Additive Fertigung
Laser-Pulverbettfusion ist mit diesem neuesten Durchbruch noch attraktiver geworden
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Welche Technologie wird den 3D-Druck dominieren?
Da der 3D-Druck, auch als additive Fertigung bezeichnet, zunehmend zu einem Schlüsselbestandteil der fortschrittlichen Fertigung wird, ist es wichtig, den Prozess weiter zu optimieren. Das liegt daran, dass 3D-gedruckte Teile und Komponenten meist in sehr anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. Automobilmotoren, Raketen, militärische Ausrüstung usw. In solchen Fällen kann ein Ausfall eines Bauteils eine katastrophale Dominowirkung auslösen.
Dies wird entscheidend dafür sein, dass die Branche von der aktuellen Konsolidierung zu dem dominierenden Fertigungsverfahren über ältere Methoden, bei denen Metall in Gussformen geschmolzen und bearbeitet wird, übergehen kann.
Eine 3D-Drucktechnik, die besonders für die Präzisionsfertigung verwendet wird, ist die Laser-Pulverbettfusion.
Forscher der University of Wisconsin-Madison und des Argonne National Laboratory haben kürzlich den Prozess mit fortschrittlicher Röntgenbildgebung analysiert und glauben, dass sie die während der Fertigung auftretenden Defekte drastisch reduzieren können. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse im International Journal of Machine Tools and Manufacture unter dem Titel „Aufdeckung der Mechanismen zur Minderung von Verarbeitungsdefekten bei der Laser-Pulverbettfusion mittels geformter Strahlen unter Verwendung von Hochgeschwindigkeits‑Röntgenbildgebung“.
Laser-Pulverbettfusion
So funktioniert der 3D-Druck mit Pulverbett: Eine Schicht Pulver, die das für die additive Fertigung verwendete Material enthält, wird in einem Behälter aufgetragen. Ein Laser schmilzt bzw. verschmilzt dann das Pulver in dem Bereich, der das 3D-gedruckte Teil bilden wird.
Eine neue Pulverlage wird anschließend obenauf aufgetragen, und die Teile, die geschmolzen und dem Bauteil hinzugefügt werden müssen, werden erneut vom Laser getroffen. Nach ausreichender Zeit können sehr komplexe Formen sowie relativ große Bauteile hergestellt werden.
Quelle: ResearchGate
Sie können die Laser-Pulverbettfusion in Aktion in diesem Video sehen, sowie einige Beispiele dafür, was mit dieser Technik hergestellt werden kann.
Laser-Pulverbettfusion kann zur Herstellung von Teilen aus Kunststoffen verwendet werden, aber noch wichtiger, auch aus Metallen, einschließlich Titan, Stahl, Kobalt‑Chrom, Aluminium usw.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es sehr präzise Geometrien mit Toleranzen von +/- 0,2 mm erzeugt, ähnlich wie beim Metall‑Injektionsspritzguss. Außerdem wird nur sehr wenig Material verschwendet, da das nicht verwendete Pulver wieder eingesammelt und erneut genutzt werden kann.
Größere Teile können schnell genug gedruckt werden, indem mehrere Laser gleichzeitig eingesetzt werden, typischerweise in fortschrittlicheren 3D‑Drucker‑Designs.
Es sollte beachtet werden, dass Laser-Pulverbettfusion ein Oberbegriff ist, der mehrere verschiedene Untertechniken umfasst:
- Selektives Laserschmelzen (SLM) und Direct Metal Laser Sintering (DMLS), beide markenrechtlich geschützte Verfahren, die ein Lasersystem verwenden, um Metallpulver vollständig zu schmelzen.
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM), ähnlich wie SLM, jedoch mit einem Elektronenstrahl in einer Inertgasatmosphäre oder Vakuumkammer.
- Selektives Lasersintern (SLS), bei dem pulverförmige Polymermaterialien verwendet werden; der Laser sintert die Partikel nur zusammen und schmilzt das Material nicht vollständig.
Vermeidung von 3D-Druckfehlern
Theoretisch ist die additive Fertigung von Metallteilen gleichwertig zu herkömmlichen Gussteilen. In der Praxis können jedoch Probleme auftreten, wie Poren oder „Löcher“, raue Oberflächen und große Spritzer.
