Moderne Produktionsanlagen ermöglichen heute ein Maß an Individualisierung, das noch vor wenigen Jahren undenkbar war – und genau das weckt den Wunsch nach maßgeschneiderten Einzellösungen. Die additive Fertigung, auch Metall-3D-Druck genannt, spielt hier ihre Stärken aus: Ob vom Standard abweichende Ersatzteile, die binnen kürzester Zeit benötigt werden, oder Prototypen, bei denen sich Werkzeugkosten, Material und Entwicklungszeit gleichermaßen einsparen lassen – die Technologie liefert Antworten, wo klassische Fertigungsverfahren an ihre Grenzen stoßen. Doch wie funktioniert additive Fertigung genau, und für welche Anwendungen eignet sich die Technologie besonders?
So funktioniert die additive Fertigung – Metall-3D-Druck einfach erklärt
Die additive Fertigung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Schicht für Schicht dreidimensionale Objekte durch lagenweises additives Auftragen von Grundmaterial aufgebaut und in Form gebracht werden. Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material abgetragen wird, entsteht das Bauteil hier direkt durch gezieltes Hinzufügen von Material, und zwar dort, wo es tatsächlich benötigt wird.
Im Bereich des Metall-3D-Drucks hat sich das drahtbasierte Verfahren Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) etabliert, auf das sich dieser Beitrag im Folgenden konzentriert.
Welche Metall-3D-Druckverfahren gibt es? Die gängigsten Technologien im Überblick
Die Metall-3D-Druckverfahren lassen sich in Pulverbettverfahren, Binder- und Extrusionsverfahren sowie Directed Energy Deposition (DED) unterscheiden. Während Binder- und Extrusionsverfahren vor allem durch geringe Anlagenkosten überzeugen, zeichnen sich pulverbasierte und DED-Verfahren durch jeweils eigene Stärken aus – ein genauer Blick lohnt sich.
Pulver- vs. drahtbasierte Verfahren
Beim Pulververfahren wird Metallpulver aufgeschmolzen. Die gängigste Variante, das Pulverbettverfahren, besticht durch hohe Präzision, ist aber relativ langsam und für kleinere Bauteile geeignet. Drahtbasierte Prozesse schmelzen den Draht ab und bauen so das Werkstück auf – elektronenstrahl-, laser- oder lichtbogenbasiert. Durch hohe Abschmelzleistungen erreichen sie kurze Fertigungszeiten und eignen sich fürgrößere Bauteile.
DED-Arc im Überblick
DED-Arc steht für Directed Energy Deposition Arc. Dabei wird ein Schweißdraht durch einen Lichtbogenprozess aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen. Diese Metall-3D-Druckvariante nutzt den Metall-Schutzgas-Schweißprozess (MSG) und ermöglicht Abschmelzraten von bis zu 5 kg/h. Damit weist DED-Arc im Vergleich zu den anderen angeführten Verfahren die höchste Abschmelzleistung auf.
Durch spezielle Prozesse und Mehrdrahtlösungen könnte dieser Wert zukünftig noch gesteigert werden. Neben der Abschmelzleistung spielen auch Anlagen- und Materialkosten eine wichtige Rolle bei der Wahl des Druckverfahrens. Das Herzstück bei DED-Arc ist ein stabiles Schweißsystem, wodurch teure Vakuumkammern, wie sie beim Elektronenstrahlverfahren zum Einsatz kommen, wegfallen.
Anwendungsbereiche im Metall-3D-Druck: Wann additive Fertigung die bessere Wahl ist
Die Anwendungsbereiche des Metall-3D-Drucks sind vielfältig: Sie reichen von der Reparatur und dem Reverse Engineering über die Modifikation oder Optimierung bereits bestehender Bauteile bis hin zum Prototyping und zur Neufertigung komplexer Komponenten.
Die Grundlage für diese Prozesse bildet eine präzise digitale Anleitung. Mit moderner Schweißtechnologie werden dann komplexe, topologieoptimierte Metallbauteile schichtweise nach Rezept gefertigt, anstatt auf aufwändig hergestellte Formen fürs Gießen zurückzugreifen. Diese enthalten die einzelnen Schweißanweisungen (Deposition Procedure Specifications, kurz DPS), die kinematische Strategie für die Pfadplanung und Bewegungssteuerung sowie die Materialzertifikate. Idealerweise umfasst sie zudem die Bedienerzertifikate. Damit stehen alle Informationen für den perfekten „Printprozess“ digital als Paket zur Verfügung.
