Hochreines, homogenes Metallpulver für Additive Manufacturing

• Im Rahmen von Industrie 4.0 entwickelt sich Additive Manufacturing zur Schlüsseltechnologie. Ihr Ziel: die automatisierte Herstellung individualisierter Produkte.
• In einer Pilotanlage zur Pulververdüsung sammelt die SMS group Praxiserfahrung, um ihren Kunden in Zukunft effiziente und leistungsstarke Lösungen anbieten zu können.
• Der Prozess der Verdüsung wird in diesem Zuge genau analysiert und – bei Bedarf – optimiert.

Als die SMS group vor einigen Jahrzehnten begann, Erfahrungen im Verdüsen von Eisenpulver zu sammeln, das im Prozess des Sprühkompaktierens, des heißisostatischen Pressens und des Sinterns zum Einsatz kommt, war die Vision von Industrie 4.0 noch völlig unbekannt. Kaum jemand konnte damals auch nur ahnen oder vorhersehen, welche zukunftsweisenden Potenziale im Metallpulver stecken. Heute zahlt sich diese langjährige Erfahrung der SMS group aus. Ebenso das moderne metallurgische Know-how der SMS Mevac und die große Kompetenz der SMS group in der thermischen Prozesstechnik. All dies fließt in einer Schlüsseltechnologie zusammen, die das große Ziel – nämlich die automatisierte Herstellung individualisierter Produkte – im Rahmen von Industrie 4.0 erst möglich macht. Die SMS group baut eine eigene Pilotanlage zur Produktion von Metallpulvern für das Additive Manufacturing.

Metallisches Pulver höchster Qualität und Reinheit, das aus mikroskopischen kleinen Kugeln mit homogener Größe von circa 15 bis 45 Mikrometern besteht, ist der Ausgangspunkt, um mittels Laser, zum Beispiel im Pulverbett-Verfahren, neuartige Werkstücke herzustellen. Beim additiven Verfahren SLM (Selective Laser Melting) wird in einer geschlossenen Laser-Anlage Schicht um Schicht Metallpulver aufgetragen und jede mikrometerfeine Schicht mittels Laser an bestimmten Stellen auf Basis eines CAD-Modells eingeschmolzen. Am Ende wird das lose, überschüssige Pulver entfernt und die eingeschmolzenen Strukturen bleiben erhalten. Auf diese Weise entstehen komplexe dreidimensionale Bauteile aus Metall. Die mit diesem Verfahren hergestellten Produkte können geometrische Strukturen aufweisen, die in der herkömmlichen Fertigung, beispielsweise durch zerspanende Bearbeitung, so nicht hergestellt werden könnten.

Die SMS group hat sich für den Bau einer eigenen Pilotanlage im industriellen Maßstab entschieden. Gegenüber experimentellen Versuchsanlagen will man so Erkenntnisse unter Praxisbedingungen gewinnen und potenziellen Kunden eine marktfähige Lösung mit belastbaren Ergebnissen anbieten. Norbert Gober, Leiter im Zentralbereich Entwicklung SMS group: „Mit unserem Know-how in der Konstruktion, der Verfahrenstechnik bei Vakuumschmelzanlagen sowie unserer umfangreichen Erfahrung in der Metallurgie verfügen wir bereits über die für dieses neue Verfahren wesentlichen Kompetenzen. Mit dem Bau und dem Betrieb der Pilotanlage werden wir unser technisches und technologisches Wissen bündeln und zum Nutzen unserer Kunden ausbauen.“ Die wesentlichen Komponenten der rund 13 Meter hohen und 400 Quadratmeter großen Anlage zur Pulververdüsung sind der Vakuum-Induktionsofen (mit Tiegel und Tundish), die Verdüsungseinrichtung im Pulverturm sowie die Vakuumpumpen, Zyklone, Gaskühler, Schlauchfilter und weitere Baugruppen wie Windsichter und Siebe zur Klassierung des Pulvers.

  Das Einschmelzen der Metalle und Legierungen erfolgt induktiv im Tiegel unter Vakuum, um höchste Reinheit zu gewährleisten. Daran schließt sich der Tundish an, von dem die Schmelze zum entscheidenden Kernbauteil der Anlage gelangt: die Düse mit nur wenigen Millimetern Durchmesser. Das Verdüsen des flüssigen Metalls erfolgt mit reinem Argon und unter Ausschluss von Sauerstoff. Hierin steckt für die SMS group das größte Entwicklungspotenzial. Markus Hüllen: „Wir können mit unserer Pilotanlage das Zusammenwirken von Düsengeometrie, Druck, Gasstrahl, Temperaturen und vielen weiteren Faktoren sowie das Verhalten unterschiedlicher Metalle unter echten Produktionsbedingungen untersuchen. Wir werden zahlreiche neue metallurgische Erkenntnisse gewinnen, uns Know-how aneignen und die Effizienz solcher Prozessen optimieren. Die SMS group kooperiert dazu auch mit Forschungseinrichtungen und Universitäten.“

Auch Simulationstechniken der SMS group kommen bei der Weiterentwicklung der Verdüsungstechnologie zum Einsatz. Norbert Gober: „Die Simulationen verkürzen Entwicklungszeiten deutlich und zeigen uns in einem sehr frühen Stadium Optimierungspotenziale auf. Wichtig ist es aber auch, dass wir die Simulationsmodelle unter Praxisbedingungen verifizieren und verfeinern können. So können wir zukünftig mit verlässlichen Modellen im Computer beispielsweise Möglichkeiten zur Steigerung der Ausbringung vorausberechnen.“ Nach der Verdüsung erstarren die Tropfen zu winzigen kugelförmigen Partikeln im Mikrometerbereich und werden in Zyklonen und Schlauchfiltern behandelt, um die Gase abzuscheiden. Das feine Metallpulver wird in Behältern unter den Zyklonen gesammelt. Anschließend sorgen Siebe und Windsichter dafür, dass nur Metallpulver mit Kugeln in definierter und homogener Größe als hochwertiges additives Pulver aussortiert wird. Markus Hüllen: „Unser Ziel ist eine hocheffiziente Anlage. Wir werden mit der Pilotanlage daran arbeiten, den Anteil der Nebenprodukte – also zu feine oder zu große Pulverpartikel – zu minimieren und die Pulverqualität hinsichtlich Kornform, Korngrößenverteilung, Fließfähigkeit und weiterer Eigenschaften zu optimieren.

