Großformatiger 3D-Metalldruck: Wie WAAM das herstellt, was andere nicht können

Wichtige Hinweise:

• Umgeht räumliche Einschränkungen: Umgeht die strengen Einschränkungen der Baukammern herkömmlicher Pulverbettsysteme und nutzt mehrachsige Industrieroboter, um monolithische Strukturen mit einer Länge von mehreren Metern zu drucken.

• Hohe Abscheidungsraten: Erzielt einen außergewöhnlichen Durchsatz bei der Massenakkumulation von 2 bis 8 Kilogramm pro Stunde, wodurch die Herstellung von Bauteilen in großem Maßstab für die Schwerindustrie wirtschaftlich rentabel wird.

• Eliminiert den Aufwand für den Werkzeugbau: Umgeht die Formbauphase vollständig, indem die Roboterbahnplanung direkt aus digitalen CAD-Dateien gesteuert wird, wodurch sich die Vorlaufzeiten von Monaten auf Wochen verkürzen.

• Hochleistungsinfrastruktur: Unterstützt durch die MX3D-Anlage in Amsterdam, in der mehr als 15 spezialisierte Drucksysteme rund um die Uhr im Dauerbetrieb laufen.

• Bewährte und zertifizierte Einsatzbeispiele: Bestätigt durch vielbeachtete Praxiserfolge, darunter sicherheitskritische Rohrleitungsschellen, schwere Laufräder für den Energiesektor und die weltweit erste voll funktionsfähige, im 3D-Druckverfahren hergestellte Fußgängerbrücke aus Stahl.

Die Entwicklung der industriellen Fertigung

Der großformatige 3D-Metalldruck ist ein fortschrittliches Verfahren der additiven Fertigung, bei dem robotergestützte Handhabungssysteme zum Einsatz kommen, um geschmolzenen Metalldraht entlang softwaregesteuerter Bahnen aufzutragen. Durch die Kombination von automatisiertem robotergestützten 3D-Metalldrucks mit Lichtbogenschweißtechnologien werden bei diesem Verfahren hochdichte Strukturbauteile ohne herkömmliche Geometrieeinschränkungen hergestellt. Diese Methode ermöglicht es der Industrie weltweit, den großformatigen Metall-3D-Druck Workflow zur Herstellung schwerer Bauteile mit einer Länge von bis zu mehreren Metern nutzen und so die strengen baulichen Größenbeschränkungen herkömmlicher Pulverbettmaschinen effektiv umgehen.

Seit Jahrzehnten stehen Ingenieurteams bei der Herstellung massiver Metallbauteile vor einem gravierenden Fertigungsengpass. Herkömmliche Pulverbettfusionstechnologien sind physikalisch auf kleine Baukammern beschränkt, wodurch die maximale Bauteilgröße in der Regel auf unter 300 Millimeter begrenzt ist. Traditionelle Verfahren wie das Gießen erfordern monatelange Vorbereitungen für teure Sonderwerkzeuge und Gussformen, während aufwendige Freiformschmiedeverfahren mit erheblichen Beschaffungsvorlaufzeiten verbunden sind, die kritische Infrastrukturprojekte um bis zu ein Jahr verzögern können.

Implementierung der additiven Fertigung mit waam mittels eines uneingeschränkten industriellen Metall-3D-Druckers werden diese räumlichen und finanziellen Grenzen vollständig beseitigt. Da dieses mehrachsige Robotersystem völlig unabhängig von einer geschlossenen Baukammer arbeitet, druckt es bedarfsgerecht hochleistungsfähige Strukturteile mit außergewöhnlichen Auftragsraten von 2 bis 8 Kilogramm pro Stunde. Als eine der qualifiziertesten Produktionsstätten in Europa hat MX3D die industrielle Skalierbarkeit dieses Ansatzes direkt validiert und Pionierarbeit bei der Herstellung kritischer Strukturen geleistet – darunter die berühmte MX3D-Brücke in Amsterdam , der weltweit ersten voll funktionsfähigen, 3D-gedruckten Stahl-Fußgängerbrücke im öffentlichen Einsatz.