Reparatur & Reverse Engineering mit Metall-3D-Druck
Reverse Engineering in der additiven Fertigung bedeutet, ein vorhandenes Bauteil zu analysieren und digital nachzubilden, um es anschließend mittels Metall-3D-Druck zu reproduzieren oder gezielt zu verbessern.
Reverse-Engineering-Prozess
- Anfertigung eines 3D-Scans des ursprünglichen Bauteils
- Rekonstruktion der Geometriedaten mit einer Genauigkeit von bis zu einem Hundertstelmillimeter für eine höchst präzise Abbildung des Bauteils
- Optionale Bauteiloptimierung wie z. B. Gewichtsreduktion oder Verstärkung an Bruchstellen, im Zuge der Rekonstruktion möglich
- Additive Fertigung beginnt, sobald Modell, Bauteilaufbau und Parameter feststehen
- Nachbearbeitung der Funktionsflächen mittels Fräsen
Die Vorteile von Reverse Engineering in Verbindung mit additiver Fertigung liegen klar auf der Hand, erklärt Oliver Pöpl, Group Leader des Prototyping und Manufacturing Center: „Die hohe Flexibilität zeigt sich durch die große Materialvielfalt und ein topologieoptimiertes Design – hochwertige Werkstoffe lassen sich gezielt einbinden.“
Ein entscheidender wirtschaftlicher Vorteil liegt zudem in den reduzierten Lagerkosten: Die additive Fertigung ermöglicht die flexible Produktion von Einzelteilen und Kleinserien. Mit klassischen Verfahren wie dem Gießen lassen sich zwar auch einzelne Bauteile fertigen, hohe Werkzeugkosten und lange Vorlaufzeiten machen es jedoch speziell bei Kleinserien meist unwirtschaftlich.
Anstatt Bauteile physisch auf Vorrat zu lagern, macht die digitale Bauteilarchivierung das „Rezept“ jederzeit wiederverwendbar – ein digitales Ersatzteillager, das Kosten spart und Lieferzeiten verkürzt.
Reverse Engineering – vom 3D-Scan bis zur additiven Fertigung
Bauteilmodifikation
Additive Fertigung eignet sich insbesondere dann, wenn bereits bestehende Bauteile an mechanisch belasteten Zonen gezielt modifiziert werden. So werden Komponenten an neue Anforderungen angepasst – und das auf einem Level, das mit herkömmlichen Verfahren oft gar nicht erreichbar wäre. Der flexible Prozess erlaubt es, Bauteile exakt so zu gestalten, wie es ihre Anforderungen tatsächlich verlangen – ein konkretes Beispiel dafür ist das weiter unten angeführte Referenzprojekt.
Neufertigung
Bei der Neufertigung entstehen Bauteile schichtweise von Grund auf neu. Das erlaubt große konstruktive Freiheit: Topologieoptimierte Geometrien lassen sich einfacher realisieren als mit klassischen Verfahren. So kann beispielsweise Gewicht reduziert werden, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen. Typische Anwendungen sind bionische, der Natur entlehnte Strukturen, beispielsweise Wabenstrukturen, wie sie unter anderem im Aerospace-Bereich zum Einsatz kommen.
Warum CMT im Metall-3D-Druck überzeugt
Im Metall-3D-Druck hat sich Cold Metal Transfer (CMT) besonders bewährt. Der folgende Überblick zeigt, was CMT von Verfahren wie dem konventionellen Kurzlichtbogen unterscheidet und warum es überzeugt.
CMT: Cold Metal Transfer erklärt
Damit wir die gewünschte Qualität erreichen, benötigen wir bei der additiven Fertigung einen enorm stabilen Schweißprozess wie CMT. CMT ist ein „kühler“ Kurzlichtbogenprozess, der im Vergleich zu anderen Verfahren eine hohe Schweißgeschwindigkeit aufweist und die Wärmeeinbringung gering hält.
