Laserschmelzen mit Metallen erobert industrielle Anwendungen

3D-Drucker stellen die Abkehr vom formgebundenen Denken dar. Komplexe geometrische Bauteile entstehen aus einem Bauteil. Das Laserschmelzen mit Metallen wird die industrielle Fertigungstechnik grundlegend verändern. Die Anwendungsfelder wachsen. Florian Bechmann, Entwicklungsleiter bei Concept Laser, erklärt in einem Interview die Trends und Prozesse der Technologie.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Was bedeutet die Technologie, mit der man Metalle mittels Lasern zu beliebigen Bauteilen zusammenschmelzen kann, für die Zukunft der Verarbeitungstechnik? Ist die Branche im Aufbruch?

 Dr. Florian Bechmann: Das ist so. Die industriellen Anwendungen explodieren förmlich. Laserschmelzen mit Metallen übt eine hohe Faszination auf die Bauteile der Zukunft aus. Wir als Technologieführer müssen diesen Marktprozess mit Innovationen begleiten. Bei komplexen Anlagen müssen wir ein intensives Zusammenspiel von Optik, Konstruktion, Labor, Steuerungstechnik und Software sicherstellen. In unserem neuen Entwicklungszentrum arbeiten meine Kollegen und ich an diskreten Innovationen, die nicht der breiten Öffentlichkeit gezeigt werden sollen. Bestimmte Branchen sind durchaus sensibel.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Welche Anwendungen meinen Sie damit. Vermutlich aus der Automobilindustrie …?

Dr. Florian Bechmann: Nicht nur. Impulssetzende Wegbereiter des Verfahrens sind die Automobilindustrie, die Medizintechnik, sowie die Luft- und Raumfahrt. Diese Technologietreiber stellen nicht nur hohe Ansprüche an die Qualität oder die Wahl der Materialien, sondern auch an quantitative Aspekte, wie die Steigerung der Produktivität. Diese Anwender fordern kürzere Bauzeiten bzw. mehr Teile in einem Bauraum. Für die Automobilindustrie entwickelten wir den derzeit größten Bauraum mit der X line 1000R. Der Übergang vom 400W-Laser zum 1.000W-Laser ist ein wichtiger Meilenstein des Verfahrens. Die Entwicklung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit den Laserspezialisten der Fraunhofer-Gesellschaft. Ziel war es, schnellere Prozesse, die auch noch kostengünstiger sind, zu realisieren. Die zeitsparende Motorenentwicklung moderner Fahrzeuge ist so eine Aufgabenstellung, die dahinter steckt.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Sie sprachen die Luft- und Raumfahrt an. Wie nutzt diese Industrie das Verfahren?

Dr. Florian Bechmann: Innovationen gehen verstärkt von der Luft- und Raumfahrt aus. Hier sind qualitativ hochwertige Lösungen gefragt. Der Einsatz von reaktiven Materialien wie Titan oder Aluminium-Legierungen, die nur im geschlossenen System sicher und hochwertig hergestellt werden können, ist hier sehr gefragt. Generell sind Anwender wie NASA, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Honeywell, Snecma, Aerojet/Rocketdyne oder Astrium Space Transportation aus der EADS-Gruppe überzeugt, dass sich das Verfahren zunehmend etabliert. Die NASA-Ingenieure denken sogar darüber nach, Bauteile auf der ISS, also im Orbit, additiv herzustellen (mehr dazu – hier). Das hätte den Vorteil, bei ausreichender Pulverbevorratung, mittels CAD-Daten Bauteile im Weltraum fertigen zu können.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Spielen die USA dabei eine Vorreiterrolle?

 Dr. Florian Bechmann: Für die USA muss man einen hohen Kapital- und Personaleinsatz feststellen. Die Ingenieure oder auch Studenten an den Hochschulen dort sind fasziniert von den Möglichkeiten des Laserschmelzens. Die Amerikaner gelten als kreativ oder auch fortschrittsgläubig und haben den nötigen „Drive“. Leider haben wir noch wenig Kontakt zur Luft- und Raumfahrtindustrie in China. Dort bleibt man derzeit außen vor. Aber das muss nicht heißen, dass dies so bleibt. Wir Europäer können unseren Beitrag aus Forschung und Maschinentechnik vor allem in den USA und in Europa einbringen. In Europa fördert die EU dieses Verfahren durch Projekte wie AMAZE, weil man von der Nachhaltigkeit und der Innovationskraft überzeugt ist.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Gibt es andere Branchen, die auf den Zug der Zeit aufspringen?

