Schweißen, Hartlöten und Diffusionsfügen von 3D-gedruckten Metallteilen: Engineering-Methoden von gleichartigen Metallverbindungen bis zu Übergangsverbindungen aus unterschiedlichen Werkstoffen

Einleitung: Wenn Druckgröße, Werkstoff oder Kosten an Grenzen stoßen, ist Fügetechnik der letzte technische Ausweg

In Projektbewertungen zur additiven Fertigung taucht nahezu jede Woche eine bestimmte Art von Anforderung auf: Die Kontur eines Bauteils überschreitet die nutzbaren Abmessungen des Bauraums, ein lokaler Bereich benötigt Werkstoffeigenschaften, die auf einer bestimmten Druckanlage nicht wirtschaftlich erreichbar sind, oder die Maschinenstunden für den Komplettdruck sind so hoch, dass der Kunde sie nicht akzeptieren kann. Allen drei Fällen ist gemeinsam, dass sie sich nicht mehr durch eine Optimierung der Druckparameter lösen lassen. Die Antwort muss vielmehr in der Kombination verschiedener Fertigungsverfahren gesucht werden. Schweißen, Hartlöten und Diffusionsfügen sind genau jene Prozessgruppe, die beim Übergang der additiven Fertigung von der Einzelteilherstellung zur kombinierten Fertigung immer wieder eingesetzt, aber besonders leicht unterschätzt wird.

Ein reales Engineering-Szenario sieht so aus: Ein Fluidverteiler hat Außenabmessungen von 780 mm × 420 mm und überschreitet damit den Bauraum gängiger Laser-Pulverbettanlagen der 400-mm-Klasse. Gleichzeitig benötigen nur zwei Flanschanschlüsse eine hohe Festigkeit; der übrige Grundkörper muss vor allem druck- und korrosionsbeständig sein. Ein Komplettdruck würde den Einsatz einer Großanlage und nahezu tausend Maschinenstunden bedeuten. Wird das Bauteil dagegen segmentiert gedruckt und anschließend geschweißt montiert, sinken die Kosten auf weniger als ein Drittel. Entscheidend ist bei einer solchen Wahl nicht, ob sich die Teile überhaupt verbinden lassen, sondern ob die Verbindung die anschließende Druckprüfung, die zerstörungsfreie Prüfung und die Einsatzbewertung besteht.

1. Warum sich 3D-gedruckte Teile nicht einfach nach klassischen Schweißverfahren behandeln lassen

Gedruckte Teile wie gewöhnliche Schmiede- oder Gussteile zu schweißen, ist einer der häufigsten Fehler in der Praxis. Das Grundmaterial additiv gefertigter Bauteile unterscheidet sich in drei Punkten von konventionellen Werkstoffen: Es enthält einen gewissen Anteil an Poren und Bindefehlern, die Mikrostruktur weist ausgeprägte Anisotropie und Schichtmerkmale auf, und nach dem Aufbau bleiben relativ hohe Eigenspannungen zurück. Diese Eigenschaften werden durch den thermischen Zyklus des Schweißens verstärkt.

Das Porenproblem ist besonders unmittelbar. Bei Bauteilen aus dem Laser-Pulverbettverfahren liegt die relative Dichte vor dem heißisostatischen Pressen üblicherweise zwischen 99,5 % und 99,9 %. Die verbleibenden Mikroporen können sich im Hochtemperatur-Schmelzbad des Lichtbogen- oder Laserschweißens ausdehnen und zusammenlagern, wodurch Porenketten entlang der Schmelzlinie entstehen. In der Praxis wird für das Grundmaterial im Umkreis von 10 mm um die Schweißzone meist verlangt, dass es vorher durch heißisostatisches Pressen verdichtet wurde oder dass in der Verfahrensqualifizierung per industrieller CT bestätigt wird, dass die Porosität in diesem Bereich unter 0,2 % liegt. Wird dieser Schritt ausgelassen, fällt die Erstbestehensquote bei der Durchstrahlungsprüfung häufig von über 90 % auf unter 60 %.

