Hybridmaschinen

„Wir können deckeln“

Hybridmaschinen sind im Kommen und es gibt bereits einige Anbieter. Präzisionswerkzeugmaschinen-Hersteller Hermle hat mit dem Metall-Pulver-Auftragsverfahren eine eigene Technologie entwickelt, die als einzige nicht mit Laser arbeitet und deckeln kann. SCOPE-Chefredakteur Hajo Stotz beschreibt, welche Behandlung Löchern, Nuten, Schlitzen und Hohlräumen zuteil wird.

WFL Millturn Technologies legt ein wesentliches Augenmerk bei der additiven Fertigung auf den automatischen Wechsel der Lasereinheit. Die Laser-Technologie ergänzt die bereits vorhandenen Bearbeitungsmöglichkeiten der Maschinen, um so die Prozesskette und somit die Durchlaufzeit zu verkürzen und zu vereinfachen. (Bild: WFL)

Mit 3D-Druckern lässt sich heute fast alles drucken: Präzisionswerkzeuge, Brillen, Lebensmittel, Knochen- und Zahnersatz, Violinen, ganze Autos, Häuser und Raketen – die Möglichkeiten sind inzwischen nahezu unbegrenzt. Doch 3D-Druck ist nicht gleich 3D-Druck: Der Begriff steht für ein ganzes Bündel von Fertigungstechniken, die gemeinsam haben, dass sie Material in dünnen Schichten auftragen und zu dreidimensionalen Objekten verfestigen. Das Aufeinanderlegen der Schichten wird additive Fertigung genannt, im Gegensatz zu den abtragenden Techniken wie Fräsen, Drehen, Bohren, Sägen oder Schneiden.

Die verschiedenen Prinzipien sind aber jeweils nur für bestimmte Materialien geeignet. So lassen sich mit den FDM (Fused Deposition Modeling)- und SLA (Stereolithografie)-Verfahren nur Kunststoffe oder Kunstharz verarbeiten. Beim ersten wird das Material in einer Düse erhitzt und aufgetragen, beim zweiten flüssiges Kunstharz mit UV-Licht schichtweise gehärtet. Bei Selective Laser Melting (SLM) oder Selective Laser Sintering (SLS) wird als Rohmaterial Pulver (Metalle oder Kunststoffe) verarbeitet. Ein dünne Pulverschicht wird mit einem Laser bestrahlt, dabei schmelzen oder sintern die einzelnen Pulverkörnchen punktgenau und bauen so die Form auf.

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Der schichtweise Aufbau des Produktes bietet den Vorteil, Geometrien realisieren zu können, die mit abtragenden Techniken nicht hergestellt werden können. Doch er hat auch Nachteile: Es benötigt viel Zeit, um in hauchdünnen Schichten Material aufzubauen, und die Oberfläche genügt nur Schrupp-Ansprüchen – das heißt, es muss nachbearbeitet werden. Damit ist das additive Verfahren deutlich teurer als das abtragende.

Mehrwert durch Ab- und Auftrag

Daher setzen, vor allem im metallischen Bereich, immer mehr Hersteller auf Hybridmaschinen. Sie vereinen die Vorteile beider Verfahren und erweitern Zerspanungstechniken um die Möglichkeiten der additiven Fertigung in einem Arbeitsraum. Die Integration additiver Fertigungsverfahren in den Zerspanprozess bietet auch nach Einschätzung von Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer des Direct Manufacturing Research Center (DMRC) der Universität Paderborn und Programmverantwortlicher der Fachkonferenz „Inside 3D Printing“ auf der Metav (Düsseldorf, 23.–27.02.2016), eine Reihe Zusatznutzen für den Anwender, wie die Möglichkeit, verschiedenartige Materialien in einem Fertigungsprozess verwendet zu können. Weitere Vorteile sieht der 3D-Experte u. a. in den Möglichkeiten der Massenfertigung und der Standardisierung sowie den Aspekten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Nicht zuletzt werden zwei Prozesse miteinander vereint, was hilft, die Vorteile beider Verfahren gemeinsam zu nutzen.

