Experteninterview

„Laser Metal Fusion ist jetzt industrietauglich“

Der Laserspezialist Trumpf ist kürzlich mit einem neuen und beeindruckenden Produkt- und Technologieportfolio für den 3D-Druck von Metallteilen in den Markt der additiven Fertigung zurückgekehrt. Als einziges Unternehmen weltweit hat Trumpf beide relevanten Technologien – LMF und LMD – unter einem Dach. SCOPE hat mit zwei Experten über den aktuellen Stand der Technologien gesprochen.

Daniel Lichtenstein ist Leiter Vertrieb und Marktentwicklung Additive Manufacturing bei Trumpf.

Daniel Lichtenstein, Leiter Vertrieb und Marktentwicklung Additive Manufacturing spricht im Interview über Anwendungen und durchdachte Prozessketten, während Dr. Antonio Candel-Ruiz, Branchenmanager Oberflächentechnik, erklärt, warum LMD sich zu einem eigenständigen generativen Verfahren entwickelt und wie auch mittelgroße und kleine Unternehmen von der Technologie profitieren können.

SCOPE: Herr Lichtenstein, für welche Anwendungsbereiche ist Laser Metal Fusion (LMF) besonders attraktiv?

Lichtenstein: Da sehen wir ein breites Spektrum: Angefangen beim Werkzeug- und Formenbau, wo komplexe Werkzeuge zum Beispiel mit konturnaher Kühlung hergestellt werden, bis hin zu Anwendungen in der Dentalindustrie zum Generieren von Zahnkronen oder Brücken. Großes Potential sehen wir bei anspruchsvollen Anwendungen in der Luftfahrtindustrie und dem Turbinenbau. Auch Zulieferer wollen langsam in die additive Fertigung einsteigen. Wir spüren vielfältiges Interesse.

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SCOPE: Warum engagiert sich Trumpf seit 2014 nun wieder im Bereich LMF? Nach der Einführung Ihrer ersten LMF-Maschine, der TrumaForm 2003 ließen Sie die Weiterentwicklung dieser Technologie ja zunächst ruhen …

Lichtenstein: 3D-Druck ist klar auf dem Vormarsch, sodass vor zwei Jahren ein guter Zeitpunkt für uns war, wieder mit LMF einzusteigen. 2003 war der Markt noch stark von Forschungs- und Entwicklungsanwendungen sowie einigen Nischenanwendungen geprägt. Wir hatten mit der TrumaForm früh eine industrielle Lösung am Start, allerdings war die Zeit noch nicht reif dafür. Inzwischen wollen unsere Kunden nicht mehr nur Prototypen produzieren, sondern Bauteile in Serienprodukten einsetzen. Deshalb erwarten sie jetzt industriefertige Lösungen – und da setzen wir an. Wir bieten unseren Kunden Werkzeugmaschinen, mit denen sie anspruchsvolle Bauteile wirtschaftlich herstellen können. Wir haben für Weiterentwicklung des LMF-Verfahrens einen eigenen Bereich an unserem Hauptsitz in Ditzingen ins Leben gerufen. Dort haben wir alle wichtigen Funktionen unter einem Dach, samt Produktionsflächen. In der eigenen Grundlagenentwicklung arbeiten wir an aktuellen und künftigen Maschinen. Außerdem haben wir ein großes Team aus Applikationsingenieuren aufgebaut, die jeweils für ihre Branchen Experten sind und die Kunden so passgenau unterstützen können.

SCOPE: Was machen diese Kunden mit LMF?

So funktioniert Laser Metal Fusion: Der sogenannte Beschichter trägt Pulver vom Vorrats- auf den Bauzylinder auf. Anschließend verschmilzt ein Laser die erste Pulverschicht entsprechend der Teilekontur. Im nächsten Schritt sinkt der Bauzylinder ab. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Bei jeder Rückkehr zum Vorratszylinder kippt die clevere Mechanik den Beschichter leicht, sodass dieser vergleichsweise schnell zurückfährt, ohne mit Pulverbett oder aufgebautem Bauteil zu kollidieren. Um eine hohe Bauteilqualität zu gewährleisten findet der gesamte Prozess in der Kammer unter Schutzgas statt.

