Vorteil 3D-Druck: Wachsende Bedeutung für die Produktion von Metallkomponenten

Metallteile aus dem 3D-Drucker – Darauf greifen schon jetzt vereinzelt Industrien wie Medizin und Raumfahrt zurück, denn durch die Fertigung im additiven Stil, also „Schicht für Schicht“, ergeben sich viele neue konstruktive Möglichkeiten im Design eines Produkts.

Neu ist, dass die additive Fertigung jetzt auch bei den metallurgischen Produkteigenschaften immer öfter zu punkten vermag: Unternehmen wie etwa die DEW (Deutsche Edelstahlwerke, Swiss Steel Group) oder auch Forschungseinrichtungen wie die RWTH Aachen arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung innovativer Pulverwerkstoffe, die in jede Schicht mehr Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Ressourceneffizienz bringen sollen. Ein erster bahnbrechender Innovations-Meilenstein ist kürzlich geglückt: die DEW stellte jüngst ein neues Metallpartikel-Pulver vor, das im 3D-Druck erstmals auch zur Herstellung von Werkzeugstahl geeignet ist. Keine Frage mehr: die additive Technologie verändert über die konstruktiven Vorteile hinaus nun auch die DNA der Metalle und gibt Ihnen ganz neue Materialeigenschaften. Wer sich jetzt noch der neuen Technologie verschließt oder sie als wirtschaftlich irrelevant abstempelt, begeht einen möglicherweise verhängnisvollen Fehler.

Wie stark der 3D-Druck in Wirtschaft und Gesellschaft inzwischen angekommen ist, belegt die Studie des französischen 3D-Druck Dienstleisters sculpteo, bei der ca. 1.900 Menschen aus über 71 Ländern zu ihrer Meinung über den 3D-Druck befragt wurden:

Die Hälfte der Befragten erwartet demzufolge ein nun anbrechendes „blühendes Zeitalter“ für den 3D-Druck mit einer wichtigen Rolle in der Produktion, der Wirtschaft und sogar im Leben des Einzelnen. Nur noch 3 % hingegen halten den 3D-Druck für eine vorübergehende Modeerscheinung.

Als wichtigste Vorteile des Schicht-für-Schicht Verfahrens nennen etwas mehr als Zwei-Drittel der Befragten das Drucken komplexer Geometrien und die Hälfte nennt hierbei die schnelle Iteration, also das einfache Wiederholen des Produktionsprozesses. An dritter Stelle steht für 42 % der an der Umfrage Beteiligten die individuelle Veränderung eines Produkts angepasst an die Wünsche des Käufers, die sogenannte „Mass-Individualisation“.

Um das Wachstum der 3D-Druckindustrie anzukurbeln, brauche es nun vor allem zuverlässige Technologien, neue Materialien und niedrige Einstiegskosten. Erst an vierter Stelle fällt der Begriff Nachhaltigkeit, obwohl der 3D-Druck, weil die bei ihm zum Einsatz kommenden Metallpulver zum Teil aus Schrotten stammen, auch beim Thema Dekarbonisierung durchaus gute Karten hat.

Schicht für Schicht mit dem Laser

Wichtig zu wissen: Für den 3D-Druck gibt es verschiedene Verfahren. Mit das verbreiteste Verfahren ist das Pulverbettverfahren (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF). Energiequelle ist hierbei ein Laser, der den Werkstoff in Pulverform auf Millimeterebene verschweißt.

Rund 50 verschiedene Pulver auf Basis von Eisen, Aluminium, Titan, Nickel, Kobalt etc. existieren bereits. Ein Bruchteil im Vergleich zu den über 2.000 Werkstoffen in der konventionellen Stahlproduktion.

Für die Herstellung des Pulvers haben sich die 3D-Druck-Spezialisten bislang an den vorhandenen Werkstoffen orientiert und deren chemische Zusammensetzung in Pulverform übertragen.

Die beliebteste Variante der DEW etwa in der additiven Fertigung sind eisenbasierte austenitische Werkstoffe wie der 1.4404 / 316 L, der mit Eigenschaften wie Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gutmütiger Verarbeitbarkeit glänzt, aber nicht viel Härte oder Festigkeit aufweist.

Neues Pulver für Werkzeugstahl

Gerade für Werkzeugstahl ist die Härte jedoch der wichtigste Faktor. Auf diesem Hintergrund entschieden sich die DEW-Metallurgen für einen neue Vorgehensweise mit völlig neuem Denkansatz: Ein Werkstoff, speziell konzipiert für den 3D-Druck. Das Ergebnis ist der „Printdur HCT“, ein innovativer Werkzeugstahl, der sich einfach drucken lässt, ohne aufwändige Prozessparameter wie eine 500°C Vorwärmtemperatur. Der HCT bietet eine hohe Härte zwischen 54-57 HRC, Korrosions- und Anlassbeständigkeit sowie eine verbesserte Verschleißbeständigkeit, und er ist obendrein frei von Nickel und Kobalt. Das hat auch einen gehörigen wirtschaftlichen Vorteil, denn die beiden Metalle sind sowohl teuer als auch kostenvolatil. Viel wichtiger jedoch: Sie sind bei der Verarbeitung potenziell gesundheitsgefährdend, weshalb das Unternehmen diese Stoffe eigentlich gezielt aus der Produktion entfernen will.

