Intelligent kombinieren

Die Vorteile generativer Verfahren liegen in ihrer gestalterischen Freiheit und darin, dass sich selbst sehr komplexe Geometrien ohne Werkzeug herstellen lassen. Das prädestiniert das Metall-Laserschmelzen für die Herstellung von Prototypen, Null- und Kleinserien – hier ist die Wirtschaftlichkeit abhängig von Stückzahl und Komplexität der Werkstücke. Auch Werkstoffe, die als schwer zerspanbar gelten, lassen sich in generativen Verfahren oft einfach in Form bringen. Die Metall-Laserschmelzanlagen von Concept Laser bieten eine Bauraumgröße von 250 x 250 x

Die Metall-Laserschmelzanlagen können inzwischen sehr unterschiedliche Materialien verarbeiten.
Bilder: MBFZ toolcraft, fertigung

280 mm in X-, Y- und Z-Richtung. Dabei arbeitet der Laser eigentlich zweidimensional auf einem Pulverbett, das sich mit jedem Arbeitsgang absenkt und so erst dreidimensionale Strukturen bilden kann, die vom Laser aufgeschmolzen und von nicht aufgeschmolzenen Pulverkörnern außerhalb des Zielbereichs gestützt werden. Die Schichtstärken der Concept-Laser-Anlagen liegen zwischen 20 und 80 μm bei einer Fertigungsgeschwindigkeit von 2 bis 20 cm3/h. Die Geschwindigkeit hängt dabei stark vom verarbeiteten Material ab. Der Laser selbst hat eine Leistung von 400 W. Eine Spezialität der Werkzeugbauer bei toolcraft sind Fassonstifte mit direkt eingebrachter Kühlung für den Formenbau. Die konturgebenden Formeinsätze müssen gerade in der Formspitze mit hoher Steifigkeit und Festigkeit überzeugen.

Meine Meinung

Additives Potenzial

Generative Verfahren treten nicht mit dem Anspruch an, zerspanende Technologien zu substituieren – gerade bei größeren Fertigungslosen sind die neuen Technologien heute meist zu teuer oder auch zu langsam. Ihre Vorteile können die generativen Techniken indes da ausspielen, wo konventionelle Bearbeitungsverfahren an ihre Grenzen stoßen – etwa wenn für eine Handvoll Teile sonst ein Werkzeug gefertigt werden müsste. Oder wenn Geometrien zu fertigen sind, die sich beispielsweise zerspanend nie herstellen lassen – etwa Leichtbaustrukturen oder das oft komplexe Kanalsystem einer konturnahen Kühlung. Wer hier offen für neue Verfahren ist und die nötige Erfahrung hat, kann sinnvoll kombinieren und seinem Kunden einen klaren Mehrwert erschließen. Ein wichtiger Vorteil im globalen Wettbewerb.
Richard Pergler, Chefredakteur fertigung

Wie eine Spirale liegen die Kühlkanäle in den Fassonstiften. So ist für eine maximale Kühlwirkung gesorgt.

„Diese Eigenschaften lassen sich per Metall-Laserschmelzen mit einer konturnahen Kühlung kombinieren“, erklärt Tobias Stengel, Vertriebsleiter bei toolcraft. „So können große Kühlflächen ihre maximale Wirkung entfalten. Während in konventionellen Fassonstiften die Kühlwirkung zur Spitze hin abnimmt, kann bei generativ gefertigten Stiften der Punkt der stärksten Kühlwirkung relativ frei gewählt werden – in der Regel die Spitze des Fassonstifts.“ Ein Nebeneffekt der additiven Fertigung ist, dass die komplette Struktur der Bauteile aus einem Guss gefertigt wird – das sorgt für optimale

Die Bedienung ist einfach. Um die Möglichkeiten des Metall-Laserschmelzens jedoch sinnvoll zu nutzen, braucht man schon fundiertes Know-how.

Festigkeit und Steifigkeit. In einem konkreten Beispiel konnte die Zykluszeit um nahezu ein Drittel gesenkt werden, da die Werkzeuge viel schneller auf die Kühlung reagieren. „Mindestens genauso wichtig war für unseren Kunden aber auch, dass er die Wartungsintervalle der Werkzeuge von einmal täglich auf einmal wöchentlich verlängern konnte“, sagt Stengel. „Die Maßhaltigkeit konnte signifikant verbessert werden, und Verzug und Ausschuss waren kaum mehr ein Thema.“

Bei den Materialien, die in den Concept-Laseranlagen verbaut werden, sind die Teilespezialisten sehr flexibel. Mit den generativen Systemen lässt sich jedes Material verarbeiten, das auch geschweißt werden kann. Es muss nur als feinkörniges homogenes Pulver vorliegen. Unter anderem werden Inconel 718 und Inconel 625, Edelstähle wie 1.4404, 1.4828 und 17-4PH sowie Warmarbeitsstähle wie 1.2709 verarbeitet.

