Auftragschweißen DED – mehr als nur aufbauen

Autor: Simone Käfer

Mit der Additiven Fertigung kann man nicht nur ganze Bauteile neu fertigen oder reparieren. Listemann will mit seiner Maschine von Beam neue Werkstofflegierungen während des Druckprozesses entwickeln und Oberflächen veredeln.

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Mit Auftragschweißen können nicht nur Teile additiv gefertigt werden. Auch für das Beschichten konventionell gefertigter Teile eignet sich das Verfahren
Mit Auftragschweißen können nicht nur Teile additiv gefertigt werden. Auch für das Beschichten konventionell gefertigter Teile eignet sich das Verfahren
(Bild: Beam)

Der französische Maschinenhersteller Beam und der liechtensteiner Dienstleister Listemann arbeiten daran, die Modulo 400 für den Werkzeug- und Formenbau weiterzuentwickeln. Die Modulo 400 ist eine 5-Achs-Maschine, die im DED-Verfahren arbeitet. DED steht für direkted energy deposition und zählt zu den Auftragschweißverfahren. Beim DED-Verfahren wird zumeist von einem Laser ein Schmelzbad erzeugt, gleichzeitig wird Metallpulver oder Draht zugeführt und aufgeschmolzen. Die Modulo 400 arbeitet mit Pulver, das über einen Pulverförderer zur Auftragsdüse gelangt. Als Förderer setzt Beam die zweite Generation seiner Medicoat Vibrations Feeder ein, die beide selbstentwickelten Auftragsdüsen beliefern. Die fünf simultan verfahrenden Achsen sorgen dafür, dass Bauteile während des Prozesses aus vielen verschiedenen Winkeln aufgebaut werden können.

Listemann hat sich auf die Optimierung und Kombination von Materialien spezialisiert, mit denen sie Oberflächen von Produkten ihrer Kunden veredeln. Dafür ist das DED-Verfahren im allgemein und die Modulo 400 im Besonderen geeignet. Denn mit der Modulo 400 können Anwender neue Legierungen selbst entwickeln. „Wir können mehrere Pulverförderer nehmen, diese Pulver mit unterschiedlichen Zusammensetzungen mischen, dem Prozess zuführen und so maßgeschneiderte Werkstoffe oder Übergänge von Werkstoff A zu Werkstoff B erzeugen“, so Dr. Manfred Boretius, CEO der Listemann Gruppe. Die Pulver kommen im Laserkopf zusammen und werden im Laserstrahl mit dem Bauteil verschmolzen.

Qualität relativiert den Preis

Zuvor muss die Maschine jedoch gekauft werden – für etwa den dreifachen Preis einer modernen 5-Achs-Fräsmaschine. Jörg Oster, Account Manager Deutschland und Österreich von Beam relativiert die folgenden Kosten: Da die Korngrößen der Metallpulver bei 45 bis 100 µm liegen, sind sie meistens etwas günstiger als bei Pulverbett-Verfahren und auch nicht so Lungendurchgängig, was die Sicherheit der Mitarbeiter erhöht. Auch Boretius sieht den hohen Invest gelassen: „Wenn ich ein günstiges Grundmaterial mit einem hochwertigen beschichte und damit eine 10-fache Standzeit erreiche, dann hat sich das sehr schnell amortisiert.“ Hinzu kommt, dass die Schichtdicken hier nicht bei wenigen µm wie im Werkzeugbau üblich, sondern bei 1 bis 10 mm liegen. „Wenn wir eine 3 mm starke Beschichtung aufbauen, kann der Kunde drei Mal abschleifen ohne eine neue Beschichtung auftragen zu müssen“, fügt Oster an. Außerdem will das Liechtensteiner Unternehmen nicht in den Massenmarkt. Sie fokussieren sich auf Nischen und wollen Kunden bedienen, bei denen es um gezieltes Werkstoffdesign, höchste Qualität und innovative Werkstofflösungen geht.

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Datenblatt
Die Modulo 400
  • 5-Achsen
  • Bauraum: 600 mm × 400 mm × 400 mm (X,Y,Z)
  • Steuerung: Siemens 840D
  • Automatischer Düsenwechsler
  • Laser: 500 W oder 2000 W
  • Pulverförderer für zwei bis vier Behälter mit je 2,5 l
  • Monitoringsystem: zeichnet alle Parameterdaten auf und meldet Abweichungen
  • Filter: Closed-loop-Filtration mit verbesserter Absaugung
  • Optionale Inertgas-Atmosphäre: <40 ppm Sauerstoff und <50 ppm Wasserstoff

Im September 2021 wird die neue Version der Modulo 400 an Listemann geliefert. Das Unternehmen will sich erst mit der Maschine vertraut machen und ein fundiertes Know-how aufbauen, bevor sie die ersten Kundenaufträge annehmen. „Als Dienstleister müssen wir die Maschine und den Prozess 100-prozentig beherrschen und damit einwandfreie Ergebnisse erzielen, bevor wir an den Markt treten“, so Boretius. Er schätzt, dass sie Mitte 2022 das Beschichten voll eingeführt haben. Für komplexere Anwendungen nehmen sie sich mehr Lernzeit heraus. Ganz neu ist Listemann in der Additiven Fertigung nicht. Doch bisher hat nur die Tochter IQTemp Erfahrungen im Pulverbettverfahren selektives Laserschmelzen (SLM) gesammelt.

