Bauteile aus Pulver und Laserlicht

Artikel vom 30. November 2018 

Laserschmelzen

Neue Bauteile Schicht für Schicht mit dem Laser herstellen, anstatt sie zu schmieden oder zu gießen: Ein Trend, der sich in der Industrie immer mehr ausweitet. Die sogenannte additive Fertigung kam lange Zeit hauptsächlich für die Herstellung von Prototypen zum Einsatz. Festo fertigt nun zum ersten Mal ein Serienbauteil aus Aluminium.

Pulver rieselt in Wellen auf eine Platte, bis eine gleichmäßige, durchgängige Schicht entsteht. Von oben strahlt ein heller Laser hinunter und schmilzt es an bestimmten Stellen, so dass es sich zu einer Einheit verbindet. Weiteres Pulver kommt hinzu und der Vorgang beginnt von Neuem: So sieht es aus, wenn in der additiven Fertigung ein neues Bauteil entsteht. Seit den 1980er Jahren wird das Verfahren in der Industrie eingesetzt, ursprünglich nur mit Kunststoffen. Heute werden auch andere Materialien, wie Aluminium, verwendet.

Gute Vorbereitung als A&O

Ausgangspunkt für jedes Bauteil bildet eine 3D-CAD-Konstruktion, die der Kunde oder Konstrukteur am Computer erstellt. Bevor die Fertigung beginnt, wird das CAD-Modell virtuell im Bauraum der Additiven-Fertigungs-Anlage (3D-Drucker) ausgerichtet und platziert. Dabei prüft die Fertigung, welche Position bestmöglich zur Geometrie des Bauteils passt.

Die punktgenaue Anordnung im Bauraum ist besonders wichtig, wenn als Werkstoff Metall verwendet wird. Bei diesem Material benötigt man Stützkonstruktionen, um zu verhindern, dass es sich verzieht – zum Beispiel indem die Seiten hochklappen. Diese Stützkonstruktionen müssen nach Ende der additiven Fertigung gut mechanisch entfernbar sein. Aus diesem Grund ist es gerade für Serienbauteile sinnvoll, die Bauteilorientierung vor der Konstruktion abzustimmen.

Ein gedrucktes Bauteil aus Aluminium im Bauraum: Die wabenförmigen Stützkonstruktionen und die Substratplatte, auf der die Komponente festgeschweißt ist, werden nach dem Drucken manuell entfernt
Ein gedrucktes Bauteil aus Aluminium im Bauraum: Die wabenförmigen Stützkonstruktionen und die Substratplatte, auf der die Komponente festgeschweißt ist, werden nach dem Drucken manuell entfernt

Schicht für Schicht zum fertigen Bauteil

Ist die richtige Position gefunden, kann der 3D-Drucker mit der Arbeit beginnen. In den Bauraum wird eine Aluminiumplatte – die sogenannte Substratplatte – eingelegt, festgeschraubt und auf ca. 170 Grad erhitzt. Anschließend fährt ein Beschichter vor- und rückwärts über die Platte und trägt das Aluminiumpulver auf, das der Laser an den vom CAD-Modell vorgegebenen Stellen schmilzt. Eine Schicht ist ca. 50µm dick – zu vergleichen mit einem menschlichen Haar.

Nach Ende des Fertigungsprozesses ist der gesamte Bauraum mit Pulver gefüllt. Darin verborgen befinden sich die fertigen Bauteile. Der Anlagenbediener saugt das lose Pulver mit einem Vakuumsauger ab. Es wird zurück in einen Pulverbehälter geleitet und kann für die nächste Fertigung wiederverwendet werden. Anschließend entnimmt er die Substratplatte samt Bauteil. In den nächsten Schritten werden die Bauteile gereinigt, von der Substratplatte getrennt, die Stützstrukturen entfernt und gegebenenfalls wichtige Stellen beispielsweise durch CNC-Fräsen nachbearbeitet – und fertig ist die neue Komponente.

Der 3D-Drucker, mit dem die Komponenten aus Aluminium hergestellt werden
Der 3D-Drucker, mit dem die Komponenten aus Aluminium hergestellt werden

Erstes Serienbauteil bei Festo

Seit kurzem werden die Luftrohre für die Energiedurchführung im Kolbenschwenkantrieb DRRD von Festo erstmalig additiv mit Aluminium als Serienbauteil gefertigt. Der Schwenkantrieb ist vor allem bei Greifaufgaben im Einsatz, die mit einer Drehung verbunden sind – beispielsweise, wenn eine Praline von einem Transportband gegriffen und gedreht in ihre Verpackung auf einem anderen Transportband gesetzt werden soll. Die Energiedurchführung sorgt dafür, dass die Luftkanäle und andere Kabel im Inneren des Schwenkantriebs verlaufen. So wickeln sie sich nicht außen um den Antrieb und behindern ihn nicht beim Drehen. Für die Zukunft sind weitere Bauteile mit dem Verfahren der additiven Fertigung geplant.

Das Luftrohr für die Energiedurchführung im Kolbenschwenkantrieb DRRD ist das erste Serienbauteil, das Festo additiv mit Aluminium fertigt
Das Luftrohr für die Energiedurchführung im Kolbenschwenkantrieb DRRD ist das erste Serienbauteil, das Festo additiv mit Aluminium fertigt

Sehen Sie hier dem 3D-Drucker bei der Arbeit zu: