Made in Aachen: Wie der Metall-3D-Druck von Aachen aus die Welt eroberte
Komplexe Flugzeugteile, Turbinenkomponenten und medizinische Implantate entstehen heute Schicht für Schicht aus Metallpulver. Eine der entscheidenden Technologien dahinter hat ihre Wurzeln in Aachen: Am Fraunhofer ILT wurde in den 1990er-Jahren das SLM-/LPBF-Verfahren entwickelt.
Wer heute den Begriff 3D-Druck hört, denkt vielleicht zuerst an kleine Kunststoffdrucker, die auf einem Schreibtisch Gehäuse, Figuren oder Ersatzteile produzieren.
Doch eine völlig andere Liga beginnt dort, wo keine Kunststoffrolle mehr zum Einsatz kommt, sondern Metallpulver und ein leistungsfähiger Laser.
Dieses Verfahren ist heute unter dem Namen Laser Powder Bed Fusion – kurz LPBF bekannt. Lange wurde dafür vor allem der Begriff Selective Laser Melting, SLM, verwendet.
Und seine Geschichte führt direkt nach Aachen.
Eine Idee am Fraunhofer ILT
Mitte der 1990er-Jahre beschäftigten sich Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen mit einer damals ausgesprochen ambitionierten Idee:
Könnte ein Laser Metallpulver nicht nur bearbeiten, sondern gezielt vollständig aufschmelzen und daraus Schicht für Schicht ein dreidimensionales Bauteil entstehen lassen?
Aus dieser Forschung entstand das grundlegende Verfahren für den metallischen 3D-Laserdruck. 1996 wurde das grundlegende Patent angemeldet.
Als Erfinder nennt das Fraunhofer ILT Wilhelm Meiners, Kurt Wissenbach und Andres Gasser. Vor der ersten LPBF-Anlage posierten die drei später für ein Foto – vor einer Maschine, deren Bedeutung damals wohl nur schwer abzuschätzen war.
Heute wissen wir: Aus dem Forschungsprojekt wurde eine Technologie mit weltweiter industrieller Bedeutung.
Wie funktioniert LPBF?
Das Prinzip lässt sich erstaunlich einfach erklären.
Auf einer Bauplattform wird eine sehr dünne Schicht Metallpulver verteilt. Ein Laser fährt anschließend exakt die Bereiche ab, aus denen das spätere Bauteil bestehen soll, und schmilzt dort das Pulver.
Danach senkt sich die Plattform geringfügig ab.
Eine neue Pulverschicht wird aufgetragen.
Der Laser beginnt erneut.
Schicht für Schicht wächst auf diese Weise aus einem digitalen 3D-Modell ein massives Metallbauteil.
Das Entscheidende daran ist nicht nur, dass sich Metall so herstellen lässt.
Entscheidend ist, welche Formen dadurch überhaupt erst möglich werden.
Bauteile, die früher kaum herstellbar waren
Klassische Fertigungsverfahren haben Grenzen.
Beim Fräsen muss ein Werkzeug die zu bearbeitende Stelle erreichen können. Beim Gießen benötigt man Formen. Komplexe Hohlräume, extrem feine Strukturen oder innenliegende Kanäle können dadurch schwierig oder teilweise überhaupt nicht hergestellt werden.
LPBF verändert diese Regeln.
Da das Bauteil Schicht für Schicht entsteht, können beispielsweise:
- komplexe innere Kühlkanäle,
- filigrane Gitterstrukturen,
- gewichtsoptimierte Konstruktionen,
- hochkomplexe Einzelteile und
- individuell angepasste Bauteile
hergestellt werden.
Das Fraunhofer ILT nennt unter anderem komplexe Kühlkanäle zur gezielten Temperaturregelung und integrierte Gitterstrukturen für den Leichtbau als typische Vorteile des Verfahrens.
Aus einer zunächst ungewöhnlichen Idee wurde damit eine neue Form industrieller Konstruktion.
Von Aachen in Flugzeuge, Turbinen und Fahrzeuge
Heute wird LPBF in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt.
Das Fraunhofer ILT nennt Anwendungen im Turbomaschinenbau, Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik.
Das Verfahren ist deshalb so bedeutsam, weil Konstrukteure ein Bauteil nicht mehr ausschließlich danach entwerfen müssen, wie es mit klassischen Werkzeugen hergestellt werden kann.
Stattdessen kann stärker danach gefragt werden:
Welche Form erfüllt ihre Aufgabe am besten?
Das klingt nach einem kleinen Unterschied.
Für die industrielle Produktentwicklung ist es ein fundamentaler.
Besonders beeindruckend: Implantate aus dem 3D-Drucker
Eine der faszinierendsten Anwendungen findet sich in der Medizin.
Mit LPBF können metallische Implantate hergestellt werden, deren Geometrie auf einen konkreten Patienten zugeschnitten ist. Das Fraunhofer ILT forscht seit vielen Jahren an solchen Anwendungen und beschreibt unter anderem die Herstellung individueller Implantate anhand medizinischer Bilddaten.
Damit wird aus einer Aachener Fertigungstechnologie etwas ausgesprochen Persönliches:
Ein digitales Abbild eines menschlichen Körpers kann Grundlage für ein individuell hergestelltes medizinisches Bauteil werden.
Metallpulver, Laserlicht und Computerdaten verbinden sich zu einem Implantat.
Was in den 1990er-Jahren noch futuristisch geklungen hätte, ist längst Realität.
Anfangs glaubten nur wenige daran
Vielleicht ist gerade dieser Teil der Geschichte besonders bemerkenswert.
Wilhelm Meiners erinnerte sich zum 25-jährigen Jubiläum des Patents daran, dass damals praktisch niemand daran geglaubt habe, dass aus der Entwicklung einmal etwas wirklich Nutzbares entstehen würde.
Die kleine Forschungsanlage in Aachen war weit entfernt von den hochentwickelten industriellen Anlagen, die heute weltweit eingesetzt werden.
Doch das Prinzip funktionierte.
Und es ließ sich weiterentwickeln.
Aus wenigen Forschern wurde am Fraunhofer ILT schließlich ein eigener großer Forschungsbereich für Laser Powder Bed Fusion.
Nicht „der 3D-Druck“ – sondern etwas wesentlich Präziseres
Bei dieser Geschichte ist eine Unterscheidung wichtig.
Der 3D-Druck als allgemeines Konzept wurde nicht in Aachen erfunden. Additive Fertigungsverfahren und andere 3D-Drucktechnologien existierten bereits zuvor.
Was in Aachen entstand, war das grundlegende Verfahren des metallischen 3D-Laserdrucks mittels vollständigem Aufschmelzen eines Pulverbettmaterials, das als SLM beziehungsweise heute überwiegend als LPBF bekannt ist.
Und genau diese Präzision macht die Geschichte nicht kleiner.
Im Gegenteil.
Denn LPBF entwickelte sich zu einer der wichtigsten Technologien der additiven Metallfertigung.
Forschung aus Aachen, die längst weltweit angekommen ist
Aachen wird häufig mit Dom, Karl dem Großen, Printen oder der RWTH verbunden.
Doch hinter den Institutsgebäuden im Westen der Stadt entstehen seit Jahrzehnten Technologien, deren Auswirkungen weit über Aachen hinausreichen.
LPBF ist dafür ein außergewöhnliches Beispiel.
1996 wurde in Aachen ein grundlegendes Patent für eine Technologie angemeldet, mit der heute auf der ganzen Welt komplexe Metallbauteile hergestellt werden.
In Flugzeugen.
In Turbinen.
In Fahrzeugen.
In Werkzeugmaschinen.
Und sogar im menschlichen Körper.
Manchmal erkennt man die Bedeutung einer Erfindung eben erst viele Jahre später.
Und manchmal beginnt eine solche Geschichte nicht im Silicon Valley oder in einem riesigen Industriekonzern.
Sondern in Aachen.
Quellen & weiterführende Informationen
Für diesen Beitrag wurden insbesondere Veröffentlichungen des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen herangezogen:
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