Elektronenstrahl formt nun auch Werkzeugstahl

Von unserem Redaktionsmitglied Michael Corban michael.corban@konradin.de

Star-Trek-Fans haben sich längst daran gewöhnt: Alles was Mensch und Raumschiff benötigen, wird Computer-unterstützt binnen kurzer Zeit materialisiert. Science Fiction – sicherlich, aber die heute verfügbare Technik erlaubt bereits das Fertigen von metallischen Bauteilen in ähnlicher Art und Weise. Lasersintern oder Direktes Metall Lasersintern (DMLS) nennt sich eines der Verfahren, bei dem ein Metallpulver durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen wird und, gesteuert von 3D-Daten, selbst hochkomplexe Bauteile entstehen. Dr. Mike Shellabear von der Kraillinger EOS GmbH wagt die Prognose, dass sich das Lasersintern in drei bis fünf Jahren als Fertigungsverfahren für die Herstellung von Kleinserien, personalisierten Produkten und die datenlagerbasierende Ersatzteilfertigung etabliert haben wird. Dann genügt theoretisch eine Lasersintermaschine, um mit Hilfe der 3D-CAD-Daten Ersatzteile zu generieren. Die Eosint M270 der Kraillinger bietet dazu bereits heute ein Bauvolumen von 250 mm x 250 mm x 215 mm. Offen bleibt dabei nur, wer die 3D-Daten wirklich erhalten kann.

Einen entscheidenden Vorteil liefert das Lasersintern den Konstrukteuren: Befreit von Zwängen wie etwa der Entformbarkeit können sie konstruktiv ganz neue Welten erschließen.

Shellabear wagte seine Prognose anlässlich des Augsburger Seminars „Rapid Manufacturing – Vom Prototyp zur Produktion“, veranstaltet vom Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) der TU München. In weiteren Vorträgen wurde zudem der Elektronenstrahl als neue Energiequelle für das Versintern von Metallpulvern vorgestellt. Angemerkt sei an dieser Stelle, dass bislang seitens der Maschinenhersteller nicht eindeutig zwischen Sintern und Schmelzen unterschieden wird. Die meisten Verfahren schmelzen jedoch tatsächlich den Werkstoff auf und erzeugen so vor allem dichte Bauteile.

Das Elektronenstrahlsintern – oder auch -schmelzen – ähnelt prinzipiell dem Lasersintern. Die Substitution des Laserstrahls durch den Elektronenstrahl berge jedoch weit reichende Potenziale, wie IWB-Mitarbeiter Matthäus Sigl erläuterte. Die deutlich höhere verfügbare Leistung des Elektronenstrahls – 10 kW gegenüber 250 W bei Laseranlagen –, ermöglicht insbesondere die wirtschaftliche und schnelle Verarbeitung hochfester Stähle, vor allem von Werkzeugstählen. Ein Anbieter für das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) ist die Arcam AB aus dem schwedischen Mölndal. Das Verfahren trägt den Namen CAD-to-Metal und wird kommerziell bereits durch die FIT GmbH aus Parsberg genutzt. Der RP-Dienstleister setzt parallel dazu auch auf DMLS sowie Feinguss (FG). FIT-Chef Charly Fruth wagte deshalb den Verfahrensvergleich aus seiner ganz subjektiven Sichtweise (siehe Grafik links).

Mit dem Elektronenstrahlsintern metallischer Bauteile beschäftigt sich auch ein Forschungsprojekt des IWB, das von Matthäus Sigl und Dr. Thorsten Löwer, Vorstandsmitglied der Planegger Pro Beam AG & Co. KGaA vorgestellt wurde. Hier wird die praxiserprobte Technik einer Elektronenstrahlschweißanlage modifiziert, um ein neues, schichtweise arbeitendes Verfahren zu realisieren.

IWB-Mitarbeiter Markus Kahnert gab während der Veranstaltung einen Überblick über Stand und Zukunft der Rapid-Technologien. Interessantes war vor allem für die Werkzeug- und Formenbauer dabei, die mit dem Rapid Tooling ihren ganz speziellen Bereich innerhalb des Rapid Manufacturing besitzen. Ecomold nennt sich etwa eine innovative Prozesskette, die sich zu Nutze macht, dass nicht immer die ganze Form neu gebaut werden muss. Selbst komplexe Werkzeuge bestehen nicht ausschließlich aus Bereichen mit schwer zu fertigenden Kavitäten oder Hinterschnitten.

Zerlegt man also das Werkzeug in verschiedene Module und definiert standardisierte Grundgeometrien, lassen sich Werkzeuge deutlich schneller aufbauen. Für die formbestimmenden komplexen Geometrien lässt sich dann das Lasersintern gut verwenden.

Ein weiteres Verfahren für das Rapid Tooling ist das Metal Laminated Tooling (Melato). Hier werden 2D-Schnittkonturen aus Metallplatten oder Blechen ausgeschnitten und zusammengesetzt. Oft genügt es, die Bleche nur zu verspannen. Mehrere Vorteile ergeben sich daraus: