Schmelzbad im Paradies

Daniel Regulin ist zufrieden. In einem Labor der zentralen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) in München blickt er mit einer Schutzbrille auf einen Laser, der sich Funken schlagend über das halbfertige Gehäuse eines Industriemotors bewegt. Der Strahl verschmilzt Metallpulver, das aus einer Düse mit einem Gasstrom in den Laserstrahl geblasen wird. Lage für Lage wächst so das Bauteil heran. Das Verfahren nennt sich Laserauftragsschweißen oder auch „Laser Metal Deposition“ (LMD). Dabei bewegt die Maschine den Strahl ein Mal merklich langsamer, dann wieder schneller. „Auf diese Weise gleichen wir Unebenheiten aus, sodass am Ende ein möglichst perfektes Werkstück vorliegt“, erklärt Regulin die Besonderheit der Anlage. „Und das wird helfen, LMD verstärkt in der automatisierten Industriefertigung einzusetzen.“ 

Regulin entwickelt das LMD-Verfahren nicht nur weiter – er möchte es auch zum nächsten Meilenstein auf dem Feld des 3D-Drucks machen. Er ist einer von tausenden Ingenieuren, Mathematikern und Softwareentwicklern, die bei der CT Hand in Hand mit Siemens-Geschäftseinheiten die Technologien von morgen vorantreiben – und so die Zukunft der Industrie mitgestalten. Zu den spannendsten Entwicklungen gehört dabei eben auch die additive Fertigung, die seit einigen Jahren die industrielle Produktion nachhaltig verändert.

Das führende Verfahren beim Metalldruck ist heute das sogenannte „Selective Laser Melting“ (SLM) oder Pulverbettverfahren, bei dem ein Laser ein Bauteil aus einem Bett aus Pulvermaterial in einer Kammer schichtweise aufbaut – eine Technologie, deren Entwicklung auch Siemens seit Jahren mit Simulationssoftware, Steuerungen für 3D-Drucker, der digitalen Integration in die industrielle Wertschöpfungskette und nicht zuletzt mit eigenen, auf diese Weise hergestellten Produkten für den Energiesektor – wie Gasturbinenbrenner – vorantreibt. 

Doch neben SLM rückt das sogenannte Laserauftragsschweißen immer stärker ins Blickfeld. Eine Analyse des amerikanischen Marktforschungsinstituts Research and Markets sieht LMD als die Technologie mit den größten Zuwachsraten der jungen Branche.

Die Gründe für die Prognose liegen auf der Hand – LMD weist gegenüber dem Pulverbettverfahren gewichtige Vorteile auf: So ist die Technologie nicht auf Druckkammern angewiesen, die den Druckprozess von der Umgebung abschirmen. Während bei SLM die Arbeitsräume erst zeitaufwendig mit Schutzgasen geflutet werden müssen, kann der Druckprozess beim Laserauftragsschweißen sofort starten: Die Schutzgase strömen hier direkt aus dem Laserkopf und umhüllen so Pulverstrahl und Schmelzbad. 

Da der Laserkopf und die Werkstücke sich auch flexibler bewegen, schafft das zusätzliche Freiheiten für das Design – und erlaubt, größere Teile zu produzieren. Das könnte beispielsweise in der Luftfahrtindustrie oder in der Turbinentechnik von Vorteil sein. Außerdem braucht LMD in der Regel keine Stützstrukturen – im Gegensatz zum Pulverbettverfahren, bei dem sie helfen, Materialspannungen auszugleichen. Da sie nur während des Herstellungsprozesses benötigt werden, müssen sie nach dem Druck abgetrennt und recycelt werden; an den Verbindungsstellen muss das Bauteil nachbearbeitet werden. Und schließlich ist Laserauftragsschweißen ressourcenschonender, da fast das gesamte Rohmaterial verbaut wird.

