Kohlenstoffstahl und Baustahl lassen sich mithilfe des Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)-Verfahrens in großem Maßstab im 3D-Druck herstellen. Durch den Einsatz einer mehrachsigen Roboter-Auftragschweißtechnik und handelsüblichen Schweißdrahts können hochbelastbare tragende Stahlbauteile bedarfsgerecht gedruckt werden, wobei die räumlichen Einschränkungen herkömmlicher 3D-Druckkammern vollständig umgangen werden.
Für stark korrosive Meeresumgebungen oder spezielle Hochleistungs-Werkzeuganwendungen führt MX3D zudem umfangreiche Qualifizierungsprogramme für den den 3D-Druck mit Edelstahl , Super-Duplex-Edelstahl sowie kundenspezifische Werkzeugstähle. Bei der Herstellung von Offshore-Knotenpunkten, Schiffbauteilen oder Halterungen für Schwermaschinen bietet der Einsatz von WAAM für Baustahl geometrische Flexibilität und eine erhebliche Verkürzung der langen Vorlaufzeiten in der Lieferkette.
Warum WAAM ideal für kohlenstoffarmen Stahl und Baustahl ist
Die wirtschaftlichen und physikalischen Einschränkungen der additiven Fertigung hängen vom gewählten Verfahren ab. Während Pulverbettfusionssysteme sich hervorragend für den Druck kleiner, präziser Bauteile eignen, sind sie für große Strukturteile aufgrund der astronomisch hohen Kosten für spezielle pulverisierte Materialien und der begrenzten Baukammern wirtschaftlich nicht rentabel.
Kohlenstoffarmer Stahl eignet sich ideal für die additive Fertigung mittels Drahtlichtbogenschweißen (WAAM). Er ist sehr beliebt, da er relativ kostengünstig ist und sich perfekt mit Standardgeräten für das Metall-Schutzgasschweißen (GMAW) kombinieren lässt. Kohlenstoffreicher Stahl hingegen ist für WAAM-Anwendungen nicht ideal.
WAAM wurde speziell für die industrielle Großserienfertigung entwickelt. Durch die Verwendung kostengünstiger, weltweit verfügbarer und schweißbarer Drahtmaterialien sinken die Materialbeschaffungskosten erheblich. Diese äußerst günstige Kostenstruktur geht mit einer außergewöhnlich hohen Abscheidungsrate einher, sodass industrielle Roboterarme kontinuierlich 2 bis 8 Kilogramm Stahl pro Stunde auftragen können.
Diese Fähigkeit ist perfekt auf die Fertigung von großformatigen Bauteilen in „Near-Net-Shape“-Qualität abgestimmt. Große Strukturknoten, komplexe Halterungen, Sockel für Schwermaschinen sowie maßgeschneiderte Bauteile für die Offshore- oder Schiffbauindustrie lassen sich innerhalb weniger Tage oder Wochen von einer digitalen CAD-Datei in ein vollständig dichtes physisches Bauteil umsetzen. Durch die Herstellung von Bauteilen mit einer Länge von über 6 Metern und einem Gewicht von über 20 Tonnen bei geringerem Materialverlust reduziert WAAM den subtraktiven Abfall der CNC-Bearbeitung sowie die monatelangen Vorlaufzeiten für den Werkzeugbau, die mit dem traditionellen Schwerguss verbunden sind, erheblich.
Stahlsorten – MX3D-Drucke
Die folgenden zertifizierten Kohlenstoff- und Baustahlsorten bilden das Kernsortiment an Werkstoffen, die für das robotergestützte Auftragen im Großformat zur Verfügung stehen.