 Dr. Florian Bechmann: Natürlich. Die Optionen sind auch verlockend. Der Ansatz revolutioniert gerade beispielsweise die Medizintechnik: Althergebrachte Prozessketten denken komplett um. So sind LaserCUSING-Teile bei Implantaten gefragt, die mit porösen Oberflächen gut einwachsen, gleichzeitig aber auch die notwendige Elastizität erlauben. Eine aufstrebende Anwendung ist preisgünstiger und schnell herzustellender Zahnersatz aus biokompatiblen Werkstoffen. Hochpassfähige, langlebige Dentallösungen statt mühsam handwerklich hergestelltem Zahnersatz. Selbst im Retrofit kann das Verfahren punkten: So können verschlissene Turbinenteile schnell und kostengünstig regeneriert werden (mehr hier). Anwendungen sind die Kraftwerkstechnik oder der Flugzeugbau. Auf den Grundkörper können in exakt gleichem Material additiv Schichten als hybride Technik aufgebracht werden. Neben dem Regenerieren werden auch komplett neue Teile in der Turbinentechnik gefertigt. Mit dem LaserCUSING können auch Funktionen wie Kühlkanäle eingebettet werden. Die Bauteile werden so in der Leistung gesteigert. In der Offshore-Industrie gibt es Überlegungen, Laserschmelzanlagen auf Bohrplattformen zu installieren, um autark bestimmte Bauteile vor Ort zu produzieren. Die Technologie ist ortsungebunden und kann lokal ablaufen.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Eine der Fragen unserer Zeit ist die Umweltfreundlichkeit. Wie sehen die Umweltaspekte aus?

Dr. Florian Bechmann: Das Laserschmelzen ist ein Verfahren von hoher Nachhaltigkeit: Einerseits durch die lokale Fertigungsoption, die die Logistik reduziert, anderseits durch Materialersparnis während des Prozesses. Es gibt auch keine Öl- und Kühlmittel-Emissionen, wie heute noch oft in der Maschinentechnik zu finden. Selbst die Restwärme kann genutzt werden. Ein 1.000W-Laser gibt ca. 4kW Wärme ab, die in einem Wasser-Kühlkreislauf durch die Haustechnik genutzt werden können. Nicht umsonst wird das Laserschmelzen als grüne Technologie bezeichnet.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Werden 3D-Drucker bald auf den Schreibtischen stehen, so wie heute die Laserdrucker?

Dr. Florian Bechmann: Das additive Verfahren birgt diese Option. Um seriös zu bleiben: Wir sollten in konsumnahe und industrielle Applikationen unterscheiden. Der selbst hergestellte Legostein aus Kunststoff, also durch Lasersintern, wird bald realistisch sein. Das Materialspektrum und der Anwendungsbereich für jedermann sind jedoch sehr begrenzt. Ein Ersatzteil für einen Oldtimer oder für Autos generell ist sicherlich auch denkbar, wobei wir dabei schon bei industriellen Anwendungen angekommen wären. Wir bei Concept Laser beziehen uns immer auf rein industrielle Lösungen mit besonderen Qualitätsansprüchen und Materialwünschen bis hin zur Zertifizierung von Material und Prozess. Eine industrielle Lösung wird dann doch zu schwer für den Schreibtisch (lacht), hier bewegen wir uns im Produktionsumfeld gängiger metallverarbeitender Verfahren.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Welche Sicherheitsaspekte muss man bei der Anlagentechnik beachten?

 Dr. Florian Bechmann: Zweifellos sind die Qualitäts-Management-Module eine wichtige Speerspitze für uns und unsere Kunden. Dann wäre da noch die charakteristische Trennung von Bauraum und Handlings-Raum bei Concept Laser, da dies maximale Arbeitssicherheit und Ergonomie bietet. Auch unser automatisierter Pulvertransport in Containern ist praktisch. Ein Handling im geschlossenen System hat zahlreiche Vorteile. Es ist wichtig für die Sicherheit, aber auch zur Verhinderung von Kontaminierungen, etwa durch Sauerstoff. Sicherheit ist uns sehr wichtig. Die ATEX-Richtlinie der EU verfolgen wir sehr stringent. Erwähnen würde ich auch Schnittstellen zum Produktionsumfeld, z.B. die Kranzugänglichkeit für bis zu 80 kg schwere Bauplatten. Das ist für den Bediener angenehm. Manchmal sind auch Details interessant: Etwa der Filterwechsel bei reaktiven Prozessen wie Titan. Der verschmutzte Filter wird mit Wasser geflutet und der Inhalt anschließend sicher und umweltfreundlich entsorgt.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Welche Stoßrichtungen sehen Sie beim industriellen Laserschmelzen?

Dr. Florian Bechmann: Die Applikationen wachsen in die Breite und damit auch das Spektrum der Werkstoffe. Dies erfordert eine starke Beratungsleistung, die wir für den Markt erbringen müssen. An diese neuen Materialien muss die Anlage immer wieder ausgerichtet werden. Gleichzeitig wachsen die konstruktiven Anforderungen an Bauteile. Das reicht vom Leichtbau oder Quasi-Schaumstrukturen bis hin zu Funktionsintegration, wie Kühltechnik in Bauteilen. Dies ist für uns sehr spannend, da bestimmte Entwicklungen über die Branchengrenzen hinweg in der Multiplikation möglich werden. Ein anderer Aspekt ist die Zunahme der Bedeutung von Qualität in der Wahrnehmung von Anwendern. Die Kunden erwarten eine aktive Prozessüberwachung und Serientauglichkeit, d.h. Reproduzierbarkeit auf industriellem Niveau (mehr hier).