Die aus verschiedenen hochwertigen metallischen Werkstoffen und Legierungen hergestellten Pulver sind die Basiswerkstoffe für das 1995 entwickelte Additive Manufacturing. Der Vorläufer dieses Verfahrens war der 3D-Druck mit Kunststoffen. Dieses bereits zu Anfang der 1980er Jahre entwickelte Verfahren hat sich in der Industrie fest etabliert. Beim 3DDruck werden in der Regel erhitzte thermoplastische Kunststoffe durch eine Düse schichtweise zu einem Objekt aufgebaut. Auch die SMS group nutzt dieses Herstellungsverfahren, um beispielsweise komplexe Kameragehäuse zur Bandanlagenüberwachung aus einem Teil herzustellen oder für strömungsoptimierte Kühlrohre aus einer Aluminium-Kunststoff- Mischung, die in Drahtwalzwerken zur Kaliberkühlung zum Einsatz kommen.

Das Hauptaugenmerk der metallproduzierenden und -verarbeitenden Industrie sowie der SMS group liegt jedoch auf dem 3D-Verfahren mit metallischen Werkstoffen. Insbesondere in der Luftfahrtindustrie, aber auch im Automobilbereich, lassen sich mit bionischen Wabenstrukturen zugleich hochfeste, crashsichere, aber auch deutlich leichtere Bauteile produzieren. Das heißt, die Sicherheit sowie Energieeffizienz und der Umweltschutz werden gesteigert. Hinzu kommt, dass für die Produktion dieser Teile keine aufwendigen Spezialmaschinen oder speziellen Prozesse benötigt werden.

Die SMS group nutzt die Vorteile des Additive Manufacturing auch für den eigenen Anlagen- und Maschinenbau. „Wir haben eine Expertengruppe aufgebaut, die die vielen Optimierungsmöglichkeiten untersucht und die bereits konkrete Bauteile konstruiert und in Kleinserien gefertigt hat. Die Resultate sind mehr als vielversprechend“, erklärt Norbert Gober. Eines von vielen Beispielen dazu ist ein neues Dichtungselement für Blankstahlanlagen. Statt wie bisher viele Komponenten zusammenfügen zu müssen, ist es ein monolithisches Bauteil. Es kann in wesentlich kürzerer Zeit produziert werden, es senkt die Austauschzeit beim Kunden drastisch und es steigert zudem die Dichtwirkung.

Norbert Gober: „Die neu konstruierten Bauteile, die wir bereits jetzt im additiven Verfahren herstellen können, bilden auch die Grundlage, um die Prozesse unserer Anlagen und Maschinen zu optimieren. Anschaulich wird dies beispielsweise bei einem Sicherheitsschnellschaltventil für unsere Plattenstrecker. Durch den Leichtbau und durch strömungsoptimierte Kanäle reagiert das Bauteil in Millisekunden. Ein entscheidender Vorteil im Ernstfall.“ Durch den neuartigen Leichtbau von Ventilen lassen sich auch die Prozesse und Taktzeiten in anderen Anlagen beschleunigen, beziehungsweise die benötigte Auslegung und Leistung von Hydraulik oder Motoren investitionsschonend reduzieren. Darüber hinaus wird die Energieeffizienz gesteigert und die Betriebskosten werden gesenkt.

Jeder Anlagenbetreiber auf der Welt kennt das Problem: Hält man teure Ersatzteile im Lager vorrätig oder spart man sich diese Kapitalbindung und nimmt dafür längere Ausfallzeiten in Kauf? Bald könnte sich dieser Zwiespalt auflösen. Durch das Additive Manufacturing rückt die Produktion von Ersatzteilen „on demand“ in greifbare Nähe. Norbert Gober: „Wir können uns für die Zukunft vorstellen, dass bestimmte Ersatzteile im Rahmen des Services der SMS group mittels Additive Manufacturing im jeweiligen Land des Anlagenbetreibers hergestellt werden. Und zwar nach unserem Engineering und in OEM-Qualität. Damit könnten die Anlagenbetreiber nicht nur die Kosten senken, auch die aufwendige und zeitraubende Logistik sowie Zollformalitäten könnten entfallen.“

Die SMS group plant mit der Pilotanlage die Produktion von hochreinen Metallpulvern aus unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Legierungen in jeweils anwendungsbezogenen Korngrößen. Gemeinsam mit Kunden, Forschungseinrichtungen und den Produktverantwortlichen der SMS group werden sowohl die neuen technologischen Möglichkeiten der Pilotanlage als auch die damit zusammenhängenden Anwendungsmöglichkeiten erforscht und auf ihre Marktfähigkeit hin weiterentwickelt. „Die Pilotanlage ist nicht nur der Ausgangspunkt für die Prozesskette im Additive Manufacturing, sie ist auch der Startpunkt für viele weitere Innovationen. Wir freuen uns darauf, dass wir als SMS group diese Entwicklungen maßgeblich voranbringen werden“, sagt Markus Hüllen. Die Vermarktung zukünftiger Pulververdüsungsanlagen übernimmt die SMS Mevac.