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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

3D-Druck

Tanz der Laserstrahlen

Wenn der Laserstrahl auf das Pulverbett auftrifft entstehen sehr hohe Temperaturen – und gleißendes Licht.

3D-Drucker kommen in der Fertigung an. Sie revolutionieren die Ersatzteilversorgung und machen völlig neuartige Designs für wichtige Bauteile möglich.

Immer wieder zucken orangerote Blitze auf, kommen näher, ziehen Schleifen und entfernen sich. Olaf Rehme von Siemens Corporate Technology beobachtet das scheinbar chaotische Spiel der Funken, das sich hinter der Glasscheibe eines 3D-Druckers abspielt. Ein Laserstrahl zieht dort seine Bahn, zeichnet in einem Bett aus Metallpulver den Querschnitt eines Bauteils nach. Dabei verschweißt er die feinen Metallpartikel. Eine Plattform, auf der das entstehende Bauteil liegt, senkt sich, eine 0,05 Millimeter dünne Schicht an frischem Pulver wird darüber ausgestrichen. Der Laserstrahl beginnt seinen Tanz aufs Neue. Schicht um Schicht wächst aus dem Umriss im grauschwarzen Pulverbett eine dreidimensionale Struktur. Schablone ist ein 3D-Modell aus dem Computer, das dem Laserstrahl seinen Weg vorschreibt.

Schicht für Schicht

Wo bisher geschmiedet, gefräst oder gegossen wurde, kommt immer häufiger der Laser zum Einsatz. Lage für Lage wird beim sogenannten Laserstrahlschmelzen ein Gegenstand erzeugt. 3D-Druck gibt es seit den 80er-Jahren. Ursprünglich wurden dafür nur schnell aushärtende Kunststoffe verwendet. Perfekt, um Prototypen von Teilen herzustellen, die später von klassischen Stanz- oder Spritzgussmaschinen in Masse produziert werden sollen.

90 Prozent Zeitersparnis

„Doch die Welt hat sich weitergedreht“, sagt Rehme. „Inzwischen werden nicht mehr nur die Modelle und Formen für einzelne Teile hergestellt – sondern die Teile selbst. Bei Siemens drucken wir inzwischen sogar Brennerspitzen als Ersatzteile für Gasturbinen.“ Das neuartige Verfahren reduziert die Reparaturzeit bestimmter Modelle um rund 90 Prozent, da die Ersatz-Brennerspitze nicht mehr aufwändig mit Schweißverfahren aufgebaut werden muss. Stattdessen wird der neue Brennerkopf einfach direkt auf den Brennerrumpf aufgedruckt. Die Reparaturkosten sinken dabei erheblich.

Einzelne Teile im Inneren von Turbinen müssen sehr lange wartungsfrei laufen, die Schaufeln von Gasturbinen beispielsweise für 25.000 Stunden – und das bei Temperaturen um 1.300 Grad Celsius. Plastikteile wären da fehl am Platz. Sie würden sofort schmelzen. Siemens druckt deshalb mit Stahlpulver. „Für Hochtemperaturanwendungen in Turbinen verwenden wir Legierungen auf Nickelbasis. Solche Stähle sind besonders stabil und hitzebeständig“, sagt Rehme.

Nah beim Kunden

Das Beispiel mit den Brennerspitzen zeigt: 3D-Druck könnte die Ersatzteilversorgung revolutionieren. Heute werden Ersatzteile gelagert und bei Bedarf einzeln verschickt. Das kann im schlimmsten Fall bedeuten, dass ein Kraftwerk oder eine Fabrik abgeschaltet werden muss, bis das dringend benötigte Teil endlich kommt. „Künftig könnte ein Netzwerk von kleinen 3D-Druckereien Ersatzteile entsprechend eines digitalen Bauplans ausdrucken. Und zwar genau da, wo sie gebraucht werden: nahe beim Kunden“, erklärt Rehme.

Höhere Temperatur, höhere Effizienz

Außerdem ermöglicht 3D-Druck Formen, die mit anderen Produktionsverfahren schlicht nicht zu machen sind. Beispielsweise komplexe Geometrien für Bauteile, die das Gas-Luft-Gemisch optimal verwirbeln, um die Verbrennung zu verbessern. Oder die Schaufeln in der Expansionsturbine: „Im Inneren von Turbinenschaufeln gibt es filigrane Lüftungskanäle, die für Kühlung sorgen. Heute müssen diese Kanäle gebohrt oder gegossen werden. Doch genau dabei stoßen wir inzwischen an Grenzen. Wenn wir eine Turbinenschaufel aus einem Stück drucken könnten, ließe sie sich voraussichtlich besser kühlen“, so Rehme. Eine bessere Kühlung der Schaufel würde den Kühlluftverbrauch in der Turbine senken, und damit eine höhere Effizienz ermöglichen. Und effiziente Turbinen verkaufen sich gut.

Extreme Fliehkräfte

„Bis es so weit ist, müssen wir einige Fortschritte machen“, räumt Rehme ein und streicht mit einem Pinsel das feine Pulver von dem fertig gedruckten Bauteil. „Noch dauert es relativ lange, ein einzelnes Teil auszudrucken. Je nach Größe kann das ein paar Stunden oder sogar Tage dauern“, erklärt der Forscher. Zudem müssen er und seine Kollegen die verwendeten Materialien weiterentwickeln. Turbinenschaufeln müssen extremen Bedingungen Stand halten: Bei hoher Drehzahl bewegen sich ihre Spitzen schneller als eine Pistolenkugel. Die Zentrifugalkraft zerrt mit einer Gewalt, als würden 20 Autos an ihnen hängen. Gedruckte Metallteile sind bislang für Anwendungen unter derartigen Bedingungen noch nicht robust genug.

Die Fabriken von morgen werden also weiterhin schmieden, fräsen und gießen, insbesondere wenn es um Massenware geht – da zählen Produktionsgeschwindigkeit und niedrige Stückkosten. 3D-Druck wird die bestehenden Verfahren aber gut ergänzen. Bei Kleinserien, Einzelstücken oder ausgefallenen Formen sind 3D-Druck-Verfahren kaum zu schlagen. Und um sie noch ein wenig schneller zu machen, tanzen in den neuesten Drucker-Modellen inzwischen bis zu vier Laser gleichzeitig über das Bett aus Metallpulver.

Andreas Kleinschmidt