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Vom Prototypenbau zur Großserie

Die Additive Fertigung (Additive Manufacturing – AM) wird großserientauglich: Neue Verfahren wie Cold Metal Fusion ermöglichen es, Millionen Stückzahlen eines Bauteils schnell, effizient und in konstant hoher Qualität zu fertigen.



Bei additiven Bauteilen, die im Prozess des Cold Metal Fusion (CMF) entstehen, werden verschiedene Metalllegierungen und Kunststoffpolymer auf intelligente Weise miteinander kombiniert und verarbeitet. Im AM-Prozess wird dazu zunächst jedes Korn des Metallpulvers mit einem Kunststoff überzogen. „Anschließend wird das Metallpulver im Schichtbauverfahren verarbeitet. Das Polymer wird lediglich punktuell aufgeschmolzen, sodass sich die Polymerketten miteinander verbinden“, erläutert M.Sc. Nel Zierhut, einer der Seminarleiter im Zertifikatslehrgang Fachingenieur Additive Fertigung VDI. Das Resultat sind sogenannte Grünlinge, also vorgesinterte Bauteile. Ein Vorteil des CMF-Grünlings im Vergleich zu Grünlingen anderer Verfahren ist seine hohe Stabilität, die das weitere Handling erheblich vereinfacht.

Vom Grünling zum Braunling

Im nächsten Prozessschritt werden die Grünlinge mit Druckluft oder Wasserstrahl von überschüssigem Pulver befreit und anschließend chemisch mit einem Acetonbad vom Polymer getrennt. Das führt zum Braunling, einem metallischen Grundkörper, aus dem beim anschließenden Sintern im Ofen ein vollwertiges Metallbauteil entsteht. Abschließend kann es noch verschiedenste übliche Verarbeitungsschritte wie Fräsen oder Zerspanen durchlaufen. „Bei Cold Metal Fusion ist AM vorgeschaltet für den Formgebungsprozess, daran schließen sich konventionelle Verfahren an – das macht es so großserientauglich, kosteneffizient und zuverlässig“, erläutert Zierhut weiter: „Es werden keinerlei Werkzeuge oder eine formgebende Geometrie benötigt.“

Kostengünstige und schnelle Fertigung

Ein weiterer Vorteil: CMF ist für eine Vielzahl von Metalllegierungen geeignet. Aktuell erfolgen zahlreiche Fertigungsprozesse mit Titan, aber auch verschiedene Edelstahl-Qualitäten eignen sich sehr gut. Magnesium befindet sich in der intensiven Erprobung. „Die einfache Prozesskette ermöglicht es, vergleichsweise günstig hohe Stückzahlen in konstant hoher Qualität zu fertigen“, erklärt Zierhut weiter: „Die indirekte Fertigungstechnologie ist für die Losgröße 1 ebenso gut geeignet ist für eine Serienfertigung mit mehreren Millionen Stückzahlen. Durch die damit verbundenen Skalierungseffekte potenzieren sich die Vorteile bei größeren Auflagen natürlich.“

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Komplexe Bauformen realisieren

Die Headmade Materials GmbH aus dem bayerischen Unterpleichfeld hat CMF vor rund drei Jahren entwickelt. Inzwischen entwächst das Verfahren den Kinderschuhen und findet zunehmend in Serienfertigungen Anwendung: Dazu gehören beispielsweise Fahrradrahmen, bei denen sich damit sehr schnell und effizient Designiterationen realisieren lassen. Zudem ermöglicht das Verfahren komplexe Bauformen, die auf anderem Weg kaum noch herstellbar sind. Zu den Voraussetzungen zählt wegen des Sinterns eine gewisse Wandstärke des Bauteils. Zudem ist im Vorfeld zu prüfen, ob das Design des Bauteils ein Sintern erlaubt oder ob zuvor noch Anpassungen an der Bauform notwendig sind. Ein Vorteil in diesem Zusammenhang: Die Randbedingungen für den Sinterprozess sind bei vielen Ingenieuren bereits ein fester Bestandteil der Ausbildung.

Neue Perspektiven mit Multilasersystemen

In den kommenden Jahren sieht Nel Zierhut somit für innovative AM-Verfahren wie Cold Metal Fusion erhebliche Potenziale. „Sehr gute Perspektiven ergeben sich dabei in Verbindung mit Multilasersystemen wie LaserProFusion, bei denen gleichzeitig eine hohe Zahl von Bauteilen beschichtet und belichtet werden kann. Das schnelle Verarbeitungstempo mit außerordentlich hohem Output ermöglicht sehr wirtschaftliche Prozesse und bringt Additive Manufacturing endgültig in die Serienproduktion.“

AM benötigt eine ganzheitliche Sichtweise

Damit verbinden sich naturgemäß auch attraktive Chancen für Spezialisten mit umfassendem Fachwissen. „Die Kombination aus Design, Materialwissenschaften und Fertigungstechnologie ist der Schlüssel, um mit AM erfolgreich zu sein“, unterstreicht Zierhut: „Diese ganzheitliche Sichtweise wollen wir deshalb im VDI-Zertifikatslehrgang fördern.“ Nel Zierhut leitet hier das Pflichtmodul 1 „Additive Fertigungsverfahren – Metall“, das sich mit unterschiedlichen Technologien und Verfahren zur Herstellung metallischer Bauteile befasst. Da die Teilnehmenden aus verschiedensten Branchen kommen, ist ein intensiver Austausch mit unterschiedlichen Blickweisen garantiert.

Zur Person

M.Sc. Nel Zierhut ist seit 2019 Director of Operations der AM Global Holding GmbH sowie der 3T AM ltd. Zuvor war er als Application Engineer mit dem Schwerpunkt der Operational Excellence über die AM Ventures Holding GmbH bei 3T-AM in Newbury, England tätig. Von 2016 bis 2018 hat Herr Zierhut bei EOS Electro Optical Systems gearbeitet und als Consultant für die Additive Fertigung Kunden in den Bereichen Konstruktion, Prozessentwicklung und -Qualifizierung und Facility Layout Planning in diversen Branchen unterstützt. Zusätzlich zu seiner beratenden Tätigkeit hat Zierhut in seiner Zeit bei EOS das Innovation Center in Düsseldorf aufgebaut und gestaltet. Nach seinem Studium des Product Engineering an der Universität Duisburg-Essen war Zierhut von 2014 bis 2016 maßgeblich am Aufbau eines erfolgreichen Dienstleisters der Additiven Fertigung mit dem Schwerpunkt Selective Laser Melting beteiligt.

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