Die CT arbeitet bereits gemeinsam mit der Geschäftseinheit Digital Factory daran, die LMD-Technologie in der industriellen Fertigung weiter zu etablieren. „Wir verfügen über das komplette Know-how für die industrielle Automatisierung von 3D-Druck“, sagt Heinz-Ingo Schneider von Digital Factory. „Deshalb sehen wir auch ein großes Potential für das Laserauftragsschweißen.“

Bis LMD seine Vorteile aber voll ausspielen kann, gibt es noch einiges zu tun – das Verfahren ist keineswegs perfekt. So ist der Prozess im Vergleich zu SLM ungenauer, was zur Folge hat, dass die Bauteile regelmäßig nachbearbeitet werden müssen. Deshalb ist eine gängige industrielle Kombination die von LMD mit Fräsmaschinen. Solche Hybridanlagen werden heute weltweit eingesetzt, um präzise Bauteile für Flugzeugturbinen oder Wälzlager herzustellen.

An Regulin ist es jetzt, der Division Digital Factory zu helfen, solche Hybridanlagen schneller und kostengünstiger laufen zu lassen. Dabei fokussiert er sich auf eine zentrale Herausforderung des LMD-Verfahrens: Die Höhe der Metalllagen variiert oft – und somit die Größe des gedruckten Bauteils. Das kann unter anderem geschehen, wenn sich beispielsweise der Materialstrom ungewollt ändert – bei SLM ruht das Pulver dagegen ja auf einer Bauplatte – oder die Geschwindigkeit des von einem Roboterarm geführten Druckkopfs variiert.

Das hat die Siemens CT dazu bewogen, sich an einem EU-Entwicklungsprojekt namens „Paraddise“ (kurz und bündig für einen sehr langen Projektnamen: „A Productive, Affordable and Reliable solution for large scale manufacturing of metallic components by combining laser-based ADDItive and Subtractive processes with high Efficiency“) zu beteiligen. Ein Ziel des Projekts: die Variabilität des LMD-Druckvorgangs perfekt kontrollieren zu können. 

Neben Siemens gehören unter anderem der spanische Werkzeugmaschinenhersteller Ibarmia, die RWTH Aachen und Precitec, ein deutscher Spezialist für Lasermaterialbearbeitung und optische Messtechnik, dazu. Bewähren müssen sich die Anstrengungen der Kooperationspartner an der Fertigung eines Niederdruckgehäuses und einer Extrusionsschraube, also einem Zylinder mit Spiralgewinde, der in der Industrie zähe Massen durch formgebende Öffnungen presst.

Regulins Projektteam hat mit Unterstützung der RWTH Aachen dazu eine bahnbrechende Erfindung beigesteuert. Es hat eine Kontrolltechnik entwickelt, bei welcher der Precitec-Sensor die genaue Höhe der aufgetragenen Metalllage berechnet. Dazu vergleicht das Steuerungsprogramm mithilfe des Lichtinterferenzen messenden Sensors die geplante mit der tatsächlichen Bauteilhöhe. Die Lagendicke kann dann angepasst werden, indem die Druckgeschwindigkeit justiert wird. Ein Meilenstein: Der sich selbst regulierende Prozess ermöglicht Hybridmaschinen, schneller zu produzieren, da die Rohteile weniger Nachbearbeitung benötigen. Und es bedeutet weniger Energie- und Materialeinsatz, was wiederum die Kosten der hochqualitativen Metallteile senkt.

Schneider erörtert mit Regulin derzeit Möglichkeiten, die Technologie in die Produktpalette der Digital Factory zu integrieren. Zahlreiche führende LMD-Maschinenhersteller kommen für die Prozessregelung infrage. Das Fernziel ist jedoch, den Prozess eines Tages so zu perfektionieren, dass die Druckerzeugnisse lieferfertig aus der Maschine kommen. „Nachbearbeitung ist vorerst weiterhin notwendig, aber bereits jetzt können wir die Zuverlässigkeit des Prozesses entscheidend steigern,“ sagt Schneider.

12.02.2019

Hubertus Breuer