Additive Manufacturing metallischer Komponenten unter Schutzgasatmosphäre
Additive Manufacturing (AM), umgangssprachlich auch 3D-Druck, gewinnt bei der Herstellung metallischer Komponenten zunehmend an Bedeutung. Zudem hat es das Potenzial, eine wichtige Säule der nächsten industriellen Revolution zu sein.
- Additive Fertigung in der Metallverarbeitung
- Welche Verfahren kommen bei der Herstellung metallischer Komponenten zum Einsatz?
- Selektives Laserschmelzen
- Elektronenstrahlschmelzen
- Laserauftragschweißen
- Additive Manufacturing – Unterschiedliche Prozessgase für unterschiedliche Werkstoffe
- Maßgeschneiderte Gasversorgung für die Additive Fertigung
- Individuelle Schutzgasathmosphäre – Individuelle Lösung
- Wärmebehandlung additiv gefertigter Bauteile
- Reinigen mit Trockeneis oder CO2-Schnee
Additive Manufacturing (AM), umgangssprachlich auch als “3D-Druck” bezeichnet, gewinnt bei der Herstellung metallischer Komponenten zunehmend an Bedeutung. Zudem hat es das Potenzial, eine wichtige Säule der nächsten industriellen Revolution zu sein.
Durch den schichtweisen Aufbau des Bauteils im Pulverbettverfahren können mit additiven Fertigungsverfahren nahezu alle erdenklichen Geometrien geschaffen werden. So lassen sich auch Bauteilgeometrien erzeugen, deren Herstellung durch konventionelle Fertigungsverfahren – wie Gießen, Umformen oder Zerspanen – nicht möglich ist. Insbesondere bei der Herstellung von Leichtbaustrukturen, bei Prototypen oder bei Bauteilen mit einem hohem Individualisierungsgrad findet die Additive Fertigung vermehrt Anwendung.
Schutzgase spielen in der gesamten Prozesskette der Additiven Fertigung eine entscheidende Rolle – angefangen beim Herstellungsprozess des Pulvers, bei dem durch den Einsatz eines Inertgases (in der Regel Argon oder Stickstoff) flüssiges Metall verdüst wird, über die Sicherstellung einer gleichbleibenden Pulverqualität durch Inertgase bei Lagerung und Transport der Pulverpartike, bis hin zur Sicherstellung einer geeigneten Schutzgasatmosphäre.
Additive Fertigung in der Metallverarbeitung
Die Additive Fertigung mit Metall funktioniert ähnlich wie die Additive Fertigung von Kunststoffen, wobei hier statt der häufig verwendeten Kunststoffe verschiedene Metallpulver eingesetzt werden, um metallische Bauteile zu formen. Die eingesetzten Metallpulver werden aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt und können in der entsprechenden Legierung passend zum gewünschten Werkstück und zum Einsatzgebiet gewählt werden. Somit kann die Additive Fertigung problemlos auf weitere Branchen übertragen werden, da die Werkstücke aus Metall deutlich höheren Beanspruchungen standhalten können.
Welche Verfahren kommen bei der Herstellung metallischer Komponenten zum Einsatz?
Selektives Laserschmelzen
Das selektive Laserstrahlschmelzen (Englisch: “Selective Laser Beam Melting, SLBM” oder “Selective Laser Melting, SLM”) gehört zu den bekanntesten 3D-Druck-Verfahren für die Fertigung metallischer Bauteile. Durch die lokale Aufschmelzung und Erstarrung der Metallpulver lassen sich Bauteile aus Edelstahl-, Titan-, Aluminium-, Kobalt-Chrom- und Nickelbasislegierungen herstellen.
Im Bauraum wird im ersten Schritt eine Schicht Metallpulver aufgetragen. Anschließend wird Energie durch einen Laserstrahl eingebracht, sodass das Material aneinander geschmolzen wird. Der Laserstrahl wirkt nur auf die Stellen im Pulverbett ein, wo das Bauteil nach dem 3D-Modell in der jeweiligen Schicht entstehen soll. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt und die nächste Pulverschicht aufgetragen. So entsteht Schicht für Schicht das Bauteil.