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Stichwort Qualitätsanforderungen. Was tut sich auf diesem Feld?

 Dr. Florian Bechmann: Aus Sicht der Kunden ist es das derzeit wohl wichtigste Feld. Der Kunde interessiert sich für Geometrie, Dichte, Produktivität und vor allem für Qualität. Zwei Ansätze sind hier zielführend: Aktive Prozessüberwachung durch die Maschinentechnik und Entwicklung auf der Materialseite. Dazu zählt das Zertifizieren von Materialien etwa in der Medizintechnik oder auch die herstellerspezifischen Vorschriften, wie man sie in der Automobilbranche oder der Luft- und Raumfahrt beachten muss.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Was bedeutet Qualität konkret für die Maschinentechnik?

Dr. Florian Bechmann: Vordergründig ist es das eingangs erwähnte Zusammenspiel von Optik, Mechanik, Steuerungstechnik und Software einer Anlage. Die Schlüsselfaktoren liegen jedoch in einer übergreifenden Qualitätsüberwachung. Aktive QS bedeutet kontrollieren, vergleichen, analysieren und auswerten von Prozessdaten in Echtzeit. Unsere patentierten Qualitäts-Management-Module („QM-Module“) entwickeln wir ständig weiter, um in puncto Aussagegüte, Bedienbarkeit, aber auch in der Einflussnahme auf den laufenden Bauprozess Maßstäbe zu setzen.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Wie müssen wir uns diese QM-Module vorstellen?

Dr. Florian Bechmann: Es gibt dazu zwei Ansätze: 1. QMmeltpool und 2. QMcoating. QMmeltpool bedeutet: Das System nimmt mit Hilfe von Kamera und Foto-Diode Signale während des Prozesses auf.  Diese Daten können im Anschluss mit einer Referenz verglichen werden. Das optische System ist koaxial aufgebaut. Es ermöglicht der Kamera, den Schmelzpool über eine sehr kleine Fläche von ca. 1x1mm² aufzunehmen. Sie schaut einfach ausgedrückt sehr genau hin. Leistungsreduktionen des Lasers, ausgelöst durch die Kontamination der F-Theta-Linse oder bedingt durch die natürliche Alterung des Lasers, aber auch Abweichungen des Dosierfaktors können hiermit erkannt werden. Der zweite Ansatz ist das QM-Modul QMcoating, es stellt sicher, dass die optimale Pulvermenge zum Einsatz kommt. Man spart unnötiges – bis zu 25 Prozent – Pulvermaterial und erzielt zudem kürzere Rüstzeiten. QMcoating kontrolliert die Schichtoberfläche während des Pulverauftrags. Bei zu geringer oder zu hoher Pulverdosierung wird der Dosierfaktor dementsprechend angepasst, also aktiv gegengesteuert. Die beiden QM-Module überwachen und dokumentieren den Prozess und stellen somit reproduzierbare Qualität sicher.

Deutsche Mittelstands Nachrichten: Mit welchen Entwicklungen ist zukünftig zu rechnen?

Dr. Florian Bechmann: Generell beim Mapping, also der „Landkarte des Bauteiles“. 2D-Mappings werden während des Bauprozesses generiert und sollten im Anschluss in 3D-Modellen dargestellt werden. Vergleichbar den Aufnahmen mit CT-Messungen, also Computer-Tomografie, wie wir sie aus der Medizintechnik kennen. Diese Darstellung bzw. Möglichkeit würde die Transparenz des Prozesses steigern und erfasst das Bauteil in seiner strukturellen Gesamtheit. Transparenz in einem hochdynamischen, schnellen Prozess, den der Bediener nur mit besonderen Hilfen meistern kann. Ein anderer Punkt ist die Geschwindigkeit beim Aufbau der Bauteile. Das steht ganz oben auf der Wunschliste der Kunden. Dazu gibt es zwei Wege: Einerseits höhere Laserleistung wie bei der X line 1000R, also der Sprung von 400W auf 1.000W-Laser, andererseits der Einsatz von mehreren Lasern. Mehrere Laserquellen können zukünftig die Bauteilrate deutlich erhöhen, wobei der Vorteil des Einsatzes bekannter Prozessparameter gegen die zunehmende Komplexität des optischen Aufbaus abzuwägen ist. In diesen Konzepten wird nämlich nicht nur der Laser, sondern auch ein Großteil der anderen optischen Komponenten multipliziert.

 Deutsche Mittelstands Nachrichten: Danke für dieses Gespräch.

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