Endlich heiß!

So wirkt die Vorheizung

Eigenspannungen und Verzug bei dem Metall-3D-Druck mit kohlenstoffhaltigen Stählen sind immer ein Thema, vor allem bei der Herstellung großer, hochvolumiger Bauteile. Insbesondere bei großen Sprüngen im Querschnitt der Geometrie (Volumensprüngen), treten starke Temperaturunterschiede und damit eine ungleichmäßige Wärmeabgabe auf. Dies führt zu thermisch induzierten Eigenspannungen im Bauteil: Es besteht die Gefahr, dass sich das Bauteil verzieht. Während des Metall-3D-Druck-Prozesses oder danach es sich delaminiert (sich also durch Wölbung oder Abheben von der Trägerplatte löst) und manchmal sogar Risse aufweist.

Ein wirksames Gegenmittel ist, die Oberseite der Substratplatte während des gesamten Bauprozesses auf einer Temperatur von 500 Grad Celsius zu halten. Durch die erhöhte Vorwärmtemperatur werden zum einen die thermischen Gradienten, also die Temperaturabfälle und -erhöhungen zum Beispiel an den Rändern, reduziert. Zum anderen wird die Streckgrenze gesenkt. Die Kombination dieser beiden Faktoren führt dazu, dass die Eigenspannungen bereits während der additiven Fertigung reduziert werden.

Studien haben gezeigt, dass die 500-Grad-Celsius-Vorwärmung in Metall-3D-Druck die Durchbiegung um 95 Prozent reduziert, verglichen mit dem derzeitigen Industriestandard von 200-Grad-Celsius-Vorwärmungen. Die geringere thermische Belastung erhöht damit die Geometriegenauigkeit und das hat positive Auswirkungen, sowohl vor als auch nach dem Druckprozess: In der Konstruktionsphase entfallen viele Stützstrukturen und Simulationsschritte, die bisher nötig waren, um Verformungen, Delaminationen und Risse zu verhindern. Das erhöht die Designfreiheit der Teile und reduziert in der Folge auch den Nachbearbeitungsaufwand, da weniger Stützen entfernt werden müssen.

Die Vorteile der 500-Grad-Celsius-Vorwärmung gelten für alle Teilegeometrien: Obwohl die Wärmeverteilung im Bauteil je nach Teilegeometrie unterschiedlich ist, konnte TRUMPF in Tests zeigen, dass die Hochtemperaturbearbeitung in allen Fällen die gleichen Auswirkungen hat. 

Anwendung im Werkzeug- und Formenbau

Die vielen Vorteile bei der Herstellung von Werkzeugen oder Formeinsätzen im Metall-3D-Druck sind weitgehend bekannt: Oft ist es das einzig mögliche Verfahren für solche Aufgaben, insbesondere um komplexe Kühlkanäle einzubauen, die die Kühleigenschaften der Werkzeuge und Formen verbessern. Doch bisher gab es ein Problem: Die Industrie bevorzugt Kohlenstoffstähle, weil sie verschleißfest und polierfähig sind. Wird H11/H13 mit einer Vorwärmung von 200 Grad Celsius bedruckt, wie es bisher üblich ist, bildet sich während der kurzen Abkühlphase harter und spröder Martensit. In der Folge bilden sich häufig Risse im Bauteil. Viele Bauteile aus H11/H13 ließen sich daher nur mit großem Aufwand und damit unrentabel drucken.

Die 500-Grad-Celsius-Vorwärmung hebt diese Einschränkung auf. Die höhere Grundtemperatur verlangsamt den Abkühlungsprozess, macht ihn sanfter und verhindert so die Bildung von unerwünschtem Martensit. Mikroskopische Untersuchungen zeigten, dass 3D-gedruckte H11/H13 -Bauteile eine Dichte von bis zu 99,99 Prozent aufweisen. Auch in der Festigkeit und Härte kommen sie konventionell hergestellten H11/H13 -Bauteilen nahe. Auch bei der Polierbarkeit gibt es keinen Unterschied.

Eine Vorwärmung von 500 Grad Celsius ermöglicht es nun, H11/H13 prozesssicher zu drucken und die Teile ohne große Probleme weiterzuverarbeiten.

Hohe Maschinenverfügbarkeit und Pulverrecycling

Höhere Vorwärmung bedeutet auch eine längere Kühlphase am Ende des Bauauftrags - je nach Volumen des Bauteils bis zu 20 Stunden. Ein geeignetes Gesamtkonzept kann jedoch verhindern, dass dies zu langen Maschinenstillständen führt. 

Bei der TruPrint 5000 setzt TRUMPF auf das bewährte Wechselzylinderprinzip, das bis zu 500 Grad Celsius fähig ist. Der additive Prozess findet in einem austauschbaren Bauzylinder statt. Ist der 3D-Druckprozess abgeschlossen, wird der Bauzylinder in eine separate Abkühlstation gefahren. Die Maschine kann sofort mit einem neuen Bauzylinder (und bei Bedarf mit einem vollen Pulvervorratszylinder) bestückt werden und ohne Unterbrechung den nächsten Bauauftrag ausführen, während der vorherige Bauauftrag extern abkühlt.

Ein weiterer möglicher Nachteil der 500-Grad-Celsius-Vorwärmung könnte die schlechtere Recyclierbarkeit des Pulvers sein: Da eine höhere Temperatur zu einer stärkeren Oxidation führt, könnte dies die Recyclierbarkeit von H11-Pulvern verringern. Auch hierfür konnte TRUMPF eine Gegenstrategie entwickeln und deren Wirksamkeit nachweisen.

Sowohl die Prozesskammer als auch die Wechselbehälter werden vor Produktionsbeginn mit Argon geflutet. Dadurch entsteht eine Systematmosphäre mit geringer Restfeuchte und einem Restsauerstoffgehalt auf einem sehr niedrigen Niveau von wenigen ppm. Bei Kompressionstests mit H11 zeigten chemische Untersuchungen, dass das Pulver auch nach mehreren Bauzyklen den gleichen Sauerstoffgehalt wie Neupulver aufwies: Aufgrund der geringen Oxidation blieb das Pulver sehr frei fließend, und die Partikel hafteten nicht aneinander. Das Pulver konnte daher leicht und rückstandsfrei z. B. aus Kühlkanälen entfernt werden.