Hinweis: Das Beitragsbild wurde mit künstlicher Intelligenz erzeugt.
3D-gedruckte Metallbauteile scheitern in anspruchsvollen Anwendungen oft an ihrer Oberfläche. Direkt nach dem Druck weisen sie typischerweise Rauheitswerte von zehn bis 30 Mikrometern auf. Für Luft- und Raumfahrt oder medizinische Implantate ist das zu viel. Ein europäisches Forschungskonsortium unter Leitung der Technischen Universität Dresden hat dafür eine durchgehende laserbasierte Prozesskette entwickelt.
Das Projekt Clasco im Überblick
Das Horizon-Europe-Projekt trägt den Namen Clasco, kurz für „Climate Neutral and Digitalised Laser Based Surface Functionalisation of Parts with Complex Geometry“. Die TU Dresden koordinierte das Konsortium. Ziel war eine vollständige Prozesskette für die Nachbearbeitung geometrisch komplexer Metallbauteile aus dem 3D-Drucker.
Die Forscher kombinierten dafür fünf Bausteine: Laserpolieren, Direct Laser Interference Patterning (DLIP), Prozessüberwachung, Digitale Zwillinge und KI-gestützte Steuerung. Das Ergebnis ist ein integriertes Fertigungskonzept, das berührungslos und prozesssicher arbeitet.
Zwei Laserschritte ersetzen aufwändige mechanische Bearbeitung
Der erste Schritt ist das Laserpolieren. Es glättet die raue Bauteiloberfläche ohne mechanischen Kontakt. In den Versuchen sank die Rauheit von bis zu 30 Mikrometern auf unter ein Mikrometer, eine Verbesserung um den Faktor 30 oder mehr.
Im zweiten Schritt kommt DLIP zum Einsatz. Dabei erzeugen überlagerte Laserstrahlen regelmäßige Mikrostrukturen auf definierten Bauteilbereichen. Diese Strukturen verändern gezielt die Oberflächeneigenschaften: Benetzbarkeit, Korrosionsverhalten oder die Wechselwirkung mit biologischen Materialien lassen sich damit einstellen. Für Implantate ist das ein relevanter Faktor bei der Osseointegration, also dem Einwachsen in Knochengewebe.
Digitaler Zwilling überwacht den Prozess
Parallel zur Laserbearbeitung läuft eine Prozessüberwachung. Ein digitaler Zwilling, ein virtuelles Abbild des realen Bauteils und seiner Bearbeitungsschritte, bildet die Grundlage. KI-Algorithmen werten die Sensordaten aus und erkennen Abweichungen. Das erhöht die Prozesssicherheit ohne zusätzliche manuelle Prüfschritte.
Demonstratoren aus der Luft- und Raumfahrt
Die Prozesskette erprobte das Konsortium an konkreten Bauteilen. Zwei Demonstratoren stammten aus der Luft- und Raumfahrt. Bereits bei der Konstruktion nutzten die Ingenieure die Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung für Topologieoptimierung. Dabei wird Material nur dort eingesetzt, wo es statisch notwendig ist.
Ein Befestigungswinkel für den Airbus A350 wurde so um 53 Prozent leichter als das konventionelle Referenzbauteil. Ein Hebel brachte 38 Prozent weniger auf die Waage. Nach dem Druck durchliefen beide Teile die laserbasierte Nachbearbeitung. Die Oberflächen erfüllten anschließend die anwendungsspezifischen Anforderungen.
Was das für Produktionsbetriebe bedeutet
Der Engpass bei der additiven Fertigung von Metallbauteilen lag bislang weniger beim Druckprozess selbst als bei der Nachbearbeitung. Wer komplexe Geometrien druckt, kann viele Oberflächen mit Fräswerkzeug oder Schleifmitteln gar nicht mehr erreichen. Genau dort setzt die Clasco-Prozesskette an.
Für Fertigungsbetriebe in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt oder im Werkzeugbau könnte das die Anwendungsbreite additiv gefertigter Metallteile erweitern. Bisher scheiterte der Einsatz häufig daran, dass die Oberfläche nach dem Druck nicht reproduzierbar genug bearbeitet werden konnte.
Die Kombination aus Lasertechnik und digitaler Prozessüberwachung reduziert den Prüfaufwand. Statt aufwändiger Nachmessung übernimmt die integrierte Sensorik die Qualitätssicherung im laufenden Prozess.
Fazit
Das Clasco-Konsortium hat eine Prozesskette vorgelegt, die eine konkrete Lücke in der additiven Metallverarbeitung schließt. Gewichtseinsparungen von über 50 Prozent und Oberflächenrauheiten unter einem Mikrometer sind belegbare Ergebnisse aus realen Demonstratoren. Ob und wann diese Technik in die Serienproduktion übergeht, hängt von den Transferschritten in die Industrie ab.
