TU Graz
3D-Druck: LED statt Laser oder Elektronenstrahl
Eine an der TU Graz entwickelte LED-Technologie könnte den 3D-Metalldruck erheblich verbessern: Ihr Einsatz verkürzt die Bauzeit und den Metallpulverbrauch bei der additiven Fertigung von Metallteilen und reduziert die Gerätekosten und den Nachbearbeitungsaufwand.
Die neue Technologie namens Selective LED based Melting (SLEDM) ähnelt dem Selektiven Laser- (SLM, Selective Laser Melting) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM, Electron Beam Melting), bei dem Metallpulver mittels Laser- bzw. Elektronenstrahl aufgeschmolzen und schichtweise zu einem Bauteil aufgebaut wird. Allerdings fehlen ihr zwei wichtige Nachteile dieser Technologien: der große Zeitaufwand bei der Produktion großvolumiger Metallbauteile und die aufwendige manuelle Nachbearbeitung.
Der Österreichische Beleuchtungs-Spezialist Preworks hat Leuchtdioden speziell adaptiert und mit einem komplexen Linsensystem ausgestattet, mit dem der Durchmesser des LED-Fokus während des Schmelzvorgangs zwischen 0,05 und 20 Millimetern verändert werden kann. So lässt sich ein Hochleistungs-LED-Strahl herstellen, der große Volumina Metallpulver pro Zeiteinheit aufschmelzen kann und selbst bei filigranen Bauteilen wie für Brennstoffzellen oder die Medizintechnik bis zu 20 Mal schneller sein kann, als das EBM- SLM-Verfahren.
Das Selective LED based Melting (SLEDM) wurde von einem Team rund um den Leiter des Instituts für Fertigungstechnik der TU Graz, Franz Haas für den 3D-Metalldruck entwickelt und nun zum Patent angemeldet. In der neu konzipierten Fertigungsanlage, die – im Gegensatz zu anderen Metall-Schmelzanlagen – das Bauteil von oben nach unten additiv aufbaut, liegt das Bauteil frei, was die benötigte Pulvermenge auf ein Minimum reduziert und es erlaubt, die notwendige Nachbearbeitung bereits während des Druckprozesses durchzuführen. „Das aufwendige, in der Regel manuelle Nachbearbeiten, wie es bei derzeitigen Verfahren notwendig ist, um etwa raue Oberflächen zu glätten und Stützkonstruktionen zu entfernen, entfällt und spart weitere kostbare Zeit“, so Haas.
Ein Demonstrator des SLEDM-Verfahrens wird bereits im K-Projekt CAMed der Medizinischen Universität Graz berücksichtigt, wo im Oktober 2019 das erste Labor für Medizinischen 3D-Druck eröffnet wurde. Mithilfe des Verfahrens sollen bioresorbierbare Metall-Implantate produziert werden, insbesondere Schrauben, die aus Magnesium-Legierungen bestehen und bei Knochenbrüchen eingesetzt werden. Diese Implantate lösen sich im Körper auf, nachdem die Bruchstelle zusammengewachsen ist. Eine zweite, den Menschen oft stark belastende Operation wird unnötig. Die Produktion solcher Implantate wäre dank SLEDM direkt im OP-Saal möglich, denn „ein LED-Licht ist für den OP-Betrieb naturgemäß weniger gefährlich als eine leistungsstarke Laserquelle“, so Haas.
Der zweite Schwerpunkt liegt in der nachhaltigen Mobilität, und zwar in der Fertigung von Bauteilen wie Bipolarplatten für Brennstoffzellen oder Komponenten für Batteriesysteme. „Wir wollen die additive Fertigung mittels SLEDM für die E-Mobilität wirtschaftlich nutzbar machen und SLEDM in diesem Forschungsfeld frühzeitig positionieren“, so Haas, der im nächsten Entwicklungsschritt einen marktfähigen Prototypen dieses 3D-Metalldruckers – „Made by TU Graz“ produzieren wird, ein Novum im universitären Umfeld.
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