Komponenten aus Aluminium bessere Kennwerte aufweisen als entsprechende aus Strukturguss. Bei der Zugfestigkeit erreichten sie mit 400 Megapascal (entsprechend N/mm²) doppelt so hohe Werte, zudem seien sie leichter. Ähnliches gelte für gedruckte Stahlbauteile, die eine Zugfestigkeit von mehr als 1.000 Megapascal aufwiesen.

Motorblöcke drucken

Dass auch ganze Motoren im Metallpulverbett zu produzieren sind, zeigte die Robert Hofmann GmbH aus Lichtenfels nahe Coburg. Volkswagen wollte das Potenzial der 3-D-Druck-Technik ausloten und überzeugte die Oberfranken, einen kompletten Zylinderblock aus Aluminium zu drucken. So stellten die innovativen Lichtenfelser Modellbauer den ersten, voll funktionsfähigen Zylinderblock her, der komplett aus dem 3-D-Drucker kommt. Der komplette Motor hat mittlerweile den Praxistest auf dem Prüfstand von Volkswagen mit Bravour bestanden. Das 25 Kilogramm schwere Zylinderkurbelgehäuse ist nahezu identisch mit dem des VR6 aus Gusseisen (GJL-250) von Volkswagen. Ohne aufwendige Neukonstruktion wurden für den 3-D-Druck-Prototyp die CAD-Daten des gusseisernen Zylinderblocks verwendet.

Für die Zukunft der Automobilbranche könnte das ein Meilenstein sein, meinen die Ingenieure von Hofmann. Denn anders als beim Gussverfahren gibt es theoretisch für die Geometrie künftiger Motorteile im 3-D-Drucker keine Grenzen. Aber die Produktionszeiten des Metalldruckers sind noch abnorm hoch. Das zeigt eben auch der in 300 Stunden aus Aluminiumpulver entstandene Motorblock. Dabei ist die eingesetzte Concept Laser X 1000 R schon eine der schnellsten Laserschmelzanlagen auf dem Markt. Mit einem 1.000-Watt-Laser schafft sie in ihrem 63 cm x 40 cm x 50 cm großen Bauraum Aufbauraten bis 65 cm³ pro Stunde – das heißt, die Höhe des Motors wuchs Lage für Lage in einer Stunde um etwa 4,6 cm.

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Heute ist der Metall-3-D Druck noch sehr teuer, räumlich limitiert und vor allem langsam. So werden in der industriellen Großserienfertigung, Guss-, Span- und Umformverfahren noch lange das Mittel der Wahl bleiben. Doch im Nebeneinander von Grundlagenforschung, anwendungsnaher Entwicklung und Serienprojekten entwickelt sich der 3-D-Druck von Metall zu einem industriellen Serienverfahren. Das wird nach Einschätzung von Audi zu einem großen Sprung in der Fabrikation von Metalldruckprodukten führen. Wenn die Entwicklungsdynamik und die Produktkosten im Computersegment als Maßstab herangezogen werden, lässt sich viel erwarten. Ebenso von den Anlagenherstellern. Sie arbeiten bereits an automatisierten Prozessketten, um 3-D-Laserdrucker in industriellen Serienprozessen zu etablieren – in Anlagen, die tagelang autonom arbeiten können. Ebenso seien 3-D-Drucker mit einer Vielzahl von Laserdioden denkbar, 1.000 oder 10.000 Laserdioden und mehr, war an der Universität RWTH Aachen zu hören. Eine stimmige Prognose, wann die Metall-3-D-Drucker ein normaler Bestandteil der Großserienproduktion sein könnten, fällt entsprechend schwer.

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