Die Anisotropie beeinflusst wiederum das Verformungsverhalten der Verbindung. Zwischen der Aufbaurichtung, also der Z-Richtung, und der Querrichtung bestehen Unterschiede bei Wärmeausdehnungskoeffizient und Streckgrenze. Bei der ungleichmäßigen Erwärmung während des Schweißens entstehen dadurch asymmetrische Schrumpfungen, die an Flanschflächen zu Winkeldeformationen außerhalb der Toleranz führen können. Bewährte Maßnahmen sind symmetrisch angeordnete Schweißraupen, abschnittsweises Rückwärtsschweißen und eine in der Vorrichtung vorgesehene Gegenverformung.

2. Einteilung der Verfahrensfamilien: Einsatzgrenzen von Schmelzschweißen, Hartlöten und Festkörperfügen

Werden diese drei Verfahrensgruppen in einer gemeinsamen Entscheidungsmatrix betrachtet, sind vor allem die geforderte Verbindungsfestigkeit, die metallurgische Kompatibilität der Grundwerkstoffe und der zulässige Wärmeeintrag maßgeblich.

Beim Schmelzschweißen, etwa WIG, MIG, Laserstrahlschweißen oder Elektronenstrahlschweißen, werden Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff gemeinsam aufgeschmolzen und bilden ein gemeinsames Gefüge. Die Festigkeit der Verbindung kann nahe an die des Grundmaterials heranreichen, weshalb das Verfahren für tragende Strukturen und druckbehälterähnliche Bauteile geeignet ist. Der Preis dafür sind eine große Wärmeeinflusszone, deutliche Verformungen und hohe Anforderungen an die Schweißeignung des Grundmaterials. Bei gedruckten Bauteilen aus Edelstahl 316L erreicht eine WIG-Schweißung mit ER316L-Draht und einem Wärmeeintrag von 0,8 bis 1,2 kJ/mm je Lage sowie einer Zwischenlagentemperatur von maximal 150 °C in der Regel mehr als 90 % der Zugfestigkeit des Grundmaterials.

Beim Hartlöten füllt ein Zusatzmetall mit niedrigerem Schmelzpunkt als der Grundwerkstoff den Spalt durch Kapillarwirkung aus; der Grundwerkstoff selbst schmilzt nicht. Die thermische Beeinflussung ist sehr gering, weshalb das Verfahren für Präzisionsteile, dünnwandige Bauteile und Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe geeignet ist. Silberbasierte Lote, etwa der BAg-Reihe, werden bei 600 bis 800 °C verarbeitet; Vakuumlöten oder Löten unter Schutzatmosphäre verhindert Oxidation. Die Grenze liegt darin, dass die Verbindungsfestigkeit von der Festigkeit des Lots und der Spaltkontrolle abhängt: Bei einer Lötspaltbreite von 0,05 bis 0,15 mm ist die Festigkeit am höchsten; bei zu großem Spalt fällt sie stark ab. Genau deshalb müssen Passungstoleranzen bei gelöteten Verbindungen eindeutig angegeben werden.

Diffusionsfügen und Festkörperfügen, etwa Diffusionsschweißen oder Rührreibschweißen, liegen zwischen diesen beiden Gruppen. Beim Diffusionsfügen wird unter Vakuum oder Inertgas Druck aufgebracht und bei 0,5- bis 0,7-facher Schmelztemperatur gehalten. Die Verbindung entsteht durch atomare Diffusion ohne Lot, wobei nahezu keine Wärmeeinflusszone entsteht. Für Kombinationen aus gedruckten Titanlegierungen und Hochtemperaturlegierungen ist dies eine bevorzugte Lösung. Typische Parameter sind 900 bis 950 °C, 5 bis 10 MPa Druck und 60 bis 120 Minuten Haltezeit.