Möglich macht das eine reversierende Drahtelektrodenbewegung, die jede einzelne Tropfenablösung gezielt steuert und so einen annähernd spritzerfreien Werkstoffübergang ermöglicht. Das reduziert Fehler und Nacharbeit erheblich. Je nach Kennlinie für Zusatzwerkstoff, Schutzgas und Elektrodendurchmesser findet diese Drahtbewegung in einem Frequenzbereich von 50 bis 170 Hz statt.
CMT vs. konventioneller Kurzlichtbogen
Beim konventionellen, für WAAM wenig geeigneten Kurzlichtbogenprozess bewegt sich der Draht kontinuierlich zum Werkstück. Berührt das erweichte Drahtende das Schmelzbad, kommt es zum Kurzschluss. Ein Großteil des flüssigen Schweißdrahtes fließt in das Schmelzbad – die Tropfenablösung erfolgt. In der Kurzschlussphase strebt die Schweißspannung gegen Null, während der Strom stark ansteigt. Der Kurzschluss bricht auf, der Lichtbogen zündet erneut. Bei CMT laufen Tropfenablösung und Wiederentzünden des Lichtbogens kontrollierter und mit weniger Energieeintrag ab.
Genau das macht den entscheidenden Unterschied für die additive Fertigung: Die beim CMT-Schweißen entstehende Wärmeeinbringung ist um bis zu 33 % geringer als beim herkömmlichen Kurzlichtbogen. Das ist besonders beim zyklischen Auftragen von Schweißraupen von Vorteil, da dieser Prozess grundsätzlich eine hohe Wärmeeinbringung verursacht. Ist die Bauteiltemperatur zu hoch, mindert das die Werkstoffeigenschaften, sodass der Schweißvorgang bis zum Abkühlen der Schweißlagen unterbrochen werden müsste.
„Hier spielt CMT seine Stärken aus: Durch die deutlich reduzierte Wärmeeinbringung und den äußerst stabilen Lichtbogen lassen sich Schweißlagen reproduzierbar aufbauen und Kühlzeiten reduzieren, ohne unnötig Wärme in das Bauteil einzubringen. Das macht CMT für viele WAAM-Anwendungen zu einer der effizientesten und prozesssichersten Technologien“, erklärt Manuel Stinglmayr Experte im New Business Development Welding bei Fronius International. Darüber hinaus sind Schwankungen des Kontaktrohrabstands bei CMT wenig kritisch und der Lichtbogen bleibt stabil.
CMT Additive Pro: die Kennlinien für konstanten Lagenaufbau
Die von Fronius speziell für die additive Fertigung entwickelten CMT-Additive-Pro-Funktionen ermöglichen beispielsweise eine gezielte Steuerung des Leistungseintrags und damit der Höhe und Breite der Schweißnaht.
- Leistungskorrektur: Ermöglicht die präzise Anpassung der elektrischen Leistung an die jeweilige Prozessphase – Lagenaufbau und Wärmeeinbringung –, ohne die Abschmelzleistung zu verändern.
- Deposition-Stabilizer: Sorgt dafür, dass die Abschmelzrate unabhängig von Stick-Out-Schwankungen konstant bleibt, ohne die charakteristische CMT-Stabilität zu verlieren.
- Pulsed-Hot-Start: Erzielt beim erneuten Schweißstart, z. B. nach einem Drahtfässerwechsel, im Impulslichtbogen so viel Einbrand, dass die Lagenhöhe konstant bleibt und Bindefehler oder Nahtüberhöhungen vermieden werden.
- CTWD–Messung: Gibt Anwenderinnen und Anwendern in Echtzeit Feedback zur genauen Position des Bauteils und ermöglicht es, bei Abweichungen von der geplanten Position entsprechende Korrekturen einzuleiten.
Gemeinsam sorgen diese Funktionen für einen gleichmäßigen, vorhersehbaren Lagenaufbau über die gesamte Bauteilhöhe und reduzieren Ausschuss und Nacharbeit im additiven Fertigungsprozess.
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): Material & Kosten nachhaltig reduzieren
Vergleichen wir den Metall-3D-Druck mit zerspanenden Prozessen wie dem Fräsen, fällt auf, dass Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) bedeutend ressourcenschonender ist. Alternative Fertigungsmethoden erzeugen jede Menge Materialabfall, da die benötigten Teile aus – oft riesigen – Metallblöcken herausgefräst werden.