Lichtenstein: Mit dem Metall-3D-Druck können die Anwender aus 3D CAD-Modellen direkt funktionale Bauteile erzeugen. Dadurch sind sie viel flexibler als bei klassischen Prozessen, in denen zunächst Werkzeuge und Vorrichtungen gebaut werden müssen. Zudem ergibt sich so eine Freiheit bei der geometrischen Gestaltung, die andere Verfahren in dieser Form nicht bieten. Weitere Vorteile sind dann eher branchenspezifisch: Die Möglichkeit Bauteile bionisch zu gestalten, ermöglicht den ultimativen Leichtbau in der Luftfahrt. Dort sind Gewichtseinsparungen zwischen 30 und 50 Prozent möglich – bei gleichen oder sogar besseren mechanischen Eigenschaften. In anderen Branchen ist die Individualisierbarkeit ein wichtiger Pluspunkt. So lassen sich in der Revisionsprothetik innerhalb kürzester Zeit individuell maßgeschneiderte Implantate herstellen. Und auch Schmuckhersteller können mit LMF einfach Unikate fertigen.

SCOPE: Führt für die Fertigung der Zukunft also kein Weg an dem 3D-Druck vorbei?

Mittels Laserauftragschweißen erstellte Förderschnecke.

Lichtenstein: Wir sollten 3D-Druck nicht als den heiligen Gral betrachten, mit dem sich die Fertigung von heute auf morgen komplett umkrempeln lässt. Neben dem Verfahren selbst, ist es mindestens so wichtig, die vor- und nachgelagerten Prozesse im Auge zu behalten. Es ergibt keinen Sinn ein Teil schnell und über Nacht zu drucken, wenn man dann eine Woche mit den Nacharbeiten beschäftigt ist.

SCOPE: Das klingt fast schon abschreckend.

So funktioniert LMD: Eine Düse strahlt feines Metall-Pulver auf ein Bauteil. Aus der Mitte der Düse kommt ein Laserstrahl. Dieser erzeugt ein Schmelzbad auf der Oberfläche des Bauteils, in das die Pulverpartikel eingebracht werden. Dabei ist die Düse an einer Optik montiert, die durch eine kartesische Maschine oder einen Roboter in einer Entfernung zwischen 6 und sechzehn Millimetern zum Werkstück bewegt wird.

Lichtenstein: Ganz im Gegenteil: Unternehmen, die die Prozesskette beherrschen, haben mit LMF die Chance, sich einen echten Vorteil im Wettbewerb zu verschaffen. Genau dabei unterstützen wir unsere Kunden. Wir wollen ihnen dabei helfen, in die Additive Fertigung einzusteigen. Dies beginnt häufig damit, dass wir in einem gemeinsamen Applikationsprojekt ein spezifisches Kundenbauteil in der LMF-Technologie umsetzen. Wer den richtigen Einsatz für die Technologie gefunden hat, kann von Trumpf neben LMF-Maschine auch 3D-Software und die richtigen Pulverwerkstoffe beziehen.

SCOPE: Welche Maschinen bietet Trumpf seinen Kunden im Bereich LMF an?

Lichtenstein: Seit Ende 2015 ist die TruPrint 1000 auf dem Markt. Sie ist besonders kompakt und kann wirtschaftlich faustgroße Teile herstellen, also rund 100 Millimeter mal 100 Millimeter Höhe. Zudem haben wir bereits einen Demonstrator der TruPrint 3000 vorgestellt. Diese Maschine verfügt über einen größeren Bauraum von rund 300 Millimetern bei einer Höhe von 400 Millimetern sowie über eine stärkere Laserleistung. Darüber hinaus arbeiten wir an weiteren Maschinen, die noch deutlich produktiver arbeiten werden. Wichtige Voraussetzungen dafür sind der Einsatz von mehreren Lasern sowie das Vorwärmen der Baukammer, um noch mehr Materialien prozesssicher verarbeiten zu können.

SCOPE: Herr Candel-Ruiz, wie hat sich der Stellenwert der Laser Metal Deposition (LMD) in den vergangenen Jahren entwickelt?

Dr. Antonio Candel-Ruiz ist Branchenmanager Oberflächentechnik bei Trumpf.