Der Prozess findet unter einer inerten Schutzgasatmosphäre statt, um den Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalt zu minimieren und die Sicherheit zu gewährleisten.
Die üblicherweise verwendeten Gase Argon oder Stickstoff (in einigen Fällen auch Helium) schützen die Werkstoffe durch Verdrängung der Luftgase und verhindern somit das Oxidieren der Bauteile.
Außerdem werden Schmelzpartikel und Schmauch effektiv durch den Gasstrom abtransportiert. So wird der Bauteilinnenraum vor Schmutzanhaftungen geschützt.
Das selektive Laserschmelzen hat viele abgewandelte Prozessvarianten, die unter unterschiedlichen Nomenklaturen geführt werden:
- Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS)
- Laser Cusing
- Laser Metal Fusion (LMF)
- Direct Metal Printing (DMP)
- Laser-Sintern
Elektronenstrahlschmelzen
Das Elektronenstrahlschmelzen erreicht hohe Aufbauraten und wird häufig im Medizinbereich und der Luftfahrtindustrie eingesetzt. Der Prozess nutzt einen Elektronenstrahl als Energiequelle und findet bei erhöhten Temperaturen unter Vakuum statt. Der Einsatz von geringen Mengen an Helium während des Bauprozesses verhindert, dass sich das Pulver statisch auflädt. Nach dem Bauprozess kühlen Bauteile und Pulver unter einer heliumhaltigen Schutzgasatmosphäre schneller ab.
Laserauftragschweißen
Eine andere Variante der Additiven Fertigung stellt das Laserauftragschweißen (Cladding) dar. Bei diesem Fertigungsverfahren wird das Material, das als Pulver oder Draht vorliegen kann, direkt durch Aufschmelzen auf die Oberfläche aufgetragen. Dabei wird das Metallpulver oder der Draht mithilfe einer Düse, die mit Inertgas gespült wird, direkt in den Wirkbereich des Lasers eingebracht.
Additive Manufacturing – Unterschiedliche Prozessgase für unterschiedliche Werkstoffe
Die Auswahl der richtigen Schutzgasatmosphäre hängt vom eingesetzten Werkstoff, den Qualitätsanforderungen und vom Fertigungsverfahren ab. So wird beispielsweise bei Titanlegierungen ausschließlich Argon eingesetzt. Bei anderen Materialien kann in der Regel auch Stickstoff verwendet werden.
Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass sowohl das verwendete Gas zur Pulververdüsung als auch das Prozessgas bei der Additiven Fertigung Einfluss auf die Gefügestruktur haben können. Welches Prozessgas für Ihren Anwendungsfall geeignet ist, hängt stark von Ihren Prozessparametern und Qualitätsanforderungen ab.
Wird die Gasversorgung während des Bauprozesses unterbrochen, entstehen in der Regel Defekte an den Bauteilen und die Arbeiten auf der Baustelle müssen neu gestartet werden. Besonders wichtig für die Bauteilfertigung ist deshalb eine zuverlässige und unterbrechungsfreie Gasversorgung.
Maßgeschneiderte Gasversorgung für die Additive Fertigung
Die Experten von Air Liquide beraten Sie umfassend zur optimalen Gasversorgung. Am Anfang steht in der Regel die Installation einer zentralen Gasversorgung. Air Liquide bietet Ihnen die fachgerechte Auslegung und Installation von Gasleitungen an. Durch Verwendung der richtigen Werkstoffe und der vorschriftsmäßigen Verbindung der Rohrleitungsteile stellt Air Liquide eine partikelfreie und gasdichte Versorgung bis zum Verbrauchspunkt sicher.
Da Laserstrahlschmelzanlagen in Innenräumen betrieben werden, ist auch eine sicherheitstechnische Bewertung im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung erforderlich. Sie erhalten vom Air Liquide-Expertenteam eine umfangreiche Beratung und Unterstützung bei der Risikobetrachtung sowie eine Ableitung erforderlicher Maßnahmen. Air Liquide bietet Ihnen auch die gegebenenfalls erforderliche Installation eines Raumluftüberwachungssystems an – alles aus einer Hand.
