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Warum 3D-Druck und Laserschweißen zusammen gehören

Schmelzen und Fügen: Laserschweißen und additive Fertigung nutzen dieselben Vorteile, stoßen aber auch auf ähnliche Herausforderungen. Zentral dabei ist der Einsatz des richtigen Schutzgases.

Das Aneinanderfügen von Schweißnähten ist eine seit langem gebräuchliche Methode, wenn es um die Herstellung von besonders robusten, dicht gepackten Lösungen geht, bei denen der ästhetische Anspruch nicht so hoch ist. Der 3D-Druck, wie die verschiedenen additiven Verfahren genannt werden, baut auf dieser Erfahrung auf: Damit können metallische Werkstücke in einem Stück gefertigt werden. Sie zeichnen sich durch besondere Festigkeit aus und weisen keine Nahtstellen auf, wie sie durchs Löten oder Schweißen entstehen. Das vereinfacht und beschleunigt zudem den Produktionsprozess.

Druck statt Guß

Das zweite herkömmliche Produktionsverfahren, gegenüber dem der 3D-Druck Vorteile aufweist und dieses zunehmend ersetzt, ist das Gießen. Die aufwändige Produktion und anschließende Entsorgung von Negativen entfallen ebenso wie die Absicherung gegen flüssiges Metall und Hitze. Zudem können immer komplexere Teile und neue Geometrien in einem Stück gedruckt werden, was die Attraktivität der Technologie weiter erhöht. Am Beginn der Erfolgsgeschichte des 3D-Drucks stand die Lasertechnologie, und auch heute noch geht die Weiterentwicklung und Marktdurchdringung von Laserschweißen und additiver Fertigung Hand in Hand.

Gebündelte Energie

Das SLS-Verfahren (Selektives Lasersintern) wurde 1987 patentiert, und bereits 1988 waren die ersten 3D-Drucker am Markt erhältlich. Beim Lasersintern wird ein pulverförmiger Werkstoff aufgebracht und die Schichtkontur des Bauteils mit Hilfe eines Lasers ins Pulverbett eingeschmolzen. Darauf wird dann die nächste Pulverschicht aufgezogen und eine weitere Schicht gesintert.

Bei den verschiedenen Pulverbettverfahren – neben dem selektiven Lasersintern SLS sind das etwa noch DMLS (DIrect Metal Laser Sintering) oder selektives Laserschmelzen SLM – macht man sich die hohe Energiedichte und die Fähigkeit des Lasers, diese Energie präzise, steuer- und reproduzierbar an einem Punkt zu bündeln, zunutze. Doch das ist nicht die einzige Parallele zum Laserschweißen: Auch beim Additive Manufacturing muss das verflüssigte Metall mit Schutzgasen gegenüber der Atmosphäre abgeschirmt werden.

Es muss trocken bleiben

Die besondere Herausforderung beim Einsatz von Schutzgasen in additiven Verfahren liegt darin, dass nicht bloß eine Schweißstelle, sondern der gesamte Produktionsraum vor dem Eindringen von Feuchtigkeit abgeschirmt werden muss. „Gase sind entweder leichter oder schwerer als Luft“, beschreibt Michael Wolters von Messer.

Eine kontrollierte Schutzgasatmosphäre im gesamten Verarbeitungsbereich ist demnach eine größere Herausforderung als die gezielte Einspritzung des Schutzgases über Düsen. Helium beispielsweise, das sich als Universalschutzgas bei der Metallverarbeitung bewährt hat, ist leichter als Luft und steigt demzufolge nach oben. Wenn im additiven Verfahren dann Luft unten bleibt, kann Feuchtigkeit eindringen und Poren entstehen. Wolters: „Wir müssen uns daher fragen, wie das Gas genau dorthin kommt, wo wir es benötigten.“

Es muss eine Strömung erzeugt werden, die dafür sorgt dass das Schutzgas immer das gesamte Pulverbett umspült. Dabei kommen beispielsweise Umwälzgebläse zum Einsatz. Was jedoch immer auch beachtet werden muss, sind die natürlichen physikalischen Eigenschaften der verwendeten Schutzgasmischung und die entsprechende Positionierung der Gasdüsen – also wie beim Laserschweißen.

Die Ähnlichkeit der Herausforderungen und die oftmals parallel verlaufende Lösung derselben sorgen dafür, dass additive Produktionsverfahren und Laserschweißen parallel die industrielle Fertigung verändern.

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