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Ohne sie kein Ergebnis: wie wichtig Schutzgase beim 3D-Druck sind

Bei der additiven Fertigung werden unterschiedliche Gase in verschiedenen Bereichen der Produktionskette verwendet. Die Challenge: Die Auswahl des richtigen Gases hängt vor allem vom Werkstoff, von den Verfahren und den Qualitätsanforderungen ab.

Bei der additiven Fertigung werden Bauteile im Vergleich zur herkömmlichen Produktion schichtweise aus Pulver oder einem Draht direkt verschmolzen. Für Kunststoffe sind solche Verfahren bereits weit entwickelt und seit Längerem im Einsatz. Anfangs wurden sie insbesondere für den Bau von Prototypen und Formen genutzt und mittlerweile auch für kleinere und mittelgroße Serien. In den letzten Jahren wurde der 3D-Druck auch für metallische Werkstoffe erschlossen. Seitdem entwickelt er sich in immer mehr Branchen und Einsatzfeldern zu einem Standard in der Produktion.

Die wichtigsten additiven Verfahren mit Metall

Metalle werden in der additiven Fertigung in Form von Pulver oder Draht gedruckt. Da der Draht im Prinzip den herkömmlichen Schweißdrähten entspricht, verlangt die Herstellung der Pulver ein aufwendiges Verfahren. Um beim Druckvorgang eine Oxidation des heißen Metalls auszuschließen, wird es von einem inerten Gas - meist Stickstoff, Argon oder Helium - unter hohem Druck durch eine Düse gepresst. „Vier Verfahren halte ich für sehr zukunftsorientiert und sollten daher auch weiterhin von der Industrie verfolgt werden“, unterstreicht Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigungsverfahren bei Messer. Er meint: das Pulverbettverfahren, das Laser-Metallauftragen, das Laser-Metallauftragen mit Drahtzuführung und das Lichtbogenverfahren.

Beliebige Geometrien: Das Pulverbettverfahren

Die meisten additiven Verfahren haben ein Pulverbett im Einsatz. Hier wird das Metallpulver schichtweise mit der Energiequelle eines Laser- oder Elektronenstrahls gesintert. Bei einem Laserstrahl nennt sich das Verfahren Laser-Pulverbett-Schmelzen (L-PBF oder Laser Powder Bed Fusion) und bei einem Elektronenstrahl heißt es Elektronenstrahlschmelzen (EBM oder Electron Beam Melting). Der pulverförmige Werkstoff wird mit einer dieser Energiequellen vollständig umgeschmolzen und bildet nach seiner Erstarrung eine feste Materialschicht.

„Mit dem Pulverbettverfahren sind beliebige Geometrien möglich und können hohe Genauigkeiten erzielt werden“, so Kampffmeyer. „Nacharbeiten sind kaum oder gar nicht erforderlich. Der relativ langsame und kostenintensive Druckprozess ist jedoch an den vorgegebenen Bauraum gebunden. Das heißt, größer als die Kammer kann man nicht drucken.“

Schneller, aber weniger präzise: das Laser-Metallauftragen

„Ebenso zukunftsfähig ist aus meiner Perspektive das Laser-Metallauftragen (LMD)“, erklärt Kampffmeyer. „Das Metallpulver wird ringförmig in den Laserstrahl gesprüht und darin mit Schutzgasen geschmolzen. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren richtungsunabhängig arbeitet, weil der Druckkopf an einem Robotersystem in allen Richtungen verfahren kann.“ Verglichen mit dem Pulverbettverfahren ist es schneller und kostengünstiger, aber weniger präzise. Zudem erlaubt es größere Objekte bei Einschränkungen in der Geometrie.

Darüber hinaus können im Prozess mehrere Pulverbehälter aktiv sein und daraus je nach Bedarf eigene Legierungen entwickelt werden. Durch die Kombination unterschiedlicher Materialien entstehen Sandwich-Strukturen. Darüber hinaus lassen sich mit dem Verfahren 3D-Strukturen auf bestehende, unebene Flächen auftragen und so Geometrieänderungen einfach umsetzen. Ebenso ermöglicht es zwischen verschiedenen Materialien in einem Arbeitsprozess unkompliziert zu wechseln.