3. Umsetzung gleichartiger Metallverbindungen

Am Beispiel der besonders verbreiteten gedruckten Titanlegierung Ti6Al4V müssen vor dem Schweißen drei Vorbereitungen abgeschlossen sein. Erstens die Oberflächenreinigung: Anhaftende halbaufgeschmolzene Partikel und Oxidschichten auf der Oberfläche des gedruckten Teils müssen im Schweißbereich durch mechanisches Schleifen oder chemisches Fräsen entfernt werden, bis metallischer Glanz sichtbar ist. Der bearbeitete Bereich sollte mindestens 15 mm über die Fasenränder hinausreichen. Zweitens die Nahtvorbereitung: Bei Wanddicken über 6 mm empfiehlt sich eine V- oder X-Naht mit 1 bis 2 mm Steg, um eine vollständige Wurzeldurchschweißung sicherzustellen. Drittens der Gasschutz: Titanlegierungen nehmen oberhalb von 400 °C stark Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff auf. Naht und Wärmeeinflusszone müssen daher beidseitig mit Argon einer Reinheit von mindestens 99,999 % geschützt werden; zusätzlich ist ein Schleppgas-Schutz zu verwenden, bis der Hochtemperaturbereich unter 400 °C abgekühlt ist. Eine silberweiße oder hellgelbe Nahtfarbe gilt als akzeptabel; blaue oder graue Verfärbungen bedeuten übermäßige Oxidation und erfordern Ausschneiden und erneutes Schweißen.

Bei gedruckten Aluminiumlegierungen liegt die Schwierigkeit vor allem in Wasserstoffporen. Gedrucktes AlSi10Mg hat einen hohen Siliziumgehalt, und das Schmelzbad neigt beim Schweißen stark zur Wasserstoffaufnahme. Daher sollte der Grundwerkstoff vor dem Schweißen bei 120 bis 150 °C vorgewärmt und getrocknet werden. Als Schweißdraht wird ER4043 verwendet, um die Heißrissneigung zu reduzieren; der Taupunkt des Schutzgases muss strikt unter -40 °C gehalten werden.

4. Übergangsverbindungen aus unterschiedlichen Werkstoffen: von Stahl-Aluminium bis Kupfer-Edelstahl

Gedruckte Teile mit konventionellen Komponenten zu verbinden, gehört zu den am schnellsten wachsenden Anforderungen seit dem Einzug der additiven Fertigung in industrielle Anwendungen. Der Kernkonflikt ist die metallurgische Unverträglichkeit: Beim direkten Schmelzschweißen von Stahl und Aluminium entstehen spröde intermetallische Phasen. Überschreitet deren Schichtdicke 10 μm, besitzt die Verbindung praktisch keine Duktilität mehr.

Die in der Praxis verbreitete Lösung ist der Einsatz von Übergangsverbindungen. Zunächst wird auf der Stahlseite durch Auftragschweißen oder Explosionsplattieren eine mit Aluminium kompatible Metallschicht, etwa Reinaluminium oder eine Aluminium-Silizium-Legierung, aufgebracht. Anschließend erfolgt auf dieser Übergangsschicht das Löten oder Schmelzschweißen der Aluminiumseite. So werden die spröden Phasen auf die Verbundgrenzfläche begrenzt und nicht in die Schweißnaht verlagert. Bei Kupfer-Edelstahl-Kombinationen werden häufig nickelbasierte Zusatzwerkstoffe eingesetzt oder die Kupferseite vorab vernickelt, um kupferinduzierte Eindringrisse an den Korngrenzen des Stahls zu unterdrücken.

Ein weiterer, robusterer Ansatz besteht darin, Schmelzschweißen zu vermeiden: Zwischen unterschiedlichen Werkstoffen wird eine kombinierte Verbindung aus mechanischer Verbindung und hartgelöteter Dichtung ausgelegt. Die mechanische Struktur übernimmt die Last, die Lotschicht dient nur der Abdichtung. Diese Konstruktion entkoppelt metallurgisches Risiko und Tragfunktion und wird bei Rohranschlüssen von Druckbehältern häufig eingesetzt. Der Nachteil sind etwas höhere Bauteilmasse und zusätzlicher Montageaufwand.

