3D-Metalldruck als Alternative zum Guss: Wann sich additive Fertigung lohnt

Gussverfahren gehören weiterhin zu den wichtigsten Methoden der industriellen Metallverarbeitung. Bei komplexen Bauteilgeometrien, kleinen Stückzahlen oder kurzen Entwicklungszyklen kann der 3D-Metalldruck jedoch die wirtschaftlichere und technisch bessere Alternative sein. Entscheidend ist nicht das Verfahren allein, sondern die gesamte Prozesskette vom Produktdesign bis zur Nachbearbeitung.

Metallische Bauteile werden seit Jahrhunderten gegossen. Das Verfahren ist ausgereift, für zahlreiche Legierungen verfügbar und insbesondere bei größeren Serien wirtschaftlich kaum zu schlagen. Allerdings benötigt der Guss in der Regel Formen, Modelle, Kerne oder andere werkzeuggebundene Vorarbeiten.

Steigt die geometrische Komplexität eines Bauteils, werden häufig zusätzliche Formelemente, aufwendige Kernsysteme und mehrere Bearbeitungsschritte erforderlich. Konstruktionsänderungen können neue Werkzeuge oder Anpassungen an bestehenden Formen notwendig machen. Genau an diesen Punkten eröffnet die additive Fertigung neue Möglichkeiten.

3D-Metalldruck und Guss sind keine grundsätzlichen Gegensätze

Der 3D-Metalldruck ist nicht als pauschaler Ersatz für den Metallguss zu verstehen. Beide Verfahren besitzen unterschiedliche Stärken.

Während der Guss seine Vorteile vor allem bei hohen Stückzahlen und wiederkehrenden Bauteilgeometrien ausspielt, arbeitet die additive Fertigung direkt auf Grundlage digitaler 3D-Daten. Das Bauteil wird schichtweise aufgebaut, ohne dass zuvor eine bauteilspezifische Gussform gefertigt werden muss.

Werkzeuglose Fertigung, geringe Rüstaufwände, komplexe Geometrien und die Integration mehrerer Funktionen in ein Bauteil zählen zu den wichtigsten Vorteilen additiver Verfahren. Fraunhofer nennt außerdem die Möglichkeit, unterschiedliche Bauteile mit niedrigen Stückzahlen flexibel auf einer Anlage zu produzieren.

Wann kann 3D-Metalldruck den Guss ersetzen?

Eine additive Fertigung sollte insbesondere geprüft werden, wenn mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind:

Kleine Stückzahlen oder Einzelteile

Bei Einzelstücken, Prototypen, Ersatzteilen und Kleinserien lassen sich die Kosten für Gussmodelle, Formen und Kerne nicht immer sinnvoll auf die produzierte Stückzahl verteilen. Der 3D-Metalldruck benötigt kein bauteilspezifisches Formwerkzeug und kann deshalb bereits ab Stückzahl eins wirtschaftlich interessant sein.

Ob das Verfahren tatsächlich günstiger ist, hängt jedoch vom Bauteilvolumen, dem Werkstoff, der Bauzeit, der erforderlichen Nachbearbeitung und der Auslastung des verfügbaren Bauraums ab.

Häufige Konstruktionsänderungen

Da die Fertigung unmittelbar auf digitalen CAD-Daten basiert, können Änderungen häufig ohne ein neues physisches Werkzeug umgesetzt werden. Das verkürzt Iterationszyklen und erleichtert die Erprobung unterschiedlicher Lösungsvarianten.

Besonders in der Produktentwicklung und bei technisch noch nicht vollständig festgelegten Bauteilen kann dies einen erheblichen Zeitvorteil darstellen.

Komplexe Innengeometrien

Innenliegende Kanäle, konturnahe Kühlstrukturen, Hohlräume und schwer zugängliche Geometrien lassen sich gießtechnisch teilweise nur mit komplexen Kernen oder mehreren Einzelteilen realisieren.

Additive Verfahren ermöglichen dagegen Strukturen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nur mit großem Aufwand oder überhaupt nicht hergestellt werden können. Dazu gehören beispielsweise:

• innenliegende und gekrümmte Kühlkanäle,
• Gitter- und Wabenstrukturen,
• variable Wandstärken,
• bionisch oder topologisch optimierte Formen,
• innenliegende Medienführungen,
• Bauteile mit Hinterschneidungen und Hohlräumen.

Die hohe Gestaltungsfreiheit ist einer der zentralen Vorteile metallischer additiver Verfahren. Sie sollte allerdings bereits bei der Konstruktion berücksichtigt werden. Ein ursprünglich für den Guss entwickeltes Bauteil lediglich unverändert zu drucken, schöpft das Potenzial des Verfahrens meist nicht aus.

Funktionsintegration und weniger Einzelteile

Mehrere gegossene, gefräste oder verschweißte Komponenten können unter Umständen zu einem einzigen additiv gefertigten Bauteil zusammengeführt werden.

Dadurch lassen sich Montagevorgänge, Schweißnähte, Dichtstellen und Verbindungselemente reduzieren. Neben den reinen Fertigungskosten sollten deshalb auch Montageaufwand, Prüfkosten, Lagerhaltung und mögliche Fehlerquellen in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einbezogen werden.