Warum WAAM die skalierbarste Technologie für den 3D-Metalldruck ist

Eine skalierbare additive Fertigung mit Metall erfordert ein Aufbringungsverfahren, bei dem die Produktionsgröße vom festen Maschinenrahmen entkoppelt wird, ohne dabei die Wirtschaftlichkeit zu beeinträchtigen. Die additive Fertigung mittels Drahtlichtbogen (Wire Arc Additive Manufacturing) erreicht diese Skalierbarkeit, indem sie Standard-Industrieroboter in flexible Druckköpfe verwandelt, sodass Unternehmen Teile drucken können, die so groß sind, wie es die räumlichen Gegebenheiten ihrer Anlage zulassen.

Keine Beschränkungen hinsichtlich der Größe der Baukammer

Herkömmliche 3D-Druckverfahren für Metalle wie das selektive Laserschmelzen oder das Elektronenstrahlschmelzen sind grundsätzlich durch das physikalische Volumen ihrer internen Vakuumkammern oder Pulverkammern begrenzt. Die Skalierung einer Pulverbettmaschine für die Fertigung von Bauteilen im Mehrmeterbereich erfordert ein exponentiell größeres Volumen an speziellem, atomisiertem Pulver, was immense Investitionskosten und einen komplexen Aufwand für den Umweltschutz mit sich bringt. Systeme zur lasergesteuerten Energieabscheidung (DED) sind ebenfalls auf präzise mehrachsige Portalrahmen oder große Gasreinigungsboxen angewiesen, die den Bewegungsspielraum einschränken.

Roboter-Lichtbogenschweißanlagen arbeiten im Freien und nutzen ein lokal begrenztes Inertgas, das direkt durch die Brennerdüse zugeführt wird, um das lokale Schmelzbad zu schützen. Da diese Technologie keine externen Kammerwände erfordert, ist die physische Reichweite des Industrieroboterarms die einzige praktische Einschränkung hinsichtlich der Endabmessungen des Bauteils. Durch die Montage dieser Robotermanipulatoren auf Linearführungen oder Portalschienen lässt sich der Arbeitsbereich unbegrenzt erweitern, was die kontinuierliche Fertigung monolithischer Metallkonstruktionen mit einer Spannweite von mehreren Metern ermöglicht.

Abscheidungsraten, die die Herstellung großer Bauteile wirtschaftlich rentabel machen

Die Fertigung schwerer Strukturbauteile erfordert eine Technologie, mit der sich große Materialmengen innerhalb enger kommerzieller Zeitvorgaben auftragen lassen. Pulverbettsysteme tragen das Material in mikroskopisch dünnen Schichten auf, wodurch die Herstellung eines 100-Kilogramm-Bauteils aufgrund der mehrwöchigen Fertigungszeiten völlig unrentabel wird. Die laserbasierte Energieabscheidung baut Material schneller auf, ist jedoch nach wie vor durch hohe Systemkosten und Einschränkungen bei der Pulverausnutzung begrenzt.

Bei der Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung wird ein Lichtbogen genutzt, um robusten Schweißdraht als Ausgangsmaterial zu schmelzen, wodurch eine schnelle Materialaufbringung erreicht wird, die sich effektiv für die Schwerindustrie skalieren lässt. Je nach gewähltem Material ermöglichen die aktuellen Konfigurationen regelmäßig hohe Abscheidungsraten zwischen 2 und 8 Kilogramm pro Stunde. Diese Geschwindigkeit gewährleistet, dass massive Industriekomponenten innerhalb eines Bruchteils der Zeit, die alternative additive Verfahren erfordern, vom digitalen Entwurf in einen nahezu endkonturgenauen Zustand übergehen.