Mit dem Dry P Cabinet-Lagerschrank können Sie Ihr Pulver sicher und vor Umgebungseinflüssen geschützt unter kontrollierter Gasatmosphäre lagern.
Individuelle Schutzgasatmosphäre – Individuelle Lösung
Das Air Liquide Monitoring System bietet Ihnen darüber hinaus Sicherheit, Komfort und Zeitersparnis, da es den Füllstand der Bündel überwacht. Es benachrichtigt Sie automatisch, sobald ein Bündelwechsel erforderlich ist. So erhöht sich die Versorgungssicherheit und das zeitaufwändige manuelle Prüfen des Bündelinhalts entfällt.
Für größere Bedarfe bietet sich eine Tankversorgung mit tiefkalt-verflüssigtem Stickstoff oder Argon an. Sie profitieren von einer höheren Versorgungssicherheit durch eine Fernüberwachung des Füllstands und einer automatischen Belieferung durch die Air Liquide Tankwagen. Häufig ist die Aufstellung eines Tanks auf einer Fertigbetonplatte möglich. Dadurch können Sie Kosten sparen, denn bei ausreichend festem Untergrund kann auf das Anlegen eines Fundaments verzichtet werden. Außerdem bietet Ihnen diese Lösung eine erhöhte Flexibilität.
Neben einer externen Versorgung gibt es bei Stickstoff auch die Möglichkeit, das Gas direkt an Ihrem Standort mit einem Stickstoffgenerator zu erzeugen. Sie erhalten bei Air Liquide Stickstoffgeneratoren der neuesten Generation. Durch die sehr kompakte Bauweise sparen Sie Platz. Außerdem reduzieren Sie Investitionsausgaben im Gegensatz zu Fertiglösungen mit Kompressoren, da durch eine individuelle Abstimmung in der Regel das vorhandene Druckluftnetz genutzt werden kann.
Wärmebehandlung additiv gefertigter Bauteile
Jedes additiv gefertigte Bauteil benötigt aufgrund des Fertigungsprozesses im Anschluss eine Wärmebehandlung.
Die optimalen mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften erhält man erst durch einen auf das Bauteil und die Anforderungen abgestimmten Wärmebehandlungsprozess.
Besonders Bauteile zeichnen sich aufgrund der extrem schnellen Abkühlung des geschmolzenen Metalls durch hohe innere Spannungen aus. Durch gezielte Wärmebehandlung, wie Spannungsarmglühen, können innere Spannungen abgebaut und die Gefügestruktur so verändert werden, dass bessere mechanische Eigenschaften erzielt werden.
In kritischen Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften muss die Mikroporosität additiv gefertigter Bauteile eliminiert werden. Das kann durch heißisostatisches Pressen (HIP) erfolgen. HIP ist eine Form der Wärmebehandlung, die hohen Druck mit hohen Temperaturen verbindet, um die Materialeigenschaften zu verbessern.
Reinigen mit Trockeneis oder CO2-Schnee
Bei hohen Qualitätsanforderungen können die Oberflächen additiv hergestellter Bauteile einer High-End-Reinigung unterzogen werden. Kohlendioxid-basierte Reinigungsverfahren sind ideal, um Pulverreste und andere Partikel von ihrem Bauteil zu entfernen. Die Reinigung mit Trockeneis oder CO2-Schnee ist umweltfreundlich, kostengünstig und erzielt optimale Reinigungsergebnisse.
Mehr zum Reinigen mit Trockeneis oder CO2-Schnee
Der Einsatz technischer Gase ist für die Additive Fertigung unerlässlich. Die Wahl der Gaskomponenten in Art und Menge wird von vielen Faktoren beeinflusst. Gemeinsam findet das Air Liquide-Expertenteam für die jeweilige Aufgabenstellung das technologisch und wirtschaftlich beste Gasgemisch und implementiert gemeinsam mit Ihnen die beste Lösung.