Während beim Fräsen bestimmter Geometrien bis zu 80 % Materialschwund entstehen können, liegt dieser Wert bei additiver Fertigung mittels DED-Arc oft nur bei rund 20 %. Dieser Anteil entsteht erst im Zuge der Nacharbeit.
Der abgebildete Metallpropeller wurde mit diesem Verfahren gefertigt. Wäre er aus einem Block gefräst worden, hätte dieser ein Ausmaß von 60 x 90 x 90 cm bei einem Gewicht von rund 4 t gehabt, während das fertige Bauteil nur knapp 100 kg wiegt.
Ein weiterer Vorteil: Metall-3D-Druck ermöglicht eine dezentrale, ortsunabhängige Fertigung, ohne aufwändige Produktionsstraßen. Additive Fertigung wird dort eingesetzt, wo Gewicht, Material und Kosten reduziert werden sollen.
„Die größte Stärke von WAAM liegt dort, wo hohe Materialverluste, lange Lieferzeiten oder komplexe Geometrien konventionelle Fertigungsverfahren wirtschaftlich unattraktiv machen. Statt mehrere Tonnen Material spanend abzutragen, bauen wir Bauteile nahezu endkonturnah auf“, erklärt Stinglmayr.
360°-Service im Fronius Prototypen- und Fertigungszentrum
Das Prototypen- und Fertigungszentrum am Standort Wels, Österreich, stellt auf rund 900 m² ein breites Dienstleistungspaket sowie Robotersysteme mit fortschrittlicher Schweiß-, Sensor- und Vermessungstechnologie zur Verfügung. Es umfasst Machbarkeitsstudien, maßgeschneiderte Lösungen für individuelle Kundenanforderungen, Prozessoptimierung und Prototypenfertigung – abgestimmt mit unseren Auftraggebern und streng vertraulich. Der entscheidende Vorteil von WAAM: Entwürfe lassen sich direkt aus dem 3D-Modell fertigen und testen, ohne aufwendigen und teuren Formen- und Vorrichtungsbau. Designprobleme werden frühzeitig erkannt und behoben.
Ziel ist es, die Zeitspanne von der Entwicklung bis zur Produktreife so kurz wie möglich zu halten. Zudem ist auch der reibungslose Einstieg in den robotergestützten Metall-3D-Druck für die Vorserienfertigung möglich. Außerdem erhalten unsere Kundinnen und Kunden valide Empfehlungen zu Schweißprozess, Wirtschaftlichkeit, Qualität und Produktion.
Musterqualifizierung nach neuer Norm: Additive Fertigung im Praxistest
Dass die additive Fertigung auch höchsten Sicherheits- und Qualitätsanforderungen standhält, zeigt ein Referenzprojekt aus der Praxis: Gemeinsam mit Linde Engineering, dem Drahthersteller Migal.co und TÜV Süd Deutschland haben wir die Musterqualifizierung eines additiv gefertigten Druckbehälters durchgeführt.
Für den Druckbehälter entschied man sich für eine naturharte Aluminium-Knetlegierung, die aufgrund ihrer hervorragenden Tieftemperaturzähigkeit von bis zu -273 °C besonders gut für den Bau von Rohrleitungsanlagen geeignet ist.
Das Projekt umfasste auch die CE-Zertifizierung nach dem europäischen Normentwurf prEN 13445-14 für additiv gefertigte Druckbehälter. Bei diesem Normentwurf wurde die gesamte Wertschöpfungskette für die additive Fertigung inklusive aller notwendigen Überwachungsdetails betrachtet. Von der Auslegung über die Konstruktion, die Fertigung und Bahnplanung, die Prozessüberwachung bis hin zur abschließenden Druckprüfung – die gesamte Prozesskette wurde überprüft und dokumentiert. Detaillierte Informationen zur Musterqualifikation bietet dieses Video:
Fronius Additive Cell – Ihre Lösung zur agilen additiven Fertigung
Klassische Fertigungstechniken erfordern oft einen aufwendigen Formen- und Werkzeugbau, lange Vorlaufzeiten und hohe Einrichtungskosten. „Mit der Fronius Additive Cell steht ein perfekt abgestimmtes Gesamtsystem für die additive Fertigung zur Verfügung. Die Kombination aus bewährter Schweißtechnologie, intelligenter Steuerung und aufeinander passgenau kombinierten Systemkomponenten ermöglicht einen stabilen Fertigungsprozess“, erklärt Anna Dieplinger, Key Product Manager Automation Solutions bei Fronius International.