Ersatzteile ohne verfügbare Gussform

Bei älteren Maschinen und Anlagen sind ursprüngliche Modelle oder Gusswerkzeuge häufig nicht mehr vorhanden. Muss zunächst ein neues Werkzeug angefertigt werden, kann dies bei einem einzelnen Ersatzteil unverhältnismäßig teuer sein.

Nach einer geeigneten Rekonstruktion des Bauteils kann der 3D-Metalldruck eine Möglichkeit bieten, solche Komponenten bedarfsgerecht herzustellen und digital vorzuhalten.

Ein additiv gefertigtes Metallbauteil kommt nur selten vollständig einsatzbereit aus der Maschine. Abhängig von Verfahren und Anwendung können weitere Arbeitsschritte erforderlich sein:

1. Prüfung und Optimierung der CAD-Daten
2. Festlegung der Bauteilorientierung
3. Konstruktion notwendiger Stützstrukturen
4. Additiver Aufbau des Bauteils
5. Wärmebehandlung und Spannungsarmglühen
6. Trennung von der Bauplattform
7. Entfernung der Stützstrukturen
8. Strahlen, Schleifen oder Polieren
9. CNC-Bearbeitung von Passungen und Funktionsflächen
10. Maßprüfung und gegebenenfalls Werkstoffprüfung

Insbesondere präzise Passungen, Dichtflächen, Gewinde und Lagerstellen werden häufig spanend nachbearbeitet. NIST weist darauf hin, dass bei metallischen additiven Verfahren unter anderem das Ablösen von der Bauplattform, die Entfernung von Stützstrukturen, Wärmebehandlungen und weitere Oberflächenbearbeitungen in die Kostenberechnung einbezogen werden müssen.

Der 3D-Metalldruck ersetzt die CNC-Bearbeitung daher nicht zwingend. In vielen Anwendungen bildet die Kombination beider Verfahren die technisch sinnvollste Lösung: Der additive Prozess erzeugt die komplexe Grundgeometrie, während die spanende Bearbeitung die geforderten Toleranzen und Oberflächen herstellt.

Für den industriellen 3D-Metalldruck stehen unterschiedliche Werkstoffgruppen zur Verfügung. Hördler nennt für seine Projekte unter anderem:

• Edelstahl,
• Werkzeugstahl,
• Aluminium,
• Titan,
• Nickelbasislegierungen wie Inconel.

Die Auswahl des geeigneten Werkstoffs darf nicht allein anhand der Legierungsbezeichnung erfolgen. Zu berücksichtigen sind unter anderem Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, erforderliche Wärmebehandlungen und die spätere Bauteilprüfung.

Das bei Hördler als SLM – Selective Laser Melting bezeichnete Verfahren gehört zur Gruppe des laserbasierten Metall-Pulverbettverfahrens, das heute häufig auch als Laser Powder Bed Fusion beziehungsweise PBF-LB/M bezeichnet wird.

Ist 3D-Metalldruck automatisch nachhaltiger als Guss?

Die additive Fertigung kann Material einsparen, weil Werkstoff weitgehend nur dort eingesetzt wird, wo er konstruktiv benötigt wird. Leichtbaustrukturen können außerdem das Gewicht eines Produktes während seiner gesamten Nutzungsdauer reduzieren.

Eine pauschale Aussage, nach der jedes additiv gefertigte Bauteil nachhaltiger sei, wäre jedoch nicht seriös. Die Herstellung von Metallpulvern, lange Maschinenlaufzeiten, Schutzgase, Wärmebehandlungen und Nachbearbeitung benötigen ebenfalls Energie und Ressourcen.

Fraunhofer weist deshalb darauf hin, dass sich Materialeinsparungen und veränderte Energie- und Ressourcenverbräuche innerhalb der gesamten Prozesskette gegenüberstehen können. Die ökologische Bewertung muss bauteil- und anwendungsbezogen erfolgen.

Besonders interessant kann additive Fertigung sein, wenn sie:

• Materialverluste reduziert,
• mehrere Bauteile zusammenfasst,
• ein leichteres Produkt ermöglicht,
• unnötige Lagerbestände vermeidet,
• Ersatzteile lokal und bedarfsgerecht verfügbar macht,
• oder die Lebensdauer einer Maschine verlängert.

Die Bauteilanalyse entscheidet über das geeignete Verfahren

Ob Guss, additive Fertigung oder eine hybride Prozesskette die beste Lösung darstellt, lässt sich nicht allein anhand der Stückzahl entscheiden.

Eine fundierte Bewertung sollte mindestens folgende Fragen beantworten:

• Ist das Bauteil bereits für additive Fertigung konstruiert?
• Welche Funktionen können integriert werden?
• Können Einzelteile und Montageprozesse entfallen?
• Welche Flächen müssen mechanisch nachbearbeitet werden?
• Sind die gewünschten Toleranzen und Prüfanforderungen erreichbar?
• Welche Kosten entstehen über die gesamte Prozesskette?
• Wie wahrscheinlich sind spätere Konstruktionsänderungen?
• Welchen Einfluss haben Lieferzeit, Lagerhaltung und Ersatzteilverfügbarkeit?

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