Metall-3D-Drucker revolutioniert additive Fertigung für KMU

Gießen, Umformen, Zerspanen: Die Realität der Metallverarbeitung fand bisher in rustikalen Industrieumgebungen statt. Die Arbeit war entweder extrem heiß, energieaufwendig oder es fielen Unmengen von Metallspänen an. Heute steht Fertigungsunternehmen mit der sogenannten LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) ein additives Fertigungsverfahren zur Verfügung, mit dem komplexe Bauteile aus aufbereiteten Metallpulvern einfach gedruckt werden können.

Wenngleich 3D-Drucker für verschiedene andere Materialien bereits massenweise in privaten Haushalten, Schulen oder Unternehmen in Gebrauch sind, ist das Drucken von Bauteilen aus Metallen bisher nicht sehr verbreitet – vor allem, weil die additive Fertigung von metallischen Bauteilen noch immer sündhaft teuer ist. Die Technologie konnte zwar seit mehr als einem Jahrzehnt kontinuierlich weiterentwickelt werden, ist aber im Vergleich zu verwandten massentauglichen Verfahren in der Anwendung noch immer sehr kompliziert und von entsprechend großen und komplexen Maschinen abhängig.

Das baden-württembergische Startup One Click Metal möchte das ändern. Das Unternehmen hat mit seiner BOLDSERIES ein System für den Metalldruck hochwertiger Bauteile entwickelt, das gleichzeitig preiswert, transportabel und einfach anzuwenden ist. Das System soll Tausenden von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU), die das Rückgrat der europäischen Wirtschaft bilden, ermöglichen, schnell und kostengünstig Prototypen für Produkte und Bauteile zu fertigen und Serienteile zu konstruieren, die von den Möglichkeiten des 3D-Metalldrucks profitieren.

One Click Metal war ursprünglich eine Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Hochtechnologieunternehmens Trumpf, das für seine Lösungen in den Bereichen Lasertechnik und Werkzeugmaschinen weltbekannt ist. Ein Unternehmen entstand aus One Click Metal, als die Geschäftsleitung die Zeit gekommen sah, die eigenen Kompetenzen im Bereich Lasertechnik in einem innovativen und lukrativen Geschäftsfeld anzuwenden.

Die Rohstoffe für die meisten 3D-Drucke sind Polymere. Die Hauptvorteile bei der Verwendung dieser Kunststoffe sind deren Verformbarkeit und Verfügbarkeit. Allerdings ergeben Polyamide, Polycarbonate und Polystyrol ein poröses Material, das eine relativ schwache chemische Zusammensetzung aufweist. Da ist das Drucken mit Metall schon eine andere Hausnummer, denn damit lassen sich auch Bauteile mit Festigkeiten herstellen, die für schwerindustrielle Produkte wie Turbinenschaufeln und Fahrzeugantriebe erforderlich sind. Nur Metall kann dank seines festen kristallinen Mikrogefüges den Spannungen, Temperaturen und Drücken in speziellen industriellen Anwendungen standhalten.

Die Maschinen von One Click Metal haben gerade einmal die Größe üblicher Verkaufsautomaten. Die Handhabung der Metallpulver erfolgt anhand von standardisierten Kartuschen. Ist die Kartusche mit dem genormten Pulver eingesetzt, braucht die anwendende Person lediglich noch eine 3D-Kontruktionsdatei zu laden, die beispielsweise mit Autodesk Netfabb erstellt wurde, und schon kann der Druck beginnen.

Der im 3D-Drucker MPRINT verbaute 200-W-Faserlaser ermöglicht hohe Produktivität und Präzision für komplexe Metalldruckanwendungen. Die dazu passende Entpackstation MPUREpro kombiniert zwei weitere Funktionen in einer Maschine: Mit ihr können die Bauteile ausgepackt werden. Überschüssiges Pulver wird dabei entfernt und gesammelt, sodass es anschließend mit dem integrierten Ultraschall-Siebsystem aufbereitet, in eine neue Vorratskartusche gefüllt und für neue Druckaufträge verwendet werden kann. Alle Prozesse sind mit minimalem Pulverkontakt möglich. Die MPRINT-Einheiten sind darüber hinaus in der Lage, bei Bedarf ihre eigenen Ersatzteile zu drucken. Die Konstruktion der anspruchsvollen Antriebskomponente für das Öffnen und Schließen der Kartuschen konnte One Click Metal mit Autodesk Fusion 360 optimieren.

„Aufgrund des begrenzten Platzes im Einbaubereich und wegen der Vorgaben des Herstellers des Antriebs kam für die Kraftübertragung nur eine Passfeder infrage“, erklärt Gerrit Brüggemann, Geschäftsführer von One Click Metal. „Entweder muss die Passfedernut durch Stoßen oder Räumen hergestellt werden, oder die Passfeder muss in das Bauteil gefräst werden. Das additive Fertigungsverfahren ist in diesem Fall die bessere Lösung.“

Anstatt die Antriebe einzeln zu fertigen, nutzte One Click Metal Netfabb, um die Teile beim Drucken zu stapeln. Bei diesem Entwurfsprozess wurde besonders darauf geachtet, dass die Teile so gestapelt werden können, dass keine Schwierigkeiten bei der Stützung auftreten. Aus diesem Grund werden die Teile beim Stapeln jeweils um 180 Grad gedreht, sodass ihre Oberflächen gut gestützt werden. „Durch das Stapeln lassen sich Zeit und Kosten der Produktion merklich reduzieren“, zeigt sich Brüggemann zufrieden.