Vergleich verschiedener Abscheidungstechnologien

Technologie	Bereich der Abscheidungsrate	Praktische maximale Größe	Form des Ausgangsmaterials
WAAM (Bogen DED)	2 bis 8 Kilogramm pro Stunde	Mehrere Meter (abhängig von der Reichweite des Roboters)	Standard-Schweißdraht
Laser-DED	0,5 bis 2 Kilogramm pro Stunde	Etwa 1 Meter	Spezialpulver oder -draht
Laser-PBF	0,1 bis 0,5 Kilogramm pro Stunde	Genau unter 300 Millimeter	Feines, fein zerstäubtes Pulver

Keine Werkzeugkosten und keine Vorlaufzeit durch Formen

Die traditionelle Schwerindustrie ist auf die Stabilisierung von Werkzeugen für die Großserienfertigung angewiesen. Beim industriellen Sandguss müssen Gießereien sechs bis achtzehn Monate für die Konstruktion, Validierung und das Fräsen komplexer Holz- oder Metallmodelle aufwenden, bevor auch nur ein Tropfen flüssiges Metall eingegossen werden kann. Die anfänglichen Investitionskosten für diese maßgeschneiderten Formen belaufen sich häufig auf mehrere Tausend Euro, was die Produktion kleiner Stückzahlen oder individueller Einzelstücke wirtschaftlich unrentabel macht.

Die additiven Fertigungsverfahren mit Drahtbogen überspringen die gesamte Formbau-Phase in der Lieferkette. Da die Software zur Planung der Roboterbahnen die Produktion direkt aus einer digitalen CAD-Datei (Computer-Aided Design) steuert, beginnt der Fertigungsprozess für das erste physische Bauteil bereits innerhalb von Wochen statt Monaten. Durch den Wegfall von Sonderwerkzeugen entfallen Mindestbestellmengen, das finanzielle Risiko für Beschaffungsteams wird verringert und schnelle Designiterationen sind möglich, ohne dass teure Ausschusskosten drohen.

Großserienfertigung nach dem WAAM-Verfahren bei MX3D

Die Auftragsfertigung im Großformat erfordert eine integrierte Anlage, die in der Lage ist, hochleistungsfähige Roboterprozesse unter Einhaltung strenger Qualifikationsstandards zu steuern. MX3D verfügt über eine spezialisierte Infrastruktur, die für die Durchführung umfangreicher Druckprojekte unter strengen Qualitätskontrollprotokollen optimiert ist.

Technische Daten des M1-Systems

Um Unternehmen eigenständige, interne Fertigungskapazitäten zu ermöglichen, bietet MX3D das schlüsselfertige Robotersystem M1 an. Die Standardkonfiguration des M1 verfügt über einen großzügigen Bauraum mit einer Breite von 2200 Millimetern, einer Tiefe von 1400 Millimetern und einer Höhe von 1700 Millimetern. Für Bauteile, die diese Standardabmessungen überschreiten, ermöglichen maßgeschneiderte Konfigurationen eine Erweiterung der Tragkraft, sodass auch massive Objekte mit einem Gewicht von bis zu 750 kg bearbeitet werden können.

Die Hauptproduktionsstätte in Amsterdam beherbergt über 15 spezialisierte Roboter für die additive Fertigung mittels Lichtbogen. Diese zentralisierte Infrastruktur arbeitet rund um die Uhr im automatisierten Produktionsbetrieb und bietet der Schwerindustrie eine außergewöhnlich skalierbare Auftragsfertigungsressource, die jährlich Tausende Kilogramm Metallteile verarbeiten kann.