Auf einen Blick

Metall-Laserschmelzen

Das generative Verfahren, das beispielsweise in den Anlagen von Concept Laser zum Einsatz kommt, bietet eine Reihe von Vorteilen:

• höherer Freiheitsgrad
• selbst komplexeste Geometrien sind mit diesem Verfahren möglich
• größeres Einsatzspektrum
• auch schwer zerspanbare Materialien können verarbeitet werden
• deutliche Zeit- und Ressourcenersparnisse
• werkzeuglose Fertigung innerhalb weniger Tage
• hohe Wirtschaftlichkeit
• geringere Stückkosten
• hohes Innovationspotenzial

Die Anlagen von Concept Laser schaffen bei MBFZ toolcraft die Kapazitäten zur generativen Fertigung auch komplexer Werkstücke.

„Die Anlagen sind offene Systeme, wir können mit den unterschiedlichsten Pulveranbietern kooperieren“, freut sich Stengel. „Damit können wir für unsere Kunden Teile mit sehr spezifischen Materialeigenschaften kreieren. Auch mit Materialien, die zerspanend nur sehr schwer zu bearbeiten sind.“ Bei toolcraft wird seit knapp zwei Jahren auch Invar 1.3912 in den Metall-Laserschmelzanlagen verarbeitet. „Diese Eisen-Nickel-Legierung besticht mit einem sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten“, ergänzt Stengel. „Damit fertigen wir unter anderem Teilefür die Luft- und Raumfahrtindustrie.“ Verarbeitet wird unter anderem auch eine Verbindung aus Kobalt, Nickel, Chrom und Wolfram: Das Material Haynes 188 ist sehr hitzebeständig und bis knapp unter 1100 °C auch weitgehend geschützt vor Oxidation. Dieses Material wird etwa in den heißen Seiten von Triebwerksturbinen, aber auch in Gasturbinen verbaut. Da diese Werkstücke nicht selten sicherheitsrelevant sind, ist eine umfassende Qualitätssicherung Pflicht: Generell gilt, dass die Qualität der Ergebnisse selbst den hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt gerecht werden kann.

Dabei ist das Metall-Laserschmelzen kein Selbstzweck – es erweitert indes in der Kombination mit den klassischen Zerspanungsverfahren die Möglichkeiten der Metallbearbeitung. Hier ist ein tiefes Wissen um Prozesse und Materialien notwendig, um die jeweils am besten passenden Verfahren für ein Bauteil auszuwählen. Auch Kombinationen aus generativen und abtragenden Techniken sind sinnvoll, etwa dann, wenn ein generativ aufgebauter Werkzeugeinsatz für beste Oberflächeneigenschaften nochmals überfräst wird. Oder wenn auf einen konventionell bearbeiteten und gekühlten Einsatz an einer besonders kritischen Stelle eine Freiform mit konturnaher Innenkühlung per Metall-Laserschmelzen aufgesetzt wird.

Im Profil

MBFZ toolcraft GmbH

Das Unternehmen sieht sich als Partner der Forschungs- und Entwicklungsabteilungen aus fast allen industriellen Branchen. toolcraft bietet Präzisionsteile, Baugruppen, Werkzeuge, Formen und Spritzgießteile im High-End-Bereich von Losgröße 1 bis zur kleinen Serie. Das Unternehmen produziert an den Standorten Georgensgmünd und Spalt mit rund 250 Mitarbeitern. Die Anlagen zum Metall-Laserschmelzen stehen in Georgensgmünd – hier werden Werkzeugkomponenten mit konturnaher Kühlung, aber auch Prototypen und Kleinserien gefertigt. Dabei genügt die Qualität inzwischen auch den strengen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie – MBFZ Toolcraft verfügt unter anderem über das aufwändige Equipment zur zerstörungsfreien Oberflächenprüfung der Bauteile.

Auch in der Medizintechnik sind schnell reagierende konturnahe Kühllösungen gefragt.

Das Wissen um die Prozesse ist der Schlüssel zum Erfolg. Deshalb arbeiten die toolcraft-Experten eng mit dem Anlagenhersteller Concept Laser an der Verbesserung und Verfeinerung des Verfahrens sowie an der Erweiterung seiner Produktionskapazitäten. Denn neben höheren Preisen für den Rohstoff Metallpulver ist insbesondere die im Vergleich zur zerspanenden Fertigung oft lange Bearbeitungszeit der Werkstücke ein Hinderungsgrund für den Einsatz bei größeren Stückzahlen.

Kontakt:

• MBFZ toolcraft GmbH, www.toolcraft.de
• Concept Laser GmbH, www.concept-laser.de

Dokumentierte Qualität: Anlage zur zerstörungsfreien Oberflächenprüfung der generativ gefertigten Werkstücke.