Von der CAD-Datei zum fertigen Metallbauteil – Prozessschritte in der additiven Fertigung

Die additive Fertigung von Metallbauteilen hat sich in vielen Industriebereichen zu einer wichtigen Produktionstechnologie entwickelt. Besonders Verfahren wie das Selektive Laserschmelzen ermöglichen es, komplexe Bauteile direkt aus digitalen Konstruktionsdaten zu fertigen. Im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren sind dafür keine Werkzeuge oder Formen erforderlich. Stattdessen wird das Bauteil schichtweise aufgebaut.

Der Weg von der ersten digitalen Konstruktion bis zum fertigen Metallbauteil umfasst jedoch mehrere Prozessschritte. Jeder einzelne Schritt beeinflusst dabei die Qualität, die Wirtschaftlichkeit und die Funktionalität des späteren Bauteils.

Im Folgenden betrachten wir den gesamten Prozess der additiven Metallfertigung – von der CAD-Datei bis zum einsatzfertigen Bauteil.

Digitale Konstruktion des Bauteils

Der erste Schritt im additiven Fertigungsprozess beginnt mit der Konstruktion des Bauteils in einer CAD-Software. CAD steht für Computer Aided Design und beschreibt die digitale Entwicklung von Bauteilen oder Baugruppen.

In dieser Phase definieren Konstrukteure alle geometrischen Eigenschaften des Bauteils. Dazu gehören Maße, Formen, Bohrungen, Wandstärken und Funktionsflächen. Im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren können beim Metall-3D-Druck auch sehr komplexe Geometrien berücksichtigt werden.

Besonders wichtig ist in diesem Zusammenhang das sogenannte Design for Additive Manufacturing. Dabei wird das Bauteil gezielt für den 3D-Druck optimiert. Konstrukteure berücksichtigen beispielsweise minimale Wandstärken, Überhänge oder mögliche Stützstrukturen.

Durch eine gezielte Anpassung der Konstruktion lassen sich Materialeinsatz, Gewicht und Fertigungszeit häufig deutlich reduzieren.

Datenaufbereitung für den 3D-Druck

Nachdem das Bauteil konstruiert wurde, wird das CAD-Modell in ein druckfähiges Dateiformat umgewandelt. Häufig wird hierfür das STL-Format verwendet. Diese Datei beschreibt die Geometrie des Bauteils mithilfe vieler kleiner Dreiecksflächen.

Anschließend wird die Datei in eine spezielle Software für additive Fertigung importiert. Dort erfolgt die weitere Vorbereitung des Druckprozesses.

In dieser Phase werden mehrere wichtige Schritte durchgeführt. Dazu gehören die Ausrichtung des Bauteils im Bauraum, die Generierung von Stützstrukturen und die Aufteilung des Modells in einzelne Schichten.

Die richtige Bauteilorientierung spielt eine wichtige Rolle, da sie Einfluss auf Druckzeit, Oberflächenqualität und Stabilität während des Druckprozesses hat.

Bauteilorientierung im Bauraum

Die Positionierung des Bauteils innerhalb der Maschine ist ein entscheidender Faktor für den späteren Fertigungsprozess.

Je nach Ausrichtung können sich unterschiedliche Vorteile ergeben. Eine optimale Position kann beispielsweise die benötigten Stützstrukturen reduzieren oder die Oberflächenqualität bestimmter Bereiche verbessern.

Auch die Bauzeit kann durch eine geeignete Orientierung beeinflusst werden. Bauteile, die in der Höhe sehr groß sind, benötigen mehr Schichten und damit mehr Druckzeit.

Deshalb wird die Bauteilorientierung häufig sorgfältig analysiert und optimiert.

Erzeugung von Stützstrukturen

Viele Bauteile im Metall-3D-Druck besitzen Überhänge oder komplexe Geometrien. Während des Druckprozesses benötigen diese Bereiche zusätzliche Stabilität.

Hier kommen sogenannte Stützstrukturen zum Einsatz. Diese werden automatisch von der Software generiert und während des Druckprozesses ebenfalls aus Metall aufgebaut.

Stützstrukturen erfüllen mehrere wichtige Funktionen. Sie stabilisieren überhängende Bereiche, leiten Wärme aus dem Bauteil ab und verankern das Bauteil auf der Bauplattform.

Nach dem Druckprozess werden diese Strukturen wieder entfernt.

Slicing des Bauteils

Bevor der eigentliche Druckprozess beginnen kann, wird das Bauteil in viele dünne Schichten zerlegt. Dieser Vorgang wird als Slicing bezeichnet.

Die Software berechnet dabei die einzelnen Querschnitte des Bauteils. Jede dieser Schichten entspricht später einer einzelnen Belichtung im Druckprozess.

Je nach Maschine und Anwendung liegt die Schichtdicke häufig zwischen etwa 20 und 60 Mikrometern. Je dünner die Schichten sind, desto höher ist in der Regel die Detailgenauigkeit.

Allerdings verlängert sich dadurch auch die Druckzeit.

Vorbereitung der Druckanlage

Nachdem die Druckdaten vorbereitet wurden, beginnt die Vorbereitung der eigentlichen Fertigungsanlage.

Metall-3D-Druckanlagen arbeiten meist mit einem Pulverbettverfahren. In der Maschine befindet sich daher ein Vorratsbehälter für das Metallpulver sowie eine Bauplattform, auf der das Bauteil entsteht.

Das Metallpulver besitzt eine sehr feine Körnung und eine exakt definierte Materialzusammensetzung. Typische Materialien sind beispielsweise Aluminium, Edelstahl, Titan oder Nickellegierungen.

