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Direct Metal DepositionPülverchen und dicke Brocken

Nur aus Pulver und grellem Licht Dinge zu erschaffen wurde früher ins Reich der Zauberei verwiesen. Doch die Ingenieure haben Harry Potter und seine Kollegen längst eingeholt. Unterschiedliche Verfahren, die mit Hilfe von Lasern und Kunststoff- oder Metallpulver mechanische Bauteile erzeugen, sind als Rapid Prototyping heute fester Bestandteil des Konstruktionsprozesses. Fast wie die zugehörige Zeichnung aus dem Laserdrucker entstehen hier zur Freude von Designern und Konstrukteuren filigrane Strukturen ganz ohne zeitaufwändiges Drehen, Bohren, Fräsen mit einer einzigen Maschine. Voraussetzung ist allerdings eine gehörige Portion Geduld. Denn all diese Prozesse brauchen Zeit, viel Zeit. Zwar sind sie für die im wahrsten Sinne des Wortes bedächtige Entwicklungsarbeit schnell genug, für den hektischen Produktionsalltag jedoch allesamt zu langsam. Hier muss es schnell gehen, dafür darf es dann gern etwas gröber sein. Insofern hat das Direct Metal Deposition Verfahren, kurz DMD, das Zeug, Laser und Pulver endgültig den Weg in unsere Fertigungshallen zu ebenen. Zum einen weil DMD schnell viel Material auftragen kann, zum anderen weil Trumpf das Verfahren nun mit seiner Trumaform DMD 505 als schlüsselfertige Anlage anbietet.

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Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (MW): Pülverchen und dicke Brocken

DMD ist kein absolut neues Verfahren. Die Idee, Metallpulver ganz ohne Binder auf ein Bauteil fokussiert aufzusprühen und vor Ort mit einem Laserstrahl zu einer poren- und rissfreien, fest haftenden Schicht zu verschmelzen gibt es schon länger. Besonders viel Erfahrung auf diesem Gebiet hat das Unternehmen Precision Optical Manufacturing aus Michigan, USA, gesammelt, mit dem zusammen die Ditzinger ihre DMD-Maschine entwickelt haben. Kernstück des Systems ist eine wassergekühlte Ringdüse, die das Metallpulver in Form eines Pulver-Argon-Helium Gemischs in den Fokus eines CO2-Laserstrahls bläst. Die Düse wird von bis zu vier Pulverförderern beschickt, so dass ohne jegliches Umrüsten Schichten aus verschiedenen Metallen oder sogar Metallgemischen entstehen. Ein Sensorsystem mit drei CCD Kameras überwacht dabei den Auftrag und garantiert kontinuierlich die Prozesssicherheit. Die komplette Düsen-Laser-Sensor-Kombination ist dabei in fünf Achsen beweglich. Hier konnten die Ditzinger ihre Expertise im Schneiden und Schweißen dreidimensionaler Bauteile einbringen: Die neue Anlage basiert auf der bewährten Lasercell.

Großzügigkeit als Tugend

Dass hier keine Anlage fürs Labor entstanden ist, sondern ein System für den harten Fertigungsalltag, zeigen allein die Eckdaten: Bis zu 6.000 Watt Laserleistung, Aufbauraten zwischen 20 und 60 Kubikzentimetern pro Stunde und Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 30 Metern pro Minute stellen den entsprechenden Durchsatz sicher. Und mit einem Achsverfahrbereich von 1000 × 2000 × 750 Millimetern und einem bis zu sieben Tonnen tragender Arbeitstisch schreckt die Trumaform DMD selbst vor großen Bauteilen nicht zurück. Fertigungsgerechte Dimensionen und Leistungsdaten, Prozesssicherheit und ein weltbekannter Systempartner dürften der Direct Metal Deposition als generativem Laserverfahren den Weg in die Produktionshallen ebenen.