So ist etwa die Lasertec 65 Additive Manufacturing von DMG Mori eine Hybridmaschine, die Fünf-Achs-Fräsen und additive Bearbeiten in einer Aufspannung vereinigt. Diese Kombination ermöglicht die generative Fertigung großer Bauteile. Die DMG-Hybridmaschine basiert auf einer DMU 65 Monoblock. Bei dem Verfahren wird ein Auftragsprozess mittels Metallpulverdüse verwendet, der bis zu 10-mal schneller sein soll als das Generieren im Pulverbett. Die Maschine wurde für das Metallauftragsschweißen mit einem 2-kW-Diodenlaser ausgestattet.

Was die Integration additiver Fertigungsverfahren in eine Komplettbearbeitungsmaschine betrifft, erläutert Reinhard Koll, Leiter Anwendungstechnik bei der WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG im österreichischen Linz. Koll: „Wir zielen auf die Integration eines Lasers ab, ohne die Flexibilität der Basismaschine einzuschränken.“ Wesentliches Augenmerk wurde dabei auf den automatischen Wechsel der Lasereinheit gelegt. Voraussetzung ist, dass sich die Technologie der additiven Fertigung ohne manuelle Eingriffe in die Maschine integrieren lässt. Die Laser-Technologie ergänzt die bereits vorhandenen Bearbeitungsmöglichkeiten der Maschinen, um so die Prozesskette und somit die Durchlaufzeit zu verkürzen und zu vereinfachen.

Der japanische Werkzeugmaschinenhersteller Mazak bietet mit der Integrex i-400 AM ebenfalls eine Hybrid-Maschine an. Das Metallpulver wird mit einem Faserlaser geschmolzen. Beschichtungsköpfe tragen das geschmolzene Material Schicht für Schicht auf. Anschließend erfolgt mit Schlichtverfahren die Fertigbearbeitung des Bauteils. Die Beschichtungsköpfe werden im Werkzeugmagazin der Maschine untergebracht und können vom Werkzeugwechsler in den Fräsrevolver geladen werden.

Rainer Gebhardt, Projektleiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA: „Hybrid bedeutet die sinnvolle Verteilung additiver und subtraktiver Bearbeitung.“

Nach Einschätzung von Rainer Gebhardt, Projektleiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA, bedeutet Hybrid die „sinnvolle Verteilung additiver und subtraktiver Bearbeitung. Additiv da, wo die Gestaltung es fordert, und subtraktiv dort, wo Halbzeug und Volumen des Bauteils eine spanende Bearbeitung sinnvoll machen. Große Bauteile komplett additiv aufzubauen, macht jedoch nur Sinn, wenn es sein muss – sonst ist die Kombination natürlich besser.“

Derselben Meinung ist auch Franz-Xaver Bernhard, Vorstand der Hermle AG: „In den meisten Fällen muss man das Bauteil nicht komplett generativ herstellen. Oft genügt es, auf einem Frästeil aufzubauen. Das ist deutlich schneller und wirtschaftlicher.“ Hermle befasst sich seit mehr als 10 Jahren mit der Entwicklung generativer Fertigungstechniken und hat nun sein MPA-Verfahren (Metall-Pulver-Auftragsverfahren) zur Marktreife gebracht. Bernhard: „Es eignet sich besonders zur Herstellung großvolumiger Bauteile aus Metall.“

Die MPA-Auftragseinheit mit der Düse ist in ein Hermle 5-Achsen-Bearbeitungszentrum vom Typ C-40 integriert. Der Arbeitsraum der Maschine erlaubt dabei Bauteildimensionen von mehr als 500 mm Durchmesser – die auch additiv genutzt werden können. „Das ist einer der größten Vorteile überhaupt unseres Verfahrens“, erläutert Bernhard. „Wir tragen nicht nur Flächen auf einer kleinen Ebene auf, wie das beim Laser-Sinter-Verfahren üblich ist, sondern großflächig und auf einer dreidimensionalen Oberfläche. SLS-Verfahren haben am Markt ihre absolute Berechtigung. Die können Teile, die wir nicht können. Dafür können wir aber Teile, die mit dem Laser-Sintern nicht zu machen sind.“