Bevor der Druck startet, wird der Bauraum mit Schutzgas gefüllt. Diese Schutzgasatmosphäre verhindert eine Oxidation des geschmolzenen Metalls während des Druckprozesses.

Auftragen der ersten Pulverschicht

Der eigentliche Fertigungsprozess beginnt mit dem Auftragen einer dünnen Schicht Metallpulver auf die Bauplattform.

Ein mechanischer Beschichter, der sogenannte Recoater, verteilt das Pulver gleichmäßig über die gesamte Baufläche. Die Schichtdicke ist dabei sehr gering und liegt meist nur im Bereich weniger Mikrometer.

Eine gleichmäßige Pulverschicht ist entscheidend für die Qualität des späteren Bauteils.

Laserschmelzen der Bauteilschicht

Sobald die Pulverschicht aufgetragen wurde, beginnt der Laser mit der Belichtung der ersten Bauteilschicht.

Der Laser fährt exakt die Konturen ab, die zuvor aus den CAD-Daten berechnet wurden. Dabei wird das Metallpulver lokal aufgeschmolzen und verbindet sich mit dem darunterliegenden Material.

Das geschmolzene Metall erstarrt innerhalb kürzester Zeit und bildet eine feste metallische Struktur.

Dieser Prozess wird als Laserschmelzen bezeichnet und bildet die Grundlage des additiven Fertigungsverfahrens.

Schichtweiser Aufbau des Bauteils

Nachdem eine Schicht vollständig geschmolzen wurde, wird die Bauplattform minimal abgesenkt. Anschließend trägt der Recoater eine neue Pulverschicht auf.

Der Laser beginnt danach erneut damit, die nächste Bauteilebene zu schmelzen.

Dieser Zyklus wiederholt sich viele hundert oder sogar tausende Male. Schritt für Schritt entsteht so das vollständige Bauteil.

Der gesamte Druckprozess kann je nach Bauteilgröße mehrere Stunden oder sogar mehrere Tage dauern.

Abkühlphase nach dem Druckprozess

Nach Abschluss des Druckprozesses muss das Bauteil zunächst kontrolliert abkühlen.

Während des Drucks entstehen hohe Temperaturen und Temperaturunterschiede. Diese können zu inneren Spannungen im Material führen.

Eine kontrollierte Abkühlphase hilft dabei, diese Spannungen zu reduzieren und Materialverzug zu vermeiden.

Erst danach kann der Bauraum geöffnet und das Bauteil entnommen werden.

Entnahme und Pulverrückgewinnung

Nach dem Öffnen der Maschine wird die Bauplattform mit dem fertigen Bauteil entnommen.

Das Bauteil ist in der Regel noch von losem Metallpulver umgeben. Dieses Pulver wird entfernt und kann häufig nach einer Siebung erneut verwendet werden.

Die Wiederverwendung des Pulvers trägt dazu bei, den Materialverbrauch im Metall-3D-Druck effizient zu gestalten.

Entfernung der Stützstrukturen

Im nächsten Schritt werden die zuvor erzeugten Stützstrukturen entfernt.

Je nach Bauteil erfolgt dies mechanisch oder mithilfe von Werkzeugmaschinen. Dieser Schritt ist notwendig, um die endgültige Bauteilgeometrie freizulegen.

Die Gestaltung der Stützstrukturen während der Datenvorbereitung beeinflusst daher auch den Aufwand der Nachbearbeitung.

Wärmebehandlung des Bauteils

Viele additiv gefertigte Metallbauteile werden anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen.

Dabei werden innere Spannungen reduziert und die Materialeigenschaften verbessert. Je nach Material können verschiedene Wärmebehandlungsverfahren eingesetzt werden.

Dieser Schritt trägt dazu bei, die mechanische Stabilität und Dauerfestigkeit des Bauteils zu erhöhen.

Mechanische Nachbearbeitung

Für präzise Funktionsflächen oder enge Toleranzen ist häufig eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich.

Hier kommen klassische Fertigungsverfahren wie CNC-Fräsen oder Drehen zum Einsatz. Besonders Passungen, Gewinde oder Dichtflächen werden häufig nachbearbeitet.

Die Kombination aus additiver Fertigung und klassischer Zerspanung ermöglicht eine sehr hohe Bauteilqualität.

Oberflächenbearbeitung

Je nach Anwendung kann zusätzlich eine Oberflächenbehandlung durchgeführt werden.

Typische Verfahren sind beispielsweise Strahlen, Schleifen oder Polieren. Diese Schritte verbessern die Oberflächenqualität und können auch funktionale Eigenschaften beeinflussen.

In manchen Anwendungen ist eine sehr glatte Oberfläche notwendig, etwa bei Strömungskomponenten oder medizinischen Implantaten.

Qualitätskontrolle und Prüfung

Bevor ein Bauteil in der Praxis eingesetzt wird, erfolgt in vielen Fällen eine Qualitätsprüfung.

Dabei werden beispielsweise Maße, Materialeigenschaften oder Oberflächen überprüft. Je nach Anwendung können auch zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt werden.

Diese Qualitätssicherung stellt sicher, dass das Bauteil alle technischen Anforderungen erfüllt.

Fazit

Der Weg von der CAD-Datei zum fertigen Metallbauteil umfasst viele einzelne Prozessschritte. Jeder dieser Schritte trägt dazu bei, dass das Bauteil am Ende die gewünschten Eigenschaften besitzt.

Von der digitalen Konstruktion über die Datenaufbereitung und den eigentlichen Druckprozess bis hin zur Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle bildet die additive Fertigung eine komplexe, aber äußerst leistungsfähige Produktionskette.

Unternehmen, die diese Prozesse optimal aufeinander abstimmen, können die Vorteile des Metall-3D-Drucks voll ausschöpfen und innovative Bauteile effizient herstellen.