Der Zeitpunkt für den Einstieg von One Click Metal in den Markt für den additiven Metalldruck entpuppt sich als perfektes Timing. So schätzte Grand View Research den globalen Markt für den 3D-Druck von Metallen im vergangenen Jahr auf 3,3 Milliarden Euro und erwartet für die Zeit zwischen 2022 und 2030 ein jährliches Wachstum von 23,9 %. Laut dem aktuellen Bericht des Unternehmens hat der 3D-Metalldruck erheblich von der zunehmenden Bedeutung des Rapid Prototyping und fortschrittlicher Fertigungsverfahren profitiert.

Auch die NASA ist auf diesen Zug aufgesprungen. Die US-Raumfahrtbehörde will nach eigenen Angaben mehr als 80 % ihrer zukünftigen Raketenantriebe mit additiven Verfahren aus Metall drucken. Auch das Unternehmen SpaceX von Elon Musk hat Investitionen in den 3D-Metalldruck angekündigt, um seine Fertigungskapazitäten zu erweitern.

Sogar bautechnische Anwendungen scheinen in Zukunft machbar. So wurde 2021 in Amsterdam die weltweit erste in 3D gedruckte Brücke aus Metall für Fußgänger und Radfahrende freigegeben. Das Projekt wurde vom Imperial College London entworfen und von dem niederländische Unternehmen MX3D mit Schweißrobotern gedruckt.

Als ausgewiesener Pionier auf dem Gebiet des Metalldrucks steht dem Unternehmen One Click Metal heute der Markt offen. Doch auf dem Weg waren einige Herausforderungen zu meistern. One Click Metal möchte leistungsfähige 3D-Metalldrucklösungen vor allem kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) zugänglich machen. Was bisher eine unerschwingliche Anschaffung war, und den Einstieg in die Technologie verhinderte, soll kostengünstig und ohne großen Aufwand auch in kleineren Produktionsbetrieben eingesetzt werden können.

Die wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung eines solchen 3D-Metalldruckverfahrens werden bei Platzbedarf, Kosten, Komplexität und Sicherheit der Technologie ersichtlich. Diese Hürden meisterte One Click Metal unter anderem durch den Einsatz cloudbasierter Kooperationswerkzeuge. So konnte die Expertise für Lasertechnik des Mutterkonzerns und der verschiedenen Partner der Lieferkette zusammengebracht werden und in die Problemlösungen und Produktentwicklung einfließen.

„Wir stellten fest, dass vor allem drei Aspekte einem breiten Einsatz additiver Fertigungsverfahren von metallischen Bauteilen im Weg standen“ erklärt Brüggemann. „Der erste Aspekt betrifft das Pulver. Ein sauberes und sicheres Pulverhandling ist besonders für kleine Unternehmen wichtig, da sie die Maschine sonst nicht in einem Raum mit ihren anderen Maschinen einsetzen können. Außerdem darf das Pulver niemals feucht werden und auch Verunreinigungen würden die Qualität gefährden“.

Die zweite Herausforderung bestand darin, eine Maschine für den 3D-Druck von Metallteilen zu konzipieren, die sowohl funktional als auch bezahlbar ist. Drittens musste ihre Bedienung ohne langwierige Schulungsmaßnahmen erlernbar sein. „Uns war klar, dass die Anwendung so einfach wie möglich sein muss“, schildert Brüggemann. „Viele Unternehmen würden die Maschine anfangs kaum komplett auslasten. Normalerweise beginnen sie mit der Entwicklung von Prototyen. Erst nach einer gewissen Zeit kommt der Drucker dann regelmäßig für die Fertigung der Produkte zum Einsatz. Die Anfangsinvestitionen waren branchenweit nicht umsonst bisher das Hauptkriterium für die Entscheidung für oder gegen den 3D-Metalldruck.“

Eine der wichtigsten Innovationen von One Click Metal war daher die Entwicklung einer standardisierten Kartusche für Metallpulver. Dadurch entfällt nicht nur ein direkter Kontakt mit dem Pulver. Auch die Qualitätslenkung und die Wiederverwendbarkeit werden durch das ausgeklügelte Konzept für das Pulverhandling stark erleichtert.

„Der Prozess ist bei allen LPPF-Maschinen auf dem Markt ähnlich. Wir wollten mehr als nur eine gute Maschine anbieten“, so Brüggemann. „Der ganze Prozess ist noch neu. Wir haben uns aber gleich darauf konzentriert, wie man den Kunden eine One-Click-Lösung anbieten kann.“

Nicht nur, weil sich das Unternehmen auf ein weiteres arbeitsreiches Jahr mit Messen in aller Welt und globalen Vertriebsaktivitäten vorbereitet, weiß Brüggemann, dass die Zusammenarbeit der Schlüssel zum Wachstum von One Click Metal sein wird.

„Wir unterstützen unsere Kunden zusammen mit unseren Vertriebspartnern dabei, die richtige Lösung für ihr Problem zu finden. Wir erstellen Kostenberechnungen und beraten sie im Verkaufsprozess zu additiven Fertigungsverfahren“, erklärt Brüggemann. „Fusion 360 und Netfabb sind ideal dafür. Sie bieten die besten Funktionen zu einem unschlagbaren Preis – und die Tools werden sogar immer noch besser.“

Er fügt hinzu, dass die Autodesk-Programme für Bildungseinrichtungen eine weitere Bereicherung darstellen. „Wir arbeiten mit Universitäten und Studierenden an verschiedenen Projekten“, sagt er. „Auf diese Weise können alle als Team in der Cloud arbeiten und dieselbe Konstruktionsplattform verwenden.“