Die Modulo 400 ist eine 5-Achs-Maschine und verarbeitet Metallpulver mit Korngrößen von 45 bis 100 µm.
Die Modulo 400 ist eine 5-Achs-Maschine und verarbeitet Metallpulver mit Korngrößen von 45 bis 100 µm.
(Bild: Beam)

Vorsicht beim Programmieren, hier wird aufgebaut!

Das wirklich neue für Listemann sind die fünf Achsen.„Wir müssen Kompetenzen für die Konstruktion im DED-Verfahren und in der Programmierung einer 5-Achs-Maschine aufbauen“, so Boretius. Die Konstruktion für additive Bauteile übernimmt vorerst IQTemp. Aber eine solche Maschine zu programmieren, darin hat Listemann noch keine Erfahrung. „Für Maschinenbediener, die NC-Programme einer 5-Achs-Fräse programmieren, ist es kaum ein Unterschied“, versichert Oster. Denn der Aufbau der Modulo 400 entspricht dem einer Standard-5-Achs- oder Gantry-Maschine. „Aber Vorsicht“, wirft Oster ein, „hier wird nicht Material entfernt, sondern aufgebaut!“ Deswegen kann mit fortschreitendem Bauprozess plötzlich das Bauteil im Weg sein. Darauf muss der Programmierende achten. „Eigentlich muss man nur die Vorzeichen tauschen. Dort, wo man beim Fräsen ein Minus-Zeichen setzt, steht beim DED ein Plus“, relativiert Oster die Schwierigkeit.

Speziell für den Werkzeug- und Formenbau ist Beam dabei vier universell einsetzbare Edel- und Werkzeugstähle zu entwickeln, weitere sind in Planung. Jeder soll das passende Material für seine Anwendungen finden. „Wahrscheinlich wird es nicht exakt der Werkstoff, den man in konventionellen Verfahren verwendet, denn es ist sehr schwer diese als Pulver für die Additive Fertigung aufzubereiten“, erklärt Oster, „aber ein passendes Pendant wird es geben.“ Die Werkstoffe sollen in den Härten von hart bis zäh verfügbar sein.

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Materialübergänge verbessern Werkzeuge

Mit dem DED-Verfahren können auch Materialübergänge gedruckt werden. Diese sind beispielsweise bei Schneidstempeln sinnvoll. Denn sie sollten an der Schneide hart sein, damit sie gut durch das zu bearbeitende Material kommen und nicht schon nach 1.000 Zyklen verschlissen sind. Macht man einen Schneidstempel aber so hart, dass der Verschleiß gering ist, besteht die Gefahr, dass er bricht. Also wird derzeit mit einem Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit gearbeitet. „Mit DED können wir ein Material weich oder zäh aufbauen – vielleicht auch noch stoßdämpfend – und für die letzten 5 oder 10 mm an der Spitze ein ultrahartes Material verwenden. So verlängert sich die Standzeit der Werkzeuge in der Produktion deutlich“, so Oster. Doch was passiert mit dem Restpulver? Laut Oster gibt es nur wenig Restpulver, denn das Material wird direkt auf die entsprechende Verarbeitungsstelle aufgetragen und nicht über eine größere Fläche verteilt.

Nach dem Druckprozess durchläuft ein additiv gefertigtes Bauteil oft mehrer Nachbearbeitungsschritte. Bis auf die Wärmebehandlung ist bei Listemann das Postprocessing ausgelagert. So hat sein Kunde die Wahl, ob er das beschichte Teil selbst nachbearbeiten will oder einem Partner von Listemann anvertraut. Oster merkt dazu an, dass durch die 5-Achs-Bewegung beim Aufbau Stützstrukturen zumeist nicht benötigt werden. Es handelt sich außerdem um einen Prozess im near net shape. Das bedeutet, dass die Bauteile direkt aus dem Drucker in Geometrie und Kontur bereits sehr nah am Endmaß des gewünschten Teils sind.

Potenzielle Kunden von Beam, die sich nicht gleich eine Maschine kaufen wollen, können bei Listemann Teile in Auftrag geben und sich so von der Qualität überzeugen lassen.

Dieser Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt.

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung