Die Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM) hat sich von einem reinen Kosteneinsparungsmechanismus zu einem leistungsstarken Wegbereiter für uneingeschränkte Gestaltungsfreiheit bei schweren Industriekomponenten entwickelt. Dieses Whitepaper beschreibt, wie das schichtweise Auftragen durch Roboter die physikalischen Einschränkungen der subtraktiven Bearbeitung und des Gießverfahrens beseitigt und es Ingenieuren ermöglicht, ihre Konstruktionen ausschließlich auf die strukturelle Leistungsfähigkeit auszurichten, anstatt sich nach der Fertigungsfreundlichkeit zu richten. Anhand praktischer Anwendungsbeispiele wie dem ENGIE-Laufrad und dem BMW-Federbein erläutert das Dokument detailliert, wie Topologieoptimierung, die Prinzipien des „Design for Additive Manufacturing“ (DfAM) und fortschrittliche Software-Lösungen eine bessere Materialeffizienz, die Konsolidierung von Bauteilen und die Verarbeitung mehrerer Materialien ermöglichen.
Wichtigste Ergebnisse:
- Extreme Materialeffizienz: Herkömmliche subtraktive Verfahren führen oft zu extrem hohen „Buy-to-Fly“-Verhältnissen (BTF) von bis zu 20:1, doch WAAM senkt diesen Wert auf 1,2:1. Das 350 kg schwere ENGIE-Laufrad veranschaulicht dies perfekt: Anstelle eines 2.500 kg schweren massiven Rohblocks trug WAAM lediglich 500 kg Material auf, wodurch über 2.000 kg Abfall vermieden wurden und der Druckvorgang in nur 9 Tagen abgeschlossen war.
- Uneingeschränkte Geometrien: Der Druck ohne Formen ermöglicht variable Wandstärken, komplexe interne Kühlkanäle und selbsttragende Strukturen (mit Überhängen von bis zu 60 Grad). Zudem ermöglicht er den Druck mit mehreren Materialien, sodass Ingenieure die Eigenschaften innerhalb eines Monoblock-Bauteils individuell anpassen können, beispielsweise bei einem ER70-Grundkörper mit einer Ummantelung aus Inconel 625.
- Teilkonsolidierung und Nachhaltigkeit: Die Fallstudie zur BMW-Federbeinstütze zeigt, wie WAAM komplexe Baugruppen zu hochoptimierten Einzelteilen konsolidieren kann. Diese konsolidierten Teile halten hohen zyklischen Belastungen stand, ohne dass ein vollständiges Nachfräsen erforderlich ist, und senken gleichzeitig die Fertigungsemissionen und das Gewicht drastisch.
- Design for WAAM (DfAM): Um die Abscheidungseffizienz zu maximieren, müssen Ingenieure ihre Entwürfe an die physikalischen Gegebenheiten des Lichtbogens anpassen. Dies erfordert die Auslegung auf durchgehende Werkzeugwege zur Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Wärmeverteilung, die Minimierung von Starts und Stopps, die Auslegung horizontaler Bohrungen in Tropfenform sowie die Einhaltung gleichmäßiger Wandstärken.
- Die Software-Brücke: Die Umsetzung komplexer CAD-Konstruktionen in fertigungsfähige Roboter-Werkzeugwege erfordert fortschrittliche Softwareplattformen wie MetalXL. MetalXL fungiert als prädiktive Steuerungs-Engine, die die Roboterwege optimiert, um die „Luftzeit“ zu minimieren, physikalische Einschränkungen hinsichtlich der Schweißnahtbreite zu berücksichtigen und den Druckvorgang zu simulieren, um thermische Spannungen oder Kollisionen des Brenners zu vermeiden.
