Schritt für Schritt entsteht im „Lasertec 30 SLM“ ein neues Bauteil. Steffen und Michael richten die nötigen Parameter dafür am Gerät ein, das durch die sogenannte Additive Fertigung aus dem Realität werden lässt, was die beiden vorher am Rechner digital modelliert haben. Das kann alles Mögliche sein: ob Flaschenöffner oder Miniaturschiffe, die das Team um Prof. Dr. Hilmar Apmann zu Demonstrationszwecken herstellt, oder echte Bauteile für Maschinen. Der Drucker tut dies passgenau und erstellt mit dem geschmolzenen Metallpulver schichtweise das gewünschte Produkt. „Metall-3D-Drucker sind seit circa zehn Jahren in der Industrie im Einsatz. Das Patent geht auf 1996 zurück“, erklärt Steffen. Er hat das Verfahren im Rahmen seiner Abschlussarbeit bei der Firma DMG Mori kennengelernt, die diese Drucker produziert, und im Anschluss mit Michael an der Beschaffung für das Labor auf dem Campus gearbeitet. Nun promovieren beide am Gerät. „Die Technik kann und muss weiterentwickelt werden.“
Der Metall-3D-Drucker erstellt Bauteile und Geometrien in allen möglichen Formen. Michael (l.) und Steffen schauen sich die Ergebnisse in einer Vitrine im N-Gebäude an. (Foto FH Münster/Frederik Tebbe)
Wenn der Drucker Bauteile anfertigt, deren Einzelteile in einem Winkel von 45 Grad abstehen, müssen zusätzlich sogenannte Stützstrukturen geschaffen werden, um die Stabilität zu gewährleisten und das Teil überhaupt produzieren zu können. „Die Oberfläche des Bauteils wird ab 45 Grad sehr rau und porös, weil die Wärme des Lasers nicht mehr vernünftig abfließen kann“, sagt Steffen. „Ich arbeite nun daran, diesen Winkel bei gleichbleibender Qualität zu verkleinern, ohne dass die Stützstrukturen nötig sind. Damit sparen wir Energie und Material.“ Denn optimal sei es, wenn nur da Materialien verwendet werden, wo sie für die Funktion der Bauteile auch benötigt werden. Die Stützstrukturen hingegen verschlechtern die Effizienz des 3D-Druckverfahrens. Deshalb analysiert der Ingenieur das Schmelzbild kleiner Proben und prüft wie die Laserparameter – etwa die Leistung, Geschwindigkeit, Richtung oder der Durchmesser – zur Produktion optimiert werden können.
Zu Demonstrationszwecken haben Steffen (l.) und Michael Flaschenöffner mit dem Metall-3D-Drucker produziert. Wegen des Pulvers, das beim Verfahren zum Einsatz kommt, arbeiten sie in Schutzanzügen – Schutzbrille und FFP3-Maske inklusive. (Fotos: FH Münster/Frederik Tebbe)
Mit den Parametern beschäftigt sich auch Michael in seiner Arbeit. Denn diese haben einen großen Einfluss auf die Qualität und mechanischen Eigenschaften der Endprodukte. „Viele Unternehmen entwickeln Parameter, die auf bestimmte Materialien am besten wirken“, erklärt er. Als Anwender könne man diese dann einkaufen und am eigenen Gerät anwenden. Seine These jedoch lautet: Es kommt nicht nur auf das Material, sondern auch auf die Form des Bauteils an. Läuft ein eher breites Teil nach unten hin etwa schmal zu, benötigt es zur optimalen Produktion andere Parameter als wenn es umgekehrt der Fall wäre – also von schmal zu breit laufen würde. Michael fertigt diese unterschiedlich geformten Bauteile deshalb unter Verwendung der gleichen Parameter an und untersucht sie anschließend auf ihre Dichte, macht eine Härteprüfung oder einen Zugversuch, um ihre Festigkeit zu prüfen.
Michael untersucht eine Probe. (Foto: FH Münster/Frederik Tebbe)
Der Metall-3D-Drucker erweitert die Forschung und Lehre an unserer Hochschule in der additiven Fertigung von Metallbauteilen sowie im Leichtbau. Das Labor für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik verfügt außerdem über einen 3D-Scanner, um Modelle für den Drucker zu vermessen und über viele weitere Möglichkeiten zur Analyse. „Es gibt bei uns alles Mögliche für die additive Fertigung“, so Steffen.
Von Frederik Tebbe