GreenWAAM: Nachhaltiger digitaler 3D-Druckprozess

Die Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, kurz AM, früher auch Generative Fertigung) ist ein innovatives Fertigungsverfahren, bei dem Bauteile mittels 3D-Druck schichtweise aufgebaut werden. Als Ausgangsmaterial dienen Kunstharze (beispielsweise Resin), Kunststoffe, Keramiken oder Metalle. Letztere müssen für die industrielle Produktion zunächst in Pulver- oder Drahtform gebracht werden. Im 3D-Druck häufig eingesetzte Metalle sind unter anderem Aluminium, Kobalt-Chrom, Edelstahl, Kupfer, Stahl oder Titan.

Die Additive Fertigung bietet gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren einige Vorteile. Insbesondere ist sie in der Regel emissionsärmer, weil für die Produktion weniger Material und Energie aufgewendet werden müssen. Auch produziert sie weniger Ausschuss, weil im Gegensatz zu spanenden Verfahren nichts oder nur wenig vom Ausgangsmaterial abgetragen werden muss. Im Falle von Titan führt das zusätzlich zu einem einfacheren Recycling, da die Späne nach einer Kontamination mit Sauerstoff nicht ohne Weiteres in den Materialkreislauf zurückgeführt werden können.

Durch die Aufschichtung von Material können Additive Fertigungsverfahren auch besonders große oder hohle Strukturen produzieren, die sich durch ein ideales Verhältnis von Gewicht und Festigkeit auszeichnen. Innerhalb eines Bauteils wird außerdem erprobt, unterschiedliche Werkstoffe zu kombinieren, um verschiedene Funktionen (beispielsweise Wärmeleitfähigkeit und Härte) miteinander zu verbinden. Zusätzlich möglich ist die Integration und Verkapselung von Sensoren wie RFID-Tags in Werkstücken, die dadurch ideal vor äußeren Einflüssen geschützt werden.

3D-Druck kommt in der Industrie heute sowohl in der Prototypenfertigung und Parallelproduktion als auch in der Herstellung von Einzelstücken oder Kleinserien zum Einsatz. In der Serienfertigung wird das Verfahren auch zur Produktion von Bauteilen mit besonderen Anforderungen an Funktionen oder Geometrie angewandt.

Wire Arc Additive Manufacturing (kurz WAAM) ist ein Verfahren der Additiven Fertigung und zählt zur Kategorie der DED-Prozesse (Directed Energy Deposition, deutsch etwa “gerichtete Energieabscheidung”). WAAM basiert technologisch auf dem Lichtbogenschweißen und verdankt diesem auch seinen Namen: Ein Metalldraht (Wire) wird mithilfe eines Lichtbogens (Arc) abgeschmolzen und von einem Roboter auf einer Grundplatte aufgeschichtet. Anders als beim Lichtbogenschweißen jedoch nicht als einzelne Schweißnaht zum Fügen von Bauteilen, sondern schichtweise zur Herstellung komplexer dreidimensionaler Strukturen.

Verschiedene Schweißtechniken können im WAAM-Verfahren eingesetzt werden:

• Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) und Metall-Aktivgas-Schweißen (MAG)
• Wolfram-Inertgasschweißen (WIG/TIG)
• Plasma-Lichtbogenschweißen (Plasma arc welding, PAW)
• Cold metal transfer (CMT)

Ausgangspunkt ist das 3D-CAD-Modell des Bauteils, das die Zielgeometrie festlegt. Mithilfe geeigneter CAM-Software wird daraus ein Bahnprogramm generiert, das die optimalen Bewegungs- und Prozessparameter für den Roboter beziehungsweise die WAAM-Anlage definiert. Gefertigt werden in der Regel „Near Net Shape“-Rohlinge, die für die Erreichung der Endmaße und Oberflächenqualitäten nachbearbeitet werden.

Gegenüber anderen Formen der Additiven Fertigung bietet WAAM einen deutlich schnelleren Materialauftrag (mehrere hundert Kubikzentimeter pro Stunde). Dieser ermöglicht hohe Aufbauraten und die zügige Herstellung auch großvolumiger Bauteile. Weil anders als bei pulverbasierten Verfahren außerdem keine limitierenden Baukammern genutzt werden müssen, wird die Größe von Werkstücken lediglich durch die Reichweite des Roboters begrenzt. In der Vergangenheit konnte dadurch beispielsweise eine Fußgängerbrücke im WAAM-Verfahren hergestellt werden.

Die Anlaufkosten sind dabei vergleichsweise niedrig, weil keine Spezialanlagen wie beispielsweise Vakuumkammern benötigt werden. Auch der verwendete Schweißdraht ist in der Regel deutlich günstiger als granuliertes Metallpulver und noch dazu besser verfügbar. Eine Vielzahl metallischer Werkstoffe liegt in Form von Draht vor und kann im WAAM-Verfahren genutzt werden.

Im Gegensatz zu Metallpulver, das wegen feiner Staubpartikel ein Gesundheitsrisiko für Werker darstellt und besondere Logistik erfordert, sind die Werkstoffe für diesen 3D-Druckprozess einfacher zu lagern und zu verarbeiten. Die Anlagentechnik einer WAAM-Zelle ist zudem deutlich weniger komplex und kommt ohne die beim Laserschmelzen oftmals erforderliche Vakuumtechnik aus.

Ein wesentlicher Nachteil des WAAM-Verfahrens ist die im Vergleich zu pulverbasierten Verfahren geringere Präzision. Dadurch sind Bauteile aus WAAM in der Regel „endkonturnahe“-Rohlinge, die aufgrund ihrer häufig raueren und ungleichmäßigeren Oberflächen eine Nachbearbeitung durch Abschleifen, Fräsen oder Polieren erfordern.

Darüber hinaus entstehen im WAAM-Prozess Aufwände durch die sorgfältige Planung der Schweißbahnen (Bahnplanung), das Einstellen der Fertigungsparameter, die Sicherung der Qualität während der Fertigung sowie die anschließende Dokumentation. Das setzt erfahrene Bediener voraus, die sowohl im Schweißen als auch im Programmieren geschult sind und einen reibungslosen und reproduzierbaren Prozessablauf gewährleisten.

Um diese Einstiegshürden zu überwinden, empfehlen wir den Einsatz von Hard- und Softwarelösungen, die sich in der Praxis bewährt haben. Diese unterstützen Sie effektiv bei der Prozessplanung und -optimierung und stellen eine lückenlose Überwachung und Dokumentation der Fertigungsparameter sicher.