Im Unterschied zu den Wettbewerbern setzt Hermle dabei keinen Laser ein: Bei dem thermischen Spritzverfahren wird Metallpulver schichtweise zu soliden Festkörpern kompaktiert. Dazu werden Pulverpartikel mit Hilfe eines Trägergases auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und durch eine Düse auf das jeweilige Substrat „geschossen“. Bernhard: „Die Pulverkörner prallen mit dreifacher Schallgeschwindigkeit auf das Substrat. Und werden dabei im wahrsten Sinne des Wortes plattgemacht. Sie buchten in das Substrat ein und die nachkommenden Körner schieben sie noch weiter hinein. So kommt es an den Grenzflächen zu einem idealen Verbund und einer hervorragenden Verbindung aus diesen Pulverkörnern zu einem soliden Material. Durch eine anschließende Wärmebehandlung verfestigt sich das Diffusionsgefüge nochmals.“ Im Unterschied zu den Laseranlagen benötigt die MPA-Technologie keine empfindlichen Optikbauteile und es entstehen beim Auftragen keine Rauchgase. Somit ist die Anlagentechnik in dem Punkt zumindest deutlich prozesssicherer.

Für die abgebildete zylinderförmige Innenform ist eine gleichmäßige Temperierung der Mantelfläche notwendig. Dafür wird ein Rohling aus Warmarbeitsstahl mit dem MPA Verfahren um einen Mantel mit einem integrierten wendelförmigen Kühlkanal ergänzt. Ausgangsbasis für die zu fertigende Form ist ein zylinderförmiger Rohling aus 1.2344 Stahl, in den ein Wendelkanal gefräst wird. Diese spätere Innenkontur wird im nächsten Schritt von der MPA Anlage mit einem wasserlöslichen Füllmaterial wieder zugespritzt. Der Zylinder mit dem gefüllten Kanal wird durch Metallpulverauftrag mit einer 1.2344 Stahlschicht ummantelt. Nach dem Auswaschen des Füllmaterial aus dem Kanal kann das Kühlmedium oberflächennah durch die Form fließen. (BIld: Hermle)

Der Materialauftrag erfolgt beim MPA-Verfahren auf den geometrisch zugänglichen Teilen des Bauteils, diese können entweder eben oder auch dreidimensional gekrümmt sein. Das Auftragen auf beliebigen Flächen ermöglicht so die Verwendung von Halbzeugen, die dann durch MPA einen dreidimensionalen Deckel aufgesetzt bekommen. Werden andere Materialien in ein Bauteil eingearbeitet bzw. eingebettet, so erfolgt der Aufbau der Materialen abwechselnd schichtweise immer so weit, wie die jeweiligen Konturen des anderen Materials zur Zerspanung zugänglich sind. Auf die vorbereiteten Konturen wird anschließend das jeweils anderen Material aufgetragen und wieder in Form gefräst. Auf diese Weise entsteht ein massiver Volumenkörper aus zwei oder mehr Materialien. Die Verwendung eines speziellen Füllmaterials ermöglicht die Realisierung von innenliegenden Hohlräumen, Kanälen und hinterschnittenen Konturen. Es ist wasserlöslich und wird am Ende des Prozesses herausgespült, um die Innengeometrie freizulegen.

Durch vergleichende Zugversuche hat Hermle zudem festgestellt, dass die additiv gefertigten Teile ähnliche Materialeigenschaften aufweisen wie gefräste. Bernhard: „Das Ergebnis ist eindeutig. Wir haben sowohl quer zur Auftragsrichtung wie auch längs zur Auftragsrichtung gezogen. Verglichen mit einem gefrästen Teil liegt unser MPA-Teil in der Querrichtung leicht darunter und ist in der Längsrichtung bei der Zugfestigkeit ebenbürtig.“ An Materialien können derzeit Warmarbeitsstähle und rostfreier Stahl, Kupfer und Bronze sowie Titan und Aluminium verarbeitet werden. „Es ist auch kein Problem, unterschiedliche Materialien miteinander zu verbinden. Wir haben bereits Kupfer auf Stahl aufgetragen und eine absolut stabile und dauerhafte Verbindung hergestellt“, erläutert Bernhard. „Dafür gibt es auch einen ausgetesteten Satz an Anwenderparametern. Wenn sich bei diesen Parametern wie Temperatur, Geschwindigkeit, Größe der Teile, Abstand der Düse zum Substrat, Winkel der Düse zum Substrat etc. etwas ändert, kann der Prozess auch mal schief gehen. D. h., man muss diese Prozessparameter in einem sehr engen Toleranzband führen.“