Bewährte Großprojekte

Die wichtigste Bestätigung für jede „Near-Net-Shape“-Technologie liegt in ihrer Praxiserfahrung. Der historische Meilenstein unserer Erfolgsbilanz im Großdruck ist die MX3D-Brücke in Amsterdam. Dieses Projekt hat den Aufsichtsbehörden erfolgreich bewiesen, dass die Drahtlichtbogentechnologie strenge Sicherheitsvorschriften im Hoch- und Tiefbau sicher erfüllen kann, ohne auf herkömmliche Tragbalken zurückgreifen zu müssen. Zu den weiteren Referenzprojekten zählen der 750 kg schwere Industrieventilkörper, das Framatome-Laufrad und das strukturelle Dolium.

Über den Bereich der öffentlichen Infrastruktur hinaus hat unser Werk erfolgreich ein massives, 350 Kilogramm schweres Laufrad aus Nickel-Aluminium-Bronze gefertigt, das speziell für anspruchsvolle Anwendungen im Energiesektor entwickelt wurde. Diese Industriekomponente wurde in nur 9 Tagen hergestellt und ermöglichte im Vergleich zum herkömmlichen Gussverfahren eine Verkürzung der gesamten Beschaffungsvorlaufzeit um 80 Prozent.

In einem dritten bedeutenden Anwendungsfall lieferte unser Team eine vollständig zertifizierte strukturelle Rohrleitungsklemme, die für Hochdruckumgebungen in der Öl- und Gasindustrie ausgelegt ist. Diese sicherheitskritische Komponente wurde strengen zerstörungsfreien Prüfungen (NDT) durch unabhängige Dritte unterzogen, wodurch nachgewiesen wurde, dass additive Fertigungsverfahren mit Lichtbogen die Dichte, die mechanischen Eigenschaften und die behördlichen Zulassungen erreichen können, die erforderlich sind, um schwere geschmiedete Fittings in Einsatzbereichen mit hohem Risiko zu ersetzen.

Materialien für den großformatigen 3D-Metalldruck

Die Auswahl von Materialien in Industriequalität bestimmt, wie sich ein schweres Bauteil unter extremen strukturellen, thermischen und korrosiven Belastungen verhält. Bei großtechnischen Lichtbogenschweißverfahren kommen industrielle Standardschweißdrähte zum Einsatz, die vollständig in globale Materialversorgungsketten integriert sind.

Legierungen für den Maschinenbau

Werkstoffgüte	Entscheidender technischer Vorteil bei großen Bauteilen	Typische industrielle Anwendung
SS316L & Duplex 2205	Hervorragende Korrosionsbeständigkeit und strukturelle Streckgrenze.	Offshore-Knotenpunkte und maritime Bauelemente.
Duplex 2209	Außergewöhnliche Beständigkeit gegen lokale Lochfraßbildung in Meerwasser.	Unterwasserverteiler und Druckkomponenten für Ölfelder.
Kohlenstoffstahl	Kostengünstige mechanische Leistung für große Bauwerke.	Schwerbau-Rahmenkonstruktionen und maßgeschneiderte industrielle Werkzeuge.
Inconel 625 und 718	Strukturelle Stabilität bei hohen Temperaturen und Oxidationsbeständigkeit.	Komponenten für den Energiesektor und industrielle Druckbehälter.
Aluminium (5356, 5183, 6063)	Leichte Optimierung für umfangreiche kundenspezifische Konfigurationen.	Aufbauten für Schiffe und architektonische Paneele in Freiform.

Durch den Einsatz handelsüblicher Schweißdrähte senken groß angelegte WAAM-Systeme die Rohstoffbeschaffungskosten im Vergleich zu Pulverbettverfahren drastisch, bei denen spezielle zerstäubte Pulver pro Kilogramm bis zu zwanzigmal so viel kosten können. Dieses offene Material-Ökosystem stellt sicher, dass Ingenieure mithilfe vertrauter, zertifizierter Werkstoffe auf die additive Fertigung umsteigen können.

Wer braucht großformatigen 3D-Metalldruck?