Kohlenstoffstähle / niedriglegierte Stähle
- ER70S-6 (Baustahl): Dieser nach AWS A5.18 / EN ISO 14341 normierte Stahl ist das Allround-Arbeitstier der Branche im Stahlbau. Er zeichnet sich durch einen hohen Siliziumgehalt aus, der beim robotergestützten Schweißen eine hervorragende Fließfähigkeit des Schweißbads gewährleistet. Er wird häufig für schwere Bauwerkskonstruktionen, allgemeine Maschinenfundamente und Konstruktionsknotenpunkte verwendet.
- ER80S-Serie (ER80S-D2, ER80S-Ni1, ER80S-Ni2): Diese gemäß AWS A5.28 regulierten niedriglegierten Drähte (wie beispielsweise der mit Molybdän legierte ER80S-D2) werden zum Schweißen von hochfesten Konstruktionsblechen und für Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Kälteschlagzähigkeit erfordern. Sie sind ein fester Bestandteil im Schiffbau unter kalten Wetterbedingungen und in der Fertigung von Schwermaschinen in bestimmten Regionen.
Hochfeste niedriglegierte Stähle (HSLA)
- ER100S-G, ER110S-G und ER120S-G: Diese hochfesten Stahlsorten wurden für Umgebungen entwickelt, die eine außergewöhnliche Streckgrenze und hohe Schlagzähigkeit erfordern. Sie kommen in großem Umfang in kritischen Stahlkonstruktionen, hochbelastbaren Rohrleitungen und spezialisierten Verteidigungsmaschinen zum Einsatz.
- NiMo und NiCrMo: Diese hochfesten Legierungsdrähte werden zur Bewältigung extremer dynamischer Belastungen eingesetzt und sind daher die erste Wahl für hochbelastbare Konstruktionsanwendungen, Offshore-Anschlüsse und moderne Schwermaschinen.
Übersicht über das WAAM-Portfolio im Bereich Baustahl
| Klassenstufe | Typische Beispiele | Typische Ertragsklasse | Hauptanwendung | Abscheidungsrate |
| Kohlenstoffstahl | ER70S-6 | ~400–450 MPa | Allgemeine Tragkonstruktion, Fundamente | 2–8 kg/h |
| Standard-niedriglegierter Stahl | ER80S-D2, ER80S-Ni1 | ~470–550 MPa | Schiffbau bei kaltem Wetter, Schwermaschinen | 2–8 kg/h |
| HSLA-Stahl | ER100S-G bis ER120S-G, NiMo, NiCrMo | ~690–830 MPa | Hochleistungsfähige strukturelle Offshore-Knotenpunkte | 2–8 kg/h |
Mechanische Eigenschaften von WAAM-Stahl
Um WAAM-Teile sicher in tragenden Bauteilen einsetzen zu können, benötigen Ingenieure nachweisbare metallurgische Leistungsmerkmale. Mit dem WAAM-Verfahren aufgebrachte Baustähle weisen durchweg mechanische Eigenschaften auf, die mit denen von geschmiedeten Stählen vergleichbar sind oder diese sogar übertreffen.
Auf der Grundlage strenger interner Tests und einer Qualifizierung durch unabhängige Dritte gilt die Norm ER70S-6 (Kohlenstoffstahl) äußerst gleichbleibende Eigenschaften auf:
- Zugfestigkeit (UTS): 490 MPa, A% ist korrekt
- Streckgrenze: 375 MPa
- Dehnung: 25 – 30 %
Bei den hochfesten, niedriglegierten Varianten steigen die Streckgrenzen deutlich an, während die funktionale Duktilität und die hohe Charpy-Schlagzähigkeit erhalten bleiben. Da beim WAAM-Verfahren das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, kann es gelegentlich zu einer inhärenten mikrostrukturellen Anisotropie kommen. MX3D kontrolliert dies streng durch fortschrittliche robotergesteuerte Werkzeugwegplanung und symmetrische Wärmemanagementstrategien.