5. Qualitätsnachweis und Freigabekriterien für Verbindungen

Schweiß- und Lötverbindungen dürfen nicht allein nach dem äußeren Erscheinungsbild freigegeben werden. Eine vollständige Validierung sollte vier Ebenen abdecken: Sicht- und Maßprüfung, etwa Nahtüberhöhung, Winkeldeformation und Füllgrad der Lötnaht; zerstörungsfreie Prüfung, bei Schmelzschweißverbindungen mittels Durchstrahlung oder Ultraschall, bei Lötverbindungen vor allem mittels Ultraschall und Dichtheitsprüfung, wobei für Schweißbereiche gedruckter Teile zusätzlich eine industrielle CT-Prüfung auf Porenansammlungen empfohlen wird; mechanische Validierung durch Zug-, Biege- und Kerbschlagversuche an Verfahrensprüfstücken derselben Charge; sowie Einsatzvalidierung durch eine Wasserdruckprüfung mit dem 1,5-Fachen des Betriebsdrucks und einer Haltezeit von mindestens 30 Minuten.

Die Verfahrensqualifizierung muss vor der Serienfertigung abgeschlossen und in Form einer dokumentierten Schweißanweisung festgelegt werden. Strom, Spannung, Wärmeeintrag, Zwischenlagentemperatur, Schutzgasdurchfluss und Wärmebehandlungskurve nach dem Schweißen sind verbindlich zu fixieren. Fehlt dieser Schritt, ist jede Schweißung ein unsicheres Experiment, und die Nacharbeitskosten zehren den Zeitvorteil der additiven Fertigung schnell wieder auf.

6. Empfehlungen für verbindungsgerechtes Design in der additiven Fertigung

Statt Defizite prozesstechnisch nachträglich zu korrigieren, sollte die Verbindung bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden. Drei konkrete Empfehlungen sind besonders wichtig: Erstens sollten Schweißnähte in niedrig belastete Bereiche gelegt und Querschnittssprünge sowie ermüdungskritische Stellen vermieden werden. Zweitens sollten Positionierstufen für das Schweißen und Lotnuten direkt in das gedruckte Bauteil integriert werden, um die Ausrichtzeit bei der Montage zu verkürzen und gleichmäßige Spalte sicherzustellen. Drittens muss eindeutig angegeben werden, ob nach dem Schweißen ein Spannungsarmglühen erforderlich ist. Bei Titanlegierungen erfolgt dies üblicherweise bei 600 bis 700 °C für 1 bis 2 Stunden, bei Aluminiumlegierungen eher durch Niedertemperaturglühen bei 250 bis 300 °C. Falsch angegebene Parameter führen unmittelbar zu Maßabweichungen oder Leistungseinbußen.

Fazit

Schweißen, Hartlöten und Diffusionsfügen sind kein Ersatz für additive Fertigung, sondern technische Mittel, um sie von den Größenbeschränkungen einzelner Anlagen zu befreien. Welches Verfahren gewählt wird, hängt von der geforderten Verbindungsfestigkeit, der metallurgischen Kompatibilität der Grundwerkstoffe und dem zulässigen Wärmeeintrag ab. Ob die Verbindung stabil und qualifiziert hergestellt werden kann, hängt wiederum vom Verdichtungszustand des Grundmaterials, der Qualität der Oberflächenreinigung, dem Schutzgasmanagement und der Vollständigkeit der Verfahrensqualifizierung ab. Werden diese Voraussetzungen konsequent erfüllt, verbindet die kombinierte Fertigung die geometrische Freiheit der additiven Herstellung mit der strukturellen Zuverlässigkeit industrieller Bauteile.