Die additive Fertigung im Großformat bietet kapitalintensiven Branchen, in denen Ausfallzeiten von Anlagen ein immenses finanzielles Risiko darstellen, erhebliche strategische Vorteile. Diese Technologie zielt auf Engpässe in der Lieferkette in vier wichtigen globalen Sektoren ab:

Maritim

Die Schifffahrtsbranche ist aufgrund der langen Lieferketten für schwere Strukturgussteile mit erheblichen betrieblichen Schwachstellen konfrontiert. Wenn ein kritisches Schiffskomponente wie ein Propellerblatt, ein spezieller Ruderschaft oder ein Strukturknotenpunkt ausfällt, kostet das monatelange Warten auf die Herstellung eines Ersatzteils mittels herkömmlicher Gussverfahren die Schiffseigner Zehntausende Euro an täglichen Betriebsausfällen. Der großformatige Drahtlichtbogendruck behebt diese Schwachstelle, indem er Ersatzteile auf Abruf herstellt und dabei vollverdichtete, für den Schiffsbau geeignete Komponenten liefert, deren Eigenschaften denen von Gussteilen entsprechen oder diese sogar übertreffen.

Energie

In der vorgelagerten Öl- und Gasförderung, der nachgelagerten Raffinerie sowie in der modernen Stromerzeugung müssen Anlagen hohen Drücken, Temperaturschwankungen und korrosiven Flüssigkeiten standhalten. Herkömmliche Beschaffungsfristen für schwere Ventilkörper, Unterwasserverteiler, große Flansche und maßgefertigte Druckbehälter führen häufig zu Verzögerungen bei Anlagenerweiterungen oder Wartungsstillständen. Das Drahtlichtbogendruckverfahren beschleunigt diese Zeitpläne, indem es Energiekomponenten in nahezu endgestellter Form mit minimalem Rohstoffverlust herstellt und dabei strenge internationale Konstruktionsvorschriften für Druckbehälter einhält.

Architektur und Bauwesen

Der moderne Hochbau erfordert zunehmend komplexe Freiformgeometrien und hochoptimierte Stahlkonstruktionsknotenpunkte, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht wirtschaftlich hergestellt werden können. Durch die Kombination von Roboterbewegungen mit der Erzeugung mehrachsiger Werkzeugwege ermöglicht das Drahtlichtbogendruckverfahren Bauingenieuren die Fertigung maßgeschneiderter Stahlbauteile und individueller architektonischer Knotenpunkte direkt auf Basis digitaler Koordinaten. Der 6 Meter hohe „Tresse Tower“ ist ein bleibendes Beispiel dafür, wie dieser Ansatz geometrische Freiheit ermöglicht und gleichzeitig die strukturelle Integrität gewährleistet.

Verteidigung

Die Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie erfordern absolute Unabhängigkeit in der Lieferkette und die Fähigkeit zur raschen Modernisierung. Die Abhängigkeit von anfälligen globalen Lieferketten bei der Beschaffung massiver Strukturhalterungen, Transportrahmen oder Ersatzteilen für ältere Verteidigungsplattformen birgt erhebliche strategische Risiken. Der großformatige Roboterdruck ermöglicht es Verteidigungsorganisationen, lokale Produktionszentren nach Bedarf einzurichten, in denen schwere Bauteile aus Draht als Ausgangsmaterial gefertigt werden. Dadurch wird die Abhängigkeit von weit entfernten Gießereien verringert und die Logistikwege drastisch verkürzt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist das größte Metallteil, das im 3D-Druck hergestellt werden kann?

Die maximale Größe eines mittels Draht-Lichtbogen-Additivfertigung (WAAM) hergestellten Metallteils wird fast ausschließlich durch die physische Reichweite des Industrieroboterarms und die Länge des von ihm befahrenen Schienensystems begrenzt. Mit WAAM gedruckte Bauteile können Längen von mehreren Metern überschreiten, wie Beispiele aus der Schwerindustrie – etwa Druckbehälter und Pulperschnecken – sowie architektonische Objekte wie die „Cucuyo Bar“ und die „Dragon Bench“ zeigen.

