Autor: Hans-Werner Theobald / 3D-Metall Theobald e.K.

Metall-3D-Druck für KMU: Widerspruch oder perfekte Ergänzung?

Dieser Frage geht ein Vortrag nach, der an der Speakers Corner des Building 3D e.V. im Foyer der All About Automation gehalten wird. Unabhängig vom Anwendungsfeld der Werkstücke stellt sich immer die Frage wie diese hergestellt werden sollen. Die Antwort besteht aber nicht nur aus einem technischen Teil sondern beinhaltet auch materialwirtschaftliche und kaufmännische Themen.
Der Vortrag diskutiert anhand konkreter Beispiele aus der Praxis ganzheitlich die Frage in welchen Zusammenhängen die additive Fertigung von Metallteilen sinnvoll ist. Hier eine kurze Zusammenfassung.

Die Anwendungsfelder von additiv gefertigten Metallteilen reichen von A wie Automatisierungs-technik bis Z wie Zahnersatz. Stand heute kann man in jeder Branche gute und schlechte Beispiele für die Umsetzung der 3D-Druck-Verfahren finden. Wenn der Einsatzbereich aber nicht der ausschlaggebende Punkt in der Nutzung der Technik ist, wo liegt er dann? Welche Eigenschaften des Verfahrens sind entscheidend für die Anwendung? Kann man diese in Verbindung bringen mit der Größe der Unternehmen, die den 3D-Druck nutzen und wo liegen konkret die Vorteile in der Automatisierungs- und Handhabungstechnik?
Die additive Fertigung / der 3D-Druck von Metallteilen ist zunächst ein sehr unübersichtliches Gebiet, da er mit sehr unterschiedlichen Verfahren realisiert wird. Die Bandbreite geht von pulverbett-basierten Verfahren wie Binder Jetting und Powder Bed Fusion bis zu draht-basierten Verfahren im Bereich des Laser-Auftragsschweißen. Die Unübersichtlichkeit verringert sich deutlich, wenn man weiß, dass das Aufschmelzen von Metallpulvern mittels Laser (powder bed fusion-laser beam) die mit Abstand am weitest verbreitete Technik ist. Deshalb konzentrieren wir uns hier auf dieses Verfahren, das auch SLM, DMLS oder Lasercusing genannt wird.

Aspekt 1: Materialeigenschaften

Die Gegenüberstellung der Materialeigenschaften additiv gefertigter Bauteile aus Metall (Verfahren: powder bed fusion-laser beam, pbf-lb) zu denen konventioneller Werkstücke lässt den Schluss zu, dass diese vergleichbar sind und mit Ausnahme von speziellen Einsatzgebieten (z.B. Luft & Raumfahrt) in der Regel keine Einschränkung in der Nutzung bedingen.
Zum Beispiel sollte die Zugfestigkeit Rm nach EN 10088-3 für den Stahl 1.4404 zwischen 500 und 700Mpa liegen. Das Werkstoffdatenblatt der Fa. Trumpf gibt sie mit 620 ± 60Mpa an und eigene Zugversuche ergaben für Rm Werte zwischen 633 bis 710Mpa abhängig von der Ausrichtung der Proben im Bauraum. Damit liegt die Zugfestigkeit unabhängig von der Baulage immer im Bereich der Norm.

Aspekt 2: Design – Geometriefreiheit

Die additive Fertigung ermöglicht die Realisierung von Bauteilen mit dünnen Wandstärken und vielen Freiformen (Stichpunkt Bionik). Diese sind konventionell nur aufwändig herstellbar, da diese schwierig zu spannen sind und bei der Zerspanung die Gefahr des Flatterns oder Einhakens besteht.
D.h. auch bei einem konventionellen Design, das häufiges Umspannen erfordert oder einen Vorrichtungsbau nach sich zieht, kann sich die additive Herstellung lohnen. Der Einstieg in die Bionik oder eine Topologieoptimierung ist dann ein weiterer Entwicklungsschritt. Es ist aber keine Voraussetzung zum Einstieg in die additive Fertigung.
Umgekehrt sind manche im konventionellen Bereich unkritischen Merkmale bei additiver Fertigung ein Problem. Zum Beispiel müssen Gewinde und Passungen nachträglich eingebracht werden. Weiterhin führen massive Bauteile und abrupte Sprünge von Wandstärken häufig zu Beeinträchtigungen in der Bauteilqualität.

Aspekt 3: Materialwirtschaft

Es bedarf weiterer Entwicklungen, damit künftig zahlreiche Roboter wirklich Hand in Hand mit dem Menschen arbeiten. Doch der Weg in dieser Richtung ist eingeschlagen und die Begeisterung für die neue Robotersorte ungebrochen. Das haben die bisherigen Messen in diesem Jahr gezeigt. Nicht nur in der B4 auf der Automatica, der Halle der jungen Wilden, waren Cobots bzw. Leichtbauroboter omnipräsent. Auch quer durch die anderen Messehallen und Messen gab es eine Vielzahl entsprechender Neuheiten zu sehen. Einige davon werden sicherlich auch auf den kommenden Stationen der All About Automation zu sehen sein – live und zum anfassen.

Aspekt 4: Kosten

Während massive Bauteile mit geringer Komplexität klassisch günstiger herstellbar sind, wird die additive Fertigung kostenseitig interessant, wenn
• die Werkstücke dünnwandig und kompliziert sind.
• die Anschaffung von speziellen Halbzeugen entfällt.
• die Anfertigung von abgestimmten Spannmitteln oder Werkzeugen vermieden werden kann.
• In nachgelagerten Bereichen Aufwand (z.B. durch Montage) vermieden wird in dem im Vorfeld zusätzliche Funktionen integriert werden oder bisher getrennte Bauteile miteinander verschmolzen werden.

Betrachtet man die Anwendungsbeispiele von Forschungsinstituten und Konzernen könnte man den Eindruck bekommen, dass zur sinnvollen Nutzung des 3D-Drucks die Methoden der Bionik und der topologischen Optimierung Voraussetzung sind. Dies ist irreführend. Denn viele existierende Bauteile lassen sich ohne oder mit nur geringen Anpassung sinnvoll additiv zu fertigen. Dies kann aus Gründen, die im Bereich des Designs, der Materialwirtschaft oder der Kosten liegen, der Fall sein.
Gerade kleine und mittlere Unternehmen haben häufig das Problem an kundenspezifische Werkstücke zu kommen, wenn sie nur einen sporadischen Bedarf haben und dann auch nur kleine Stückzahlen bestellen wollen. Diese Problemlage trifft insbesondere auch auf die Automatisierungstechnik zu. Denn überall wo mit speziell angepassten Greifwerkzeugen gearbeitet wird oder im Rahmen des Sondermaschinenbau nur geringe Stückzahlen benötigt werden, ermöglicht die additive Fertigung von Metallteilen schnelle und individuelle Lösungen.

Für mehr Informationen und persönliche Gespräche:
Speakers Corner des Building 3d e.V. im Foyer der All About Automation:

https://www.automation-chemnitz.de/sonderschau/

Hans-Werner Theobald

3D-Metall Theobald e.K.

IN KOOPERATION MIT UNSEREM KOMPETENZPARTNER BUILDING 3D e.V.