Für einen unkomplizierten Ablauf sorgen die bewährte Fronius CMT-Technologie in Verbindung mit der CMT Additive Pro und der iWave 500i AC/DC Multiprozess, während die zentrale Steuerung Polaris sämtliche Systemkomponenten koordiniert.
Das Software-Bundle Vectris ermöglicht bereits während der Planungsphase eine einfache, stabile und prozesssichere additive Schweißanwendung. Vectris wurde eigens für die additive Fertigung entwickelt und besteht aus dem Machine Tool Service Kit (MTSK) sowie dem Postprozessor. Es übersetzt den digitalen Bauteilentwurf in Schweißanweisungen und erkennt unterschiedliche Bauteilregionen. Die passenden Schweißparameter werden direkt vom Schweißroboter übernommen.
Zusätzliche Prozesssicherheit bietet das ArcView3-Kamerasystem. Dieses filmt die Bauteilfertigung prozesssynchron mit und ermöglicht die kontinuierliche Überwachung von Prozess und Lichtbogen im Millisekundenbereich aus sicherer Entfernung. Ob in engen Produktionsumgebungen oder beim spontanen Wechsel des Einsatzortes: Die Fronius Additive Cell ist mobil konzipiert und lässt sich dank ihrer transportablen Bauweise einfach per Kran oder Stapler bewegen.
Fazit: Additive Fertigung als wirtschaftliche Alternative zu Fräsen & Gießen
Die additive Fertigung reduziert Materialeinsatz, Gewicht und Kosten gegenüber klassischen Verfahren wie Fräsen oder Gießen deutlich und das bei einer Bandbreite an Anwendungen, die von der Reparatur einzelner Bauteile über Reverse Engineering und Bauteilmodifikation bis zur kompletten Neufertigung reicht.
FAQs
Welche Vor- und Nachteile bietet die additive Fertigung (insbesondere DED-Arc)?
Vorteile:
- Deutlich geringerer Materialverbrauch als bei Fräsen oder Gießen
- Kein Werkzeug oder Gussform nötig – wirtschaftlich auch bei kleinen Stückzahlen
- Komplexe, topologieoptimierte Geometrien realisierbar
- Kurze Vorlaufzeiten bei Reparatur, Reverse Engineering oder Prototypenfertigung
- Reduziertes Bauteilgewicht bei gleichbleibender Stabilität
Nachteile:
- Weniger wirtschaftlich bei sehr hohen Serienstückzahlen als klassische Verfahren
- Hohe Anforderungen an Prozess-Know-how und speziell ausgebildete Fachkräfte
- Wärmemanagement erforderlich: zu hohe Bauteiltemperaturen erzwingen Abkühlpausen
Welche Materialien können mit WAAM verarbeitet werden?
Mit WAAM lässt sich eine Vielzahl von Metallen verarbeiten, darunter unlegierte und niedriglegierte Stähle, Edelstahl, Werkzeugstähle, Aluminium, Titan, Nickelbasislegierungen sowie Kupferlegierungen. Die Wahl des Materials hängt von der jeweiligen Anwendung, den erforderlichen mechanischen Eigenschaften und den geltenden Industriestandards ab. Mit der Weiterentwicklung von Schweiß- und Prozesstechnologien wächst das Spektrum der für WAAM geeigneten Werkstoffe stetig.
Wie sieht die Zukunft der additiven Fertigung in der Industrie 4.0 aus?
WAAM wird bereits in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, Öl und Gas sowie Schienenfahrzeugbau eingesetzt. Die Technologie steigert Flexibilität, Wettbewerbsfähigkeit und Resilienz, da Unternehmen weniger abhängig von globalen Lieferketten werden. Obwohl Metall-3D-Druck weiterhin viel Know-how erfordert, könnten Automatisierung und KI-gestützte Prozesssteuerung die Komplexität reduzieren und die Reproduzierbarkeit verbessern. Dadurch könnte WAAM künftig auch für kleinere Unternehmen zugänglicher werden.