Solche strukturellen Probleme können dazu führen, dass die Teile brechen, was in kritischen Anwendungen nicht akzeptabel ist.
„Weil wir die zugrunde liegenden Mechanismen verstanden haben, konnten wir schneller die richtigen Verarbeitungsbedingungen identifizieren, um hochwertige Teile mit dem ringförmigen Strahl zu produzieren.“
Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison
Ringförmiger Laserstrahl
Die erste Änderung, die die Forscher an ihrem 3D-Druck-Design vornahmen, war, den üblichen Laserstrahl durch einen ringförmigen Laserstrahl zu ersetzen, bereitgestellt von ein Laserunternehmen namens nLight, das Halbleiterlaser herstellt.
Diese andere Form sorgt für eine bessere Zirkulation des geschmolzenen Metalls im Schmelzbad insgesamt und für kleinere Wellen auf der Oberfläche des frisch erzeugten Teils. Die Spritzer sind zudem weniger groß und reisen weniger weit.
Modell und Beobachtungen abgleichen
Die Forscher bestätigten diese Beobachtungen, indem sie die hochenergetische Synchrotron‑Röntgenanlage des Argonne National Laboratory nutzten. Sie verwendeten sie, um Hochgeschwindigkeits‑Aufnahmen des 3D-Druckprozesses zu erstellen, wodurch die Forscher prüfen konnten, ob ihr mathematisches Modell die Realität korrekt simuliert.
Schnellerer 3D-Druck
Die Forscher schafften es außerdem, den ringförmigen Strahl tiefer in das Pulver zu bohren, ohne mehr Instabilität zu erzeugen. Das führte zu dickeren Schichten, ohne das Endprodukt zu schwächen.
Da die Produktion letztlich weniger Schichten erfordert, beschleunigt dies die Fertigung und erhöht die Gesamteffizienz der Maschine.
Beispiel für Pulverbettfusion
Diese Art von Arbeit ist weit entfernt von einer rein akademischen Demonstration. Sie könnte die bereits in der Industrie eingesetzte Pulverbettfusionstechnik verbessern. Ein gutes Beispiel wäre die Luftfahrt, mit der Kraftstoffdüse im GE9X‑Triebwerk von General Electric (GE.TO ), das im Boeing‑777‑Flugzeug verwendet wird.
Der GE9X ist das größte produzierte Turbofan‑Triebwerk, und die additiv gefertigte Düse ist fünfmal langlebiger als frühere Versionen.
Es sollte beachtet werden, dass solche Entwicklungen noch sehr neu sind, wobei das GE9X‑Design erst 2020 von der FAA genehmigt wurde.
Selbst ein qualitativ hochwertigerer Pulverbettfusion‑Prozess sowie ein schnellerer könnten das Design weiter verbessern und gleichzeitig die Kosten senken.
Die Zukunft des 3D-Drucks?
Hin zur Dominanz der fortschrittlichen Fertigung
Wir haben bereits diskutiert, wie der 3D-Druck sich in die Zukunft der Fertigung konsolidiert.
Dies gilt für die fortschrittliche Fertigung, wie biomedizinische Implantate oder die Luftfahrt. Da die Qualität von additiv gefertigten Teilen weiter verbessert wird, wird dies wahrscheinlich die dominierende Fertigungsmethode in solch anspruchsvollen Branchen werden.
Dies dürfte ebenfalls für Robotik, die Fertigung im Orbit oder sogar holografischen 3D-Druck, der direkt in unseren Körpern erfolgt, gelten.
Hin zu mehr Anwendungen
Eine weitere Veränderung wird eintreten, wenn der 3D-Druck günstiger wird.
Dies wird zum Teil auf eine höhere Auslastung zurückzuführen sein, da die Produktion von mehr 3D-Druckern Skaleneffekte erzeugt und die Kosten für die Maschine sowie das Ausgangsmaterial senkt.