Vielseitig: das Laser-Metallauftragen mit Drahtzuführung

Das Laserstrahlschweißen als Fügeverfahren ist in der Schweißtechnik weit verbreitet. Das Laser-Metallauftragen mit Draht ist eine Übertragung dieses Verfahrens in die additive Fertigung. Um den 3D-Druck vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen, wird ein Schutzgas verwendet. „Da die Drahtzuführung seitlich durchgeführt wird, gibt es auch keine Richtungsabhängigkeiten“, so Kampffmeyer.

Dem Laser-Metallauftragen mit Draht ist im Grunde das LMD-P Verfahren ähnlich. Bei beiden Technologien wird ein Laser verwendet und der Druckkopf mit einem Roboter geführt – die Zufuhr des Zusatzmaterials ausgenommen. Wobei Drähte im Allgemeinen kostengünstiger sind. Zudem bietet der Markt deutlich mehr Drahtwerkstoffe als Pulverwerkstoffe. Des Weiteren stehen hierfür wesentlich mehr Werkstoffe zum 3D-Druck zur Verfügung. Zu den Nachteilen zählen Defizite im Bereich der Genauigkeit.

Preisgünstig: das Lichtbogenverfahren

Das Lichtbogenverfahren (WAAM oder Wire Arc Additive Manufacturing) ist ein Verfahren, das dem MIG/MAG-Schweißen ähnelt und zu den Lichtbogenschweißverfahren gehört. Es ist das gleiche Prinzip“, erklärt Kampffmeyer. „Indem der Druckkopf von einem Roboter geführt wird, sind größere Bauteile möglich, die immer von der Reichweite des Roboters selbst abhängen.“ Hierfür wird zwischen dem Draht und dem Bauteil ein Lichtbogen gezündet, der den Draht aufschmilzt. Ein Gas schützt den Prozess vor atmosphärischen Einflüssen.

Beim WAAM handelt es sich um die preisgünstigste Methode, ein metallisches Bauteil zu drucken. Bei dem schnellen Verfahren können hohe Abschmelzraten erreicht werden. Nachteilig ist die verhältnismäßig geringere Präzision, wodurch ein Aufmaß der Druckkontur erforderlich ist. Häufig erfolgt eine spanende Nacharbeit, mit der die erforderliche Genauigkeit und Oberflächengüte erreicht wird.

Entscheidend: Schutzgase für die additive Fertigung

Beim 3D-Druck kommen verschiedene Gase in unterschiedlichen Bereichen der Produktionskette zur Anwendung. Dies beginnt bei der Herstellung der Pulver. Während Kunststoffpulver kryogen gemahlen werden, verdüst man metallische Pulver mit einem Gasstrahl, damit sie ihre sphärische Form bekommen. Dazu kommt flüssiger Stickstoff zum Einsatz. „Die sphärische Form der Partikel macht das Pulver fließfähig“, erläutert Kampffmeyer. „Das ist in vielen Prozessen eine entscheidende Voraussetzung dafür, dass es sich gut verarbeiten lässt.“

Bei den 3D-Druck-Verfahren ist vielfach eine spezifische Reinheit der Gase entscheidend. Um die Qualität durchgängig zu sichern, müssen manche Pulver permanent in einer Schutzgasatmosphäre aufbewahrt werden. Dazu werden spezielle Behälter mit Schutzgas verwendet. Beim Druck der Bauteile werden je nach dem jeweiligen Verfahren Schutzgase, Trägergase und Gase zum Kühlen verwendet. Welches Gas mit welcher Reinheit bereitgestellt werden muss, hängt bei den meisten Druckverfahren wieder vom verwendeten Werkstoff und der anvisierten Qualität ab.

Darüber hinaus sind auch Gase für die Nachbehandlung der Bauteile erforderlich: entweder durch Wärmenachbehandlung, um homogene Bauteileigenschaften zu erzielen oder auch um einen nachfolgenden Sinterprozess durchzuführen. Zu den typischen Wärmebehandlungen gehört zum Beispiel das Spannungsarmglühen, wofür ebenfalls Schutzgase nötig sind.

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