Anwendungsmöglichkeiten für das Verfahren gibt es genug: Überall dort, wo Metall schnell und in größeren Mengen dreidimensional aufgetragen werden muss. Zum Beispiel im Formenbau. Immer kürzere Innovationszyklen erfordern hier trotz engster Verzahnung von Konstruktion und Formenbau immer wieder Änderungen in letzter Minute. Hier kann DMD gezielt und NC-gesteuert Schichten und Strukturen aus dem Ausgangsmaterial nicht nur auftragen, sondern mit einem nachfolgenden reinen Laserdurchgang sogar gegebenenfalls härten. Natürlich leisten Handreparaturschweißverfahren ähnliches, doch diese sind langsam und bringen viel Wärme in das Bauteil ein, was zu Verzug führen kann. DMD dagegen arbeitet schneller und daher mit einem geringeren Wärmeeintrag. Das hat allerdings zur Folge, dass die Raupengröße sich im Millimeterbereich bewegt, so dass die Bauteile grundsätzlich nachbearbeitet werden müssen. Auch sind mit DMD keine Hinterschneidungen oder Kavitäten wie beim Lasersintern oder Laserformen möglich. Im Gegensatz zu DMD arbeiten diese mit einem Pulverbett, das die Strukturen während des Aufbaus stützt. Senkrechte Rohre, Wände und Stützen jedoch können mit DMD sehr wohl erzeugt werden, was den Einsatz beim Aufbau von Kühlkanälen in Spritzgießformen oder Presswerkzeugen denkbar macht.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Erneuerung von komplex geformten Verschleißschichten. Hier muss allerdings zuerst durch beispielsweise Abfräsen eine definierte Ausgangskontur geschaffen werden, die dann die Grundlage für die NC-Steuerung darstellt. Ein automatisches Erfassen der Bauteilgeometrie und der Vergleich mit den ursprünglichen Konturen ist derzeit noch Zukunftsmusik. Jetzt kann die Anlage die neue Verschleißschicht auftragen, entsprechend den Vorteilen des Verfahrens in beliebiger Dicke, Zusammensetzung und Aufbau und, da mit dem Basismaterial verschmolzen, absolut fest haftend und voll mechanische belastbar. Anschließend kann die gewünschte Endkontur und Oberfläche durch Fräsen, Polieren, Ätzen oder Funkenerodieren wieder hergestellt werden.

Pulver panzert Bohrgestänge

Zu genau diesem Zweck, dem Erneuern komplexer Verschleißschichten auf teuren und schweren Bauteilen, nutzt seit August 2004 die Bleckmann Oilfield Technologies in Österreich die Direct Metal Deposition. Hier in Ternitz entstehen nichtmagnetische Bohrstangenkomponenten für die Richtbohrtechnik. Deren Führungspartien sind durch den ständigen Reibkontakt mit dem Gestein einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Um diesen zu minimieren haben die Österreicher bisher Hartmetallplättchen verlötet, ein naturgemäß zeit- und damit kostenträchtiger Prozess. DMD beschleunigt dagegen nicht nur das Aufbringen der Verschleißschutzschicht, sondern ermöglicht zudem einen wesentlich differenzierten Aufbau derselben. So sitzen heute auf einer als Puffer fungierenden Verbindungsschicht drei hochverschleißfeste Schichten aus einer Nickelbasislegierung mit hohen Anteilen sphärischer Wolframcarbid-Partikel. Neben dem großen Arbeitsbereich – immerhin sind die Bohrgestänge bis zu elf Meter lang – kommen hier also die Möglichkeit Pulver genau zu dosieren und zu mischen und die Prozesskontrolle, die reproduzierbare Ergebnisse ermöglicht, voll zum Tragen.

Gerade mit der Möglichkeit Metallschichten zu mischen, damit funktionsspezifische Bimetalle zu erzeugen und diese auf komplexe Konturen aufzutragen, wird DMD in Zukunft ganz neue Anwendungsfelder erschließen oder bestehende, wesentlich teurere Verfahren ersetzen. Machen wir uns aber nichts vor: Sich eine solche komplexe Laseranlage in die Halle zu stellen ist nicht billig. DMD rechnet sich im Regelfall nur dann, wenn teure Bauteile den Aufwand rechtfertigen, große Volumina vollautomatisiert aufgetragen werden sollen oder komplizierte und reproduzierbare Schichtaufträge gefordert sind. Dennoch wird DMD sich seinen festen Platz in unserer Fertigungslandschaft erobern, dafür werden seine Möglichkeiten und die Fantasie der Anwender schon sorgen.Matthias Meier

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