Ein weiterer Faktor werden technologische Verbesserungen sein. Sie können die Ausnutzung des Ausgangsmaterials optimieren (Betriebskosten senken) oder Teile schneller produzieren (Investitionskosten senken).
Dies könnte dickere Schichten mit ringförmigen Lasern wie in dieser Studie umfassen. Oder vielleicht die gleichzeitige Nutzung von 2 Lasern. Und sogar 3D-gedruckte Elektronik, die zu den 3D-gedruckten Materialien und Bauteilen hinzugefügt wird.
Investitionen in den 3D-Druck
Der 3D-Druck erreicht nun die technologische Reife sowie die Marktkonsolidierung. Das gibt Investoren etwas mehr Transparenz als früher und bestätigt, dass diese Technologie weit entfernt von einem Trend ist und sich langfristig etabliert.
Sie können in 3D‑Druck‑bezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und auf dieser Website finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie vielen anderen Ländern.
Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne 3D‑Druck‑Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in ETFs wie den ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) investieren, um vom Wachstum des gesamten Sektors der additiven Fertigung zu profitieren.
Oder lesen Sie unsere Artikel „Top 10 Additive Manufacturing und 3D‑Printing‑Aktien im Blick“ und „Top 10 Nanotechnologie‑Aktien“.
Ringförmiges Laserunternehmen
LASR Preisdiagramm
Bisher waren die Gewinner in der 3D‑Druck‑Technologie hauptsächlich die 3D‑Drucker‑Hersteller und Endnutzer. Die Hersteller einzelner Komponenten der 3D‑Drucker sind schwerer zu investieren, da die meisten auf relativ standardisierte Bauteile wie standardisierte Laser setzen.
Das ist bei der hier diskutierten Innovation nicht der Fall, bei der ringförmige Laser eine neue Entwicklung darstellen, die möglicherweise gerade eine bahnbrechende Anwendung gefunden hat.
Die Forscher nutzten einen von nLight hergestellten Laser, genauer den kontinuierlich arbeitenden (CW) AFX1000 Faserlaser.
Die vielseitige Palette an Strahleneinstellungen ermöglicht die Verarbeitung aller Metalle ohne Kompromisse. Beim Schneiden bieten diese Faserlaser eine CO₂‑ähnliche Kantengüte für dickes Metall und die Geschwindigkeitsvorteile von Faserlasern für dünnes Metall – alles mit der Zuverlässigkeit und den geringen Betriebskosten von Faserlasern.
Dieser Laser kann die Form des Rings anpassen, um mehr oder weniger feine 3D‑Drucke und komplexe Geometrien zu ermöglichen.
Quelle: Trokut Solutions
Das Unternehmen verzeichnete von 2016 bis 2021 ein stetiges Umsatzwachstum, erlitt dann jedoch einen Rückgang, der hauptsächlich durch sinkende Verkäufe in China verursacht wurde. Dies war wahrscheinlich im Zusammenhang mit den zunehmenden Handelskonflikten zwischen China und dem Westen sowie der Konkurrenz durch chinesische heimische Laserhersteller.
Da derzeit 95 % der Kunden außerhalb Chinas liegen, wird dies das Unternehmen voraussichtlich nicht weiter beeinträchtigen.
Quelle: nLight
Die gemischten Ergebnisse spiegeln diesen Wandel wider, wobei die industriellen Verkäufe 2024 stark zurückgingen, während die Segmente Mikrofabrikation und Luft‑ und Raumfahrt boomten.
Quelle: Trokut Solutions
Der jüngste Umsatzrückgang hat dazu geführt, dass der operative Cashflow 2024 wieder in den negativen Bereich gefallen ist. Sollte jedoch der Wachstumstrend in Luft‑ und Raumfahrt sowie Mikrofabrikation/3D‑Druck anhalten, unterstützt durch das allgemeine Wachstum dieser Sektoren und nLights einzigartigen technologischen Vorteil, sollte nLight wieder profitabel werden.
Studienreferenz:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Aufdeckung der Mechanismen zur Minderung von Verarbeitungsdefekten bei der Laser-Pulverbettfusion mittels geformter Strahlen unter Verwendung von Hochgeschwindigkeits‑Röntgenbildgebung. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