Wenn maximale isotrope Festigkeit gefordert ist, werden die Bauteile spezifischen Wärmebehandlungen nach dem Schweißen (PWHT) und Spannungsarmglühzyklen unterzogen. Im Vergleich zu gewalztem oder geschmiedetem Baustahl bietet das WAAM-Verfahren eine völlig gleichwertige mechanische Kernsicherheit, bietet jedoch zusätzlich den enormen Vorteil einer entkoppelten geometrischen Freiheit und deutlich verkürzter Vorlaufzeiten.
Nachbearbeitung und Zertifizierung
Da es sich bei WAAM um ein Near-Net-Shape-Verfahren handelt, weisen die gedruckten Bauteile eine charakteristische gerippte Oberflächenbeschaffenheit auf. Der Konstruktionsablauf berücksichtigt präzise Bearbeitungszugaben für „Near-Net-Shape“-Metalldrucke , um sicherzustellen, dass kritische funktionale Schnittstellen per CNC auf exakte Endmaßtoleranzen bearbeitet werden können, während nichtfunktionale Volumenbereiche oft problemlos im gedruckten Zustand belassen werden können.
Um die gemäß den Vorschriften für die Bau- und Seeverkehrssicherheit erforderliche strukturelle Integrität zu gewährleisten, arbeitet MX3D nach umfassenden Qualitätssicherungsprotokollen. Jede kritische Schicht kann mithilfe strenger zerstörungsfreien Prüfverfahren für robotergestützte WAAM-Bauteile , einschließlich Ultraschall- und Eindringprüfungen.
Die Produktionsumgebung von MX3D stützt sich auf einen soliden, für die Schwerindustrie optimierten Zertifizierungsprozess:
- DNV-Zertifizierung: Vollständig normkonforme Fertigung von schweren Offshore-Bauteilen.
- ASME Abschnitt IX: Nachgewiesene strukturelle Integrität von Druckgeräten.
- ISO 9001: Strikte Einhaltung internationaler Qualitätsmanagementsysteme.
Anwendungen
Der Druck von Stahlkonstruktionen im Großformat bietet erhebliche strategische Vorteile in kapitalintensiven Branchen, in denen einzigartige Geometrien oder schnelle Lieferketten eine wichtige Rolle spielen.
Offshore- und Energiekonstruktionen : Durch den Einsatz robuster HSLA-Stahlbauteile wie maßgeschneiderter Strukturknoten, spezieller Rohrverbindungsstücke und schwerer Ventilkörper ermöglicht der 3D-Druck in Öl- und Gasanwendungen die Umgehung langer Vorlaufzeiten beim Schmieden und erfüllt gleichzeitig die strengen API- und DNV-Konstruktionsnormen.
Schiffbau : Lokale und bedarfsgerechte Fertigung maßgeschneiderter maritimer Halterungen und Konstruktionselemente für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen, wodurch Verzögerungen im Trockendock drastisch reduziert werden.
Architektur & Bauwesen : Konstruktion großer, topologieoptimierter Stahlknotenpunkte und komplexer Gebäudeverbinder direkt aus digitalen Entwürfen.
Schwermaschinen & Verteidigung : Sicherung der Lieferkettenresilienz durch die schnelle Fertigung maßgeschneiderter Werkzeuge, Transporthalterungen und Ersatzteile für ältere Baugruppen.
Die wichtigste Bestätigung für WAAM-Baustahl liegt in seinem Einsatz in der Praxis. MX3D hat maßgeblich wichtige Meilensteine im Stahlbau vorangetrieben, wie beispielsweise das Hybrid-Baustahlprojekt „Imperial College Pioneer“ und die maßgeschneiderte Stahlverbinder von Takenaka , und damit gezeigt, wie die mehrachsige Bahnplanung anspruchsvolle Sicherheitsvorschriften im Hoch- und Tiefbau mühelos erfüllt.