Was ist der größte 3D-Drucker der Welt?

Während herkömmliche Großformatsysteme massive, geschlossene Portalrahmen verwenden, die Millionen Euro kosten, basiert der zugänglichste Ansatz für die Großformatfertigung auf mehrachsigen Industrieroboterarmen, die auf Linearführungen montiert sind. MX3D nutzt in seiner Auftragsfertigungsanlage in Amsterdam eine Infrastruktur aus mehr als 15 automatisierten Robotersystemen und bietet damit einen uneingeschränkten und hoch skalierbaren Fertigungsbereich, in dem Strukturteile mit einem Gewicht von bis zu 20 Tonnen gedruckt werden können.

Wie schneidet der großformatige 3D-Metalldruck im Vergleich zum Gießen und Schmieden ab?

Traditionelle Guss- und Schmiedeverfahren eignen sich hervorragend für die Serienfertigung großer Stückzahlen, sind jedoch mit langen Vorlaufzeiten, hohen Kosten für maßgeschneiderte Formen und erheblichem Materialabfall bei der Nachbearbeitung verbunden. Das Drahtlichtbogendruckverfahren macht den Aufwand für maßgeschneiderte Werkzeuge überflüssig und verkürzt die anfänglichen Vorlaufzeiten von Monaten auf Wochen. Darüber hinaus wird ein deutlich niedrigeres „Buy-to-Fly“-Verhältnis erreicht, da Material nur dort aufgebracht wird, wo es strukturell erforderlich ist, wodurch der Rohstoffabfall minimiert wird.

Welche Materialien können für den großformatigen 3D-Metalldruck verwendet werden?

Die Großanlagen-Drahtlichtbogentechnologie ist vollständig kompatibel mit einem umfangreichen Sortiment an handelsüblichen Standard-Schweißdrähten. Dazu gehören hochfeste Kohlenstoffstähle, bauliche Edelstähle wie 316L, korrosionsbeständige Duplex- und Super-Duplex-Stähle, leistungsstarke, leichte Aluminiumlegierungen sowie hochtemperaturbeständige Nickel-Superlegierungen wie Inconel 625 und 718.

Wie lange dauert die Herstellung eines großen Metallteils mit WAAM?

Der gesamte Produktionszeitraum für ein „Near-Net-Shape“-Bauteil reicht von wenigen Tagen bis zu mehreren Wochen und hängt dabei ausschließlich vom Gesamtvolumen der Geometrie, dem Gesamtgewicht des Bauteils und den erforderlichen Materialeigenschaften ab. Da hochleistungsfähige Roboterzellen eine Abscheidungsrate von bis zu 8 Kilogramm pro Stunde erreichen, verläuft die eigentliche Druckphase außerordentlich schnell, sodass sich das Ingenieurteam ausschließlich auf die Nachbearbeitung und die Qualitätsprüfung konzentrieren kann.

Sind Sie bereit für den Druck in großem Maßstab?

Die Umstellung Ihrer Projekte im Schwermaschinenbau von herkömmlichen Guss- und Schmiedeteilen auf den großformatigen Metall-3D-Druck erfordert einen erfahrenen Partner mit nachweisbaren Erfolgen in diesem Bereich. MX3D betreibt Europas führende robotergesteuerte Drahtlichtbogen-Anlage und nutzt eine Infrastruktur aus mehr als 15 automatisierten Produktionszellen, die rund um die Uhr im Einsatz sind, um vollständig zertifizierte, formnahe Bauteile für die anspruchsvollsten Branchen weltweit zu liefern. Ganz gleich, ob Sie ein kritisches Einzelstück als Ersatzteil herstellen oder den Kauf einer modernen hauseigenen Produktionszelle prüfen möchten – unser Team bietet Ihnen umfassende technische Unterstützung, zuverlässige zertifizierte Qualität und kurze Lieferzeiten von unserem Hauptstandort in Amsterdam aus.

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