3D-Kostencheck

„Dem reinen Entwicklungs- und Vorversuchsgedanken ist die additive Fertigung schon längst entwachsen“, sagt Dr. Horst Hill, Leiter Sonderwerkstoffe beim DEW.

Die Kosten sind es vielmehr, die die Industrie noch abschrecken. Ein Blick zurück auf die Studie zeigt: Niedrige Einstiegskosten sind die zwingende Voraussetzung für den Ausbau oder die Einführung von additiver Fertigung. Beim Kostencheck jedoch allein nur auf die Herstellkosten zu blicken, ist die falsche Vorgehensweise. Erst bei Betrachtung des gesamten Fertigungsprozesses und der Gesamt-Produktlebensdauer werden die Kostenvorteile von 3D-Druck-Komponenten ersichtlich.

Zum Beispiel verfügen gedruckte Bauteile wegen ihrer Schicht-für-Schicht Zusammensetzung oftmals über Eigenschaften, die etwa beim Ausfräsen gar nicht möglich sind. Folge: Ein deutlich teureres 3D-gedrucktes Teil kann dadurch mitunter einen gesamten Prozess optimieren, z.B. für eine längere Anlagenlaufzeit sorgen und teure Stillstandzeiten erheblich reduzieren helfen.

Ein Paradebeispiel hierfür ist ein „Führungsarm“ aus dem 420er Block des DEW-Walzwerks in Siegen. Die Komponente hat klassisch hohe Lieferzeiten, während die Komponente mit 3D-Druck on demand gedruckt und geliefert werden kann. Außerdem wurde mittels 3D-Druck die Geometrie des Führungsarms durch maßgeschneiderte Anpassung an das Werk optimiert, und der verwendete additive Werkstoff Bainidur AM hat bessere mechanische Eigenschaften in puncto Verschleiß. Der gedruckte Führungsarm kann also auf lange Sicht zu Kosteneinsparungen im Walzwerk führen.

Aber auch in Sachen Ressourcen kann gespart werden. Zum Beispiel bei der Modellierung von Kühlkanälen im Spritzguss. Statt sie aus einem Klotz auszufräsen, werden sie mit Laser und Pulver direkt so designed wie benötigt. Das spart erstens viel Material und zweitens wird die Kühlfähigkeit verbessert und es werden Taktzeiten reduziert. Der Output pro Stunde steigt.

Dekarbonisierung mit Green Powder

Aber ist 3D-Druck auch nachhaltig? Und ob. Die für die additive Fertigung verwendeten metallenen Pulver sind „Green Powder“. Sie entstehen im strombetriebenen Induktionsofen. Solange dieser mit Öko-Strom betrieben wird, bleibt es bei nahezu emissionsfreiem Stahl. Genau wie im Electric Arc Furnace wird auch hier größtenteils Stahlschrott geschmolzen.

Damit ist der 3D-Druck maximal ressourcenschonend im Vergleich etwa zu subtraktiven Verfahren wie dem Ausfräsen aus einem Klotz, bei dem wie bereits erwähnt viel Schnitt verloren geht. Das additive Verfahren hingegen verwendet beim Druck nur das auch benötigte Material.

Additive Fertigung in Serie?

Die höchste Markteintrittsschwelle hat der metallische 3D-Druck derzeit nach wie vor noch bei der Großserienfertigung, wobei „groß“ in diesem Falle außerdem auch noch auf die Größe der Teile bezogen werden kann. Das 3D-Druck-Verfahren ist in Bezug auf große Metallteile begrenzt. Viele Komponenten zum Beispiel der Stahlindustrie sind viel zu groß, um sie zu drucken.

Dennoch gibt es auch in der Metall- und metallverarbeitenden Industrie genügend andere Anwendungsbereiche. Für den 3D-Druck lautet die Devise stets „Dort einsetzen, wo es Sinn macht“. Er wird das konventionelle Verfahren also nicht ersetzen, sondern unterstützen. Am besten geeignet ist die additive Fertigung für Spezialanwendungen, da insbesondere die Fertigung von Losgröße 1 keinen Umstand darstellt. Auch in der Fähigkeit der Massenindividualisierung liegt durch einfache Änderung am digitalen Muster großes Potenzial.

Für eine skalierte Produktion im großen Stil sind die wichtigsten Faktoren die Automatisierung der 3D-Druck-Anlagen und die Druckgeschwindigkeit. Dank des hohen Grades an Digitalisierung sollte auch diese Hürde schon bald zu überwinden sein.

Aktuell können je nach Anwendungsfall bereits Stückzahlen von 1.000 bis 10.000 Teilen wirtschaftlich mittels 3D-Druck gefertigt werden. Die Automobilindustrie tut dies schon und druckt beispielsweise Bremssättel oder Kolben in diesen Größenordnungen. Aber auch in unserem Alltag ist 3D-Druck bereits angekommen, hochpassgenaue und feinmechanisch anspruchsvolle Zahnimplantate oder Fahrradkomponenten entstammen inzwischen zumeist einem 3D-Drucker.

Denn auf Millimeterebene optimieren, das kann nur 3D-Druck. Er wird das klassische Verfahren zwar nicht ersetzen, aber er wird für bestimmte Bauteile jetzt zunehmend unverzichtbar werden.