So bestellen Sie ein Stahlteil bei uns
Die Beschaffung von WAAM-Stahlbauteilen ist ein optimierter Prozess, der auf einen schnellen industriellen Einsatz ausgelegt ist. Für Unternehmen, die eine sofortige Fertigung von Bauteilen benötigen, führt unsere Serviceeinrichtung „Print-on-Demand“-Aufträge aus. Alternativ liefert MX3D für großvolumige Unternehmensbetriebe komplette, schlüsselfertige M1-WAAM-Robotersysteme für den Einsatz in eigenen Produktionsstätten.
Um einen Auftrag für die Print-on-Demand-Produktion zu erteilen, benötigt unser Team für technische Anwendungen folgende Angaben:
- Digitale Geometrie: Ein CAD-Modell, das die Konturen des Bauteils darstellt.
- Güteklasse: Auswahl der erforderlichen Streckgrenze (z. B. ER70S-6 für Standardkonstruktionen, ER100S-G oder höher für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Streckgrenze).
- Zertifizierungsanforderungen: Angabe der erforderlichen Prüfungen, Verfahren zur Spannungsentlastung oder Klassifikationen durch unabhängige Schifffahrtsklassifikationsgesellschaften (Lloyd’s Register, DNV usw.).
Häufig gestellte Fragen
Kann man Kohlenstoffstahl im 3D-Druck verarbeiten?
Ja, Kohlenstoffstahl lässt sich mithilfe des Wire-Arc-Additive-Manufacturing-Verfahrens (WAAM) in großem Maßstab robust im 3D-Druck herstellen. Im Gegensatz zu Pulverbettschmelzverfahren, bei denen die Bauteilgröße eine Herausforderung darstellt, nutzt WAAM handelsüblichen Schweißdraht (wie ER70S-6) und mehrachsige Robotik, um kontinuierlich große Stahlbauteile mit einer Spannweite von mehreren Metern aufzutragen.
Welche Stahlsorten lassen sich im 3D-Druck verarbeiten?
MX3D unterstützt ein umfassendes Portfolio an Kohlenstoff- und Baustahlsorten. Dazu gehören Standard-Weichstähle wie ER70S-6, niedriglegierte Drähte wie ER80S-D2 für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen sowie hochfeste, niedriglegierte (HSLA) Varianten wie ER100S-G und NiMo für den Einsatz unter hoher Belastung.
Wie fest ist 3D-gedruckter Stahl?
Bei der Aufbringung mittels kontrollierter WAAM-Verfahren erreicht 3D-gedruckter Stahl eine hervorragende mechanische Festigkeit. So erreicht beispielsweise der Standard-WAAM-Kohlenstoffstahl ER70S-6 eine Zugfestigkeit von 500–550 MPa und eine Streckgrenze von 400–450 MPa, wodurch er sich strukturell für den Hochbau und die Schwerindustrie eignet.
Ist 3D-gedruckter Stahl genauso fest wie geschmiedeter Stahl?
Ja, wenn sie unter strengen Qualitätskontrollen hergestellt und einer ordnungsgemäßen Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen werden, erreichen WAAM-aufgetragene Baustähle regelmäßig mechanische Eigenschaften, die denen von herkömmlichem geschmiedetem Stahl nahekommen oder diesen vollständig entsprechen.
Können Sie Bauteile aus Baustahl im 3D-Druck herstellen?
Auf jeden Fall. WAAM wird aktiv zur Fertigung großer, zertifizierter Stahlbauteile eingesetzt, darunter Knotenpunkte für Offshore-Pipelines, schwere Halterungen für den Schiffsbau und topologieoptimierte architektonische Verbindungen. Die Stahlfertigung von MX3D unterliegt strengen Zertifizierungsverfahren von Lloyd’s Register und DNV.
Die Technologie verstehen
Um einen tieferen Einblick in unser umfassendes Materialangebot zu erhalten, lesen Sie unseren vollständigen Leitfaden zu WAAM-Materialien und -Zertifizierung , oder erfahren Sie in unserer umfassenden Analyse von „WAAM im Vergleich zu Guss und Schmieden“ .