Candel-Ruiz: Bei Trumpf arbeiten wir seit fast 15 Jahren ununterbrochen mit dieser Technologie. Dabei wuchs das Interesse an LMD von Beginn an stetig. Lange Zeit nutzten die Anwender das Verfahren in erster Linie, um Bauteile zu beschichten, beispielsweise zum Verschleiß- oder Korrosionsschutz. Zudem reparierten sie so beschädigte Metall-Komponenten. Vor rund zwei Jahren erkundigten sich jedoch schlagartig deutlich mehr Kunden nach der Technologie, auch aus für uns in diesem Bereich neuen Branchen wie der Automobilindustrie. Das liegt daran, dass das Verfahren sich auch sehr gut zur generativen Fertigung eignet.

SCOPE: Wie wird es dort eingesetzt?

Candel-Ruiz: Die Nutzung in der generativen Fertigung lässt sich in drei grobe Richtungen unterteilen. Zum einen verwenden wir LMD, um Bauteile geometrisch zu modifizieren oder zu verstärken. Dabei fügen wir definierte dreidimensionale Strukturen an einem bestimmten Grundkörper an. Aus einem Grundkörper fertigen wir so eine ganze Familie, die auf diesem Grundbauteil basiert, dann aber individuell unterschiedliche Ausprägungen hat. So erzielen wir eine große Variantenvielfalt. Bei der zweiten Möglichkeit nutzen wir LMD zur Generierung von kompletten Bauteilen. Jedoch hat das Verfahren heutzutage noch Einschränkungen, was die geometrische Komplexität der zu generierenden Bauteilen betrifft. Aus diesem Grund arbeiten wir daran, unsere Systeme so weiterzuentwickeln, dass auch geometrisch komplexerer Bauteile möglich werden. Zusätzlich kann das Verfahren in gewissen Fällen eine Alternative zu konventionellen Fügetechnologien darstellen, zum Beispiel wenn Spalte überbrückt werden sollen. Diese Anwendung von LMD ist noch relativ jung, aber sehr vielversprechend.

SCOPE: Welche Materialien lassen sich mit LMD verarbeiten?

Laser Metal Fusion

Candel-Ruiz: Theoretisch gibt es da wenige Einschränkungen. Von Stählen über Titan-Basislegierungen, Cobalt-Basislegierungen, Nickel, Aluminium bis zu Kupfer können wir alle Werkstoffe nutzen, die sich mit dem Laser aufschmelzen lassen. Allerdings gibt es dabei eine wichtige Restriktion. Das Material des Pulvers muss sich dazu eignen, mit der Oberfläche des Werkstücks verschmolzen zu werden. So benötigen wir bei der Wahl der richtigen Werkstoffe immer profundes chemisches und physikalisches Wissen, um die passenden Partner zu finden.

SCOPE: Welche Vorteile kann Trumpf seinen Kunden bei der Arbeit mit LMD bieten?

Laser Metal Deposition

Candel-Ruiz: Unsere große Stärke ist, dass wir dem Kunden statt einzelner Produkte Lösungen anbieten. Diese bestehen aus qualitativ hochwertigen Maschinen und Lasern, unserem Know-How im Applikationsbereich und unseren Möglichkeiten gemeinsam mit dem Kunden den optimalen Prozess zu finden. Interessenten kommen mit einer Aufgabe zu uns und wir versuchen diese gemeinsam zu lösen. Dabei kommt uns unsere Erfahrungen zu Gute, die wir bereits seit Jahren mit verschiedensten Werkstoffen gemacht haben. Auch nützt es uns hier, dass Trumpf stets auf eine Vielfalt von Maschinen und Laser-Quellen gesetzt hat, die sich auch bei LMD für unterschiedlichste Aufgaben eigenen.

SCOPE: Welche Kunden nutzen das Verfahren?

Candel-Ruiz: Da sind zu einem Firmen aus den Bereichen Luftfahrtindustrie, Maschinenbau und Petrochemie sowie andere großen Konzerne. Sie haben im eigenen Unternehmen ein großes Know-How auf dem Gebiet der additiven Fertigung und können so die Prozessparameter selbst entwickeln und die passenden Sensoren integrieren. Aber auch für kleinere Unternehmen ist LMD attraktiv. Sie unterstützen wir mit Versuchen in unserem Labor bei der Parameterfindung und der Anpassung der Maschine. Alle Anwender nutzen LMD vor allem aus zwei Gründen. Sie können so entweder die Qualität eines Bauteils deutlich steigern oder geometrische und mechanische Eigenschaften erzielen, welche mit anderen Verfahren nicht erreichbar wären.

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