Selective LED based Melting (SLEDM), also das gezielte Schmelzen von Metallpulver mittels Hochleistungs-LED-Lichtquellen, nennt sich die neue Technologie, die ein Team rund um Franz Haas, Leiter des Instituts für Fertigungstechnik der TU Graz, für den 3D-Metalldruck entwickelt und nun zum Patent angemeldet hat.
Die Technologie ähnelt dem selektiven Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM, Electron Beam Melting), bei dem Metallpulver mittels Laser- beziehungsweise Elektronenstrahl aufgeschmolzen und schichtweise zu einem Bauteil aufgebaut wird. SLEDM soll jedoch zwei zentrale Probleme dieser pulverbettbasierten Fertigungsverfahren beheben: die zeitintensive Produktion großvolumiger Metallbauteile und die aufwendige manuelle Nachbearbeitung.
Verkürzte Produktionszeit
Anders als beim SLM- oder EBM-Verfahren wird das Metallpulver beim SLEDM-Verfahren mit einem Hochleistungs-LED-Strahl aufgeschmolzen. Die hierzu verwendeten Leuchtdioden wurden vom Beleuchtungsspezialisten Preworks speziell adaptiert und mit einem komplexen Linsensystem ausgestattet, mit dem sich der Durchmesser des LED-Fokus während des Schmelzvorgangs problemlos zwischen 0,05 und 20 mm verändern lässt.
Das ermöglicht das Schmelzen größerer Volumina pro Zeiteinheit, ohne auf filigrane Innenstrukturen verzichten zu müssen. Die Produktionszeit von Bauteilen, beispielsweise für die Brennstoffzellen- oder Medizintechnik, verringert sich damit im Durchschnitt um den Faktor 20.
Mühsame Nachbearbeitung entfällt
Kombiniert wird diese Technologie mit einer neu konzipierten Fertigungsanlage, die im Gegensatz zu anderen Metall-Schmelzanlagen das Bauteil von oben nach unten additiv aufbaut. Das Bauteil liegt dadurch frei, die benötigte Pulvermenge reduziert sich auf ein Minimum und die notwendige Nachbearbeitung kann bereits während des Druckprozesses durchgeführt werden.
„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“, sagt Haas.
Anwendung in Medizin und Elektromobilität
Ein Demonstrator des SLEDM-Verfahrens wird bereits im 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 Metallimplantate produziert werden, vorzugsweise Schrauben, die aus Magnesium-Legierungen bestehen und bei Knochenbrüchen zum Einsatz kommen.
Diese Implantate lösen sich im Körper auf, nachdem die Bruchstelle zusammengewachsen ist; eine zweite, den Menschen oft stark belastende Operation kann entfallen. Die Produktion solcher Implantate wäre mittels SLEDM direkt im OP-Saal möglich, denn „ein LED-Licht ist für den OP-Betrieb naturgemäß weniger gefährlich als eine leistungsstarke Laserquelle“, sagt 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“, berichtet Haas, der im nächsten Entwicklungsschritt einen marktfähigen Prototypen dieses 3D-Metalldruckers produzieren will: vollständig „made by TU Graz“.