Darum verkauft Hermle diese Hybridmaschinen auch nicht, sondern bietet das Verfahren als Dienstleistung an – und das ausschließlich den eigenen Kunden. Bernhard: „Wir halten derzeit eine Fertigungskapazität von drei Maschinen vor. Im zurückliegenden Jahr haben wir etliche hervorragende 3D-Teile hergestellt und auch einige größere Aufträge ausgeführt.“ Beispielsweise das Spritzgusswerkzeug eines Kunden, der die idealen Kühlkanäle bereits eingefräst hatte. Diese wurden dann in der MPA-Anlage additiv gedeckelt. Zudem wurden die Hotspots – so werden die Stellen der größten Wärmeansammlung im Werkzeug genannt – von Hermle mit Kupferkernen gefüllt. „Das war nicht einfach, da die Temperatur im Ofen über dem Schmelzpunkt von Kupfer liegt“, so Bernhard. „Aber mit einem Trick haben wir es geschafft, dass das Kupfer dennoch eine ideale Verbindung zum Stahl hat. Damit kann nun von den Hotspots die Wärme optimal abgeführt werden.“

Das österreichische Unternehmen Julius Blum nutzt das MPA-Verfahren zur Herstellung von Kunststoff-Abdeckkappen und optimiert so seine Spritzgießwerkzeuge. (Bild: Julius Blum)

Auch die Julius Blum GmbH in Höchst, Österreich, nutzt das MPA-Verfahren für die Optimierung von Spritzgießwerkzeugen. Blum ist ein weltweit tätiges Unternehmen, das auf Herstellung und Vertrieb von Möbelbeschlägen spezialisiert ist. Dort stellte ein Werkzeug für eine Kunststoff-Abdeckkappe bisher eine spritzgießtechnische Herausforderung dar. Bis dato mussten solche Werkzeuge aufwändig aus zwei Teilen hergestellt werden, die dann durch Zusammenlöten gefügt wurden. Da wegen der hohen Stückzahlen mit Mehrfach-Spritzgießwerkzeugen gearbeitet wird, die beim Spritzen der Abdeckkappen einen Innendruck von 1.000 bar und hohe Taktfrequenzen aushalten müssen, kam es immer wieder zu Verschleißerscheinungen und zu Problemen mit der Prozesssicherheit. Im Praxisversuch wurde nun ein 4-fach-Spritzgießwerkzeug mit zwei konventionellen und zwei MPA-gefertigten Nestern ausgerüstet. Die MPA-gefertigten Nester basieren auf Werkzeugstahl und weisen zur besseren und kontinuierlich kontrollierten Wärmeabfuhr konturnahe Kühlkanäle auf. Gerhard Gorbach, Leiter Betriebsmittelbau Werk 3 bei Blum, erläutert: „Diese Technologie birgt eine ganze Reihe von Vorteilen, die nicht unbedingt auf den ersten Blick sichtbar sind. Wir können die Werkzeuge zum Spritzgießen und auch für Druckgussteile noch kompakter auslegen, sprich bei gleicher Baugröße mehr Nester unterbringen und mit vorhandenen Spritzgießmaschinen die Produktivität weiter steigern. Des Weiteren steigt die Prozesssicherheit und es eine reproduzierbare Produktqualität ist gewährleistet. Als wichtigen weiteren Vorteil sehen wir die Möglichkeit, verschiedenste Werkzeugbau-Materialien mit unterschiedlichsten Eigenschaften in Kombination einzusetzen. So gesehen bietet die MPA-Technologie noch viel Potenzial.“

Franz-Xaver Bernhard, Vorstand der Hermle AG: „Das MPA-Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung großvolumiger Bauteile aus Metall.“

Das sieht auch Hermle-Vorstand Franz-Xaver Bernhard so: „Wir haben sehr viel in das Verfahren investiert, aber die Zuversicht wächst mit jedem Tag, dass es wettbewerbsfähig ist. Wir können bereits jetzt unsere drei Maschinen auslasten. Damit bauen wir uns neben der Werkzeugmaschinenproduktion ein weiteres Standbein im Bereich Dienstleistung auf.“ hs

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