Mehr als Rapid Prototyping

Entwicklungen im Material- und Technologiebereich werden zum einen getrieben durch äußere Entwicklungen wie Ressourcenknappheit, Energiewende und gestiegenen Anforderungen im Markt. Zum anderen entstehen im Rahmen der Grundlagenforschung neue Materialien und Verfahren, die einerseits einen konkreten Bedarf decken, andererseits aber auch Bedarf wecken, da sie grundlegend neue Eigenschaften besitzen oder Funktionen realisieren und Bestehendes grundlegend verbessern können.

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Hybridbearbeitung per MPA auf dem Hermle-Bearbeitungszentrum: Bei der Fertigung einer Welle mit Kühlkanal aus 1.2344 werden Materialaufbau und Zerspanung intelligent kombiniert.

Die generative Fertigung bietet neue Möglichkeiten für hohe Bauteilkomplexität und Individualität etwa von Integralbauteilen sowie ähnlichen Leichtbaukomponenten aus metallischen Hochleistungswerkstoffen. Maschinenhersteller DMG Mori geht mit der Lasertec 65 AM über die klassische Variante des generativen Verfahrens hinaus und integriert das Laserauftragsverfahren in eine 5-Achsen-Fräsmaschine.

Bei der Hybridlösung wird ein Auftragsprozess mittels Metallpulverdüse verwendet, der den Spezialisten zufolge bis zu 20-mal schneller ist, als das Generieren im Pulverbett. Damit lässt sich Wirtschaftlichkeit mit der Flexibilität des generativen Verfahrens verknüpfen und den DMG-Mori-Experten zufolge viele 3D-Geometrien auch mit Hinterschneidungen realisieren. Einsatzgebiete für diese Art von Maschine gibt es bereits. So können Turbinenkomponenten repariert werden und beispielsweise Verschleißschichten im Werkzeug- und Formenbau aufgebracht werden.

Meine Meinung

Rund um den öffentlich getriebenen Hype um 3D-Druck sollte das Wesentliche bei generativer Fertigung nicht vergessen werden – die wirtschaftliche Betrachtung dieses jungen Fertigungsverfahrens und die Kombination mit den klassischen, zerspanenden Verfahren. Das große Potenzial ist vorhanden, es zu nutzen und aus dem reinen Prototypenbau herauszutreten, bedingt aber einen Paradigmenwechsel von der Konstruktionsphase bis hin zum Ende der Lebensdauer eines Bauteils oder Werkzeugs. Ziel muss es sein, die Vorteile aus beidem, traditioneller Zerspanung und generativem Verfahren, zu nutzen. Einer Handvoll Hersteller gelingt das bereits in Teilbereichen. Eine reelle Wirtschaftlichkeitsrechnung muss aber im Fokus bleiben.
Martin Droysen, Redaktion fertigung

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Mit der MPA-Technologie ist ein Spritzgusswerkzeug aus 1.2344 mit innenliegendem Kühlkanal einfach herstellbar.

Generative Reparatur
„Mit generativen Verfahren gelingt es nicht nur, beschädigte Triebwerksteile zu reparieren, sondern auch komplette Komponenten zu fertigen, die man mit konventionellen Methoden wie Fräsen oder Gießen prinzipiell nicht herstellen kann“, sagt Konrad Wissenbach vom Fraunhofer ILT. Noch ist das SLM-Verfahren allerdings nicht für jeden Turbinenwerkstoff geeignet. Bisher arbeiten die Forscher mit Inconel 718, einer Nickelbasis-Superlegierung, sowie mit Titanlegierungen. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz etwa fertigen mit generativen Verfahren Umformwerkzeuge.

Dasselbe Thema verfolgt Delcam mit einer robotergestützten Schleiflösung von Blisks, die zuvor per SLM neu aufgebaut wurden. „Mit der kombinierten Bearbeitung mittels generativen Materialauftrags können nun beschädigte und abgenutzte Blisks wieder hergestellt werden“, beschreibt Ferdinand Hoischen, Leiter Vertrieb bei Delcam. Das spart Zeit und Geld und ist wirtschaftlicher als Blisks neu aus dem Vollen zu fräsen.

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Die Lasertec 65 Additive Manufactoring verbindet die additive und die spanende Bearbeitung auf einer Maschine.

Das Thema Fertigen per generativer Technologie ist auch bei Hermle bereits Realität, erläutert Udo Hipp, Marketingleiter bei Hermle: „Mit dem Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA) werden Bauteile aus Metallpulver erzeugt, die unter Produktionsbedingungen eingesetzt werden können.“

Die Integration der Auftragseinheit in ein Hermle-5-Achsen-Bearbeitungszentrum erlaubt hybride Fertigungsprozesse, bei denen Materialauftrag und Zerspanung in einer Maschine kombiniert werden. Der Materialauftrag erfolgt schichtweise immer so weit, wie die jeweiligen Bauteilkonturen zur Fräsbearbeitung zugänglich sind. Nach der Bearbeitung der Konturen folgt dann wieder ein Wechsel in das Auftragsverfahren. Auf diese Weise wird ein massiver Volumenkörper aus zwei oder mehr Materialien aufgebaut.

Ausgangsmaterial für das Auftragsverfahren sind Metallpulver mit Korngrößen von 25 bis 75 μm. Innenliegende Geometrien und Hinterschneidungen können mit Hilfe eines wasserlöslichen Füllmaterials realisiert werden. Nach Abschluss des Fertigungsprozesses wird es aus dem Bauteil herausgewaschen, und die gewünschten Hohlräume entstehen.

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Insbesondere der Reparaturbereich, im Beispiel eine Laufschaufel aus Inconel, ist ein Treiber für die kombinierte Bearbeitung mit generativer Technik.

Dabei sind die Einsatzmöglichkeiten generativer Technologien noch weitreichender. Die Vielfältigkeit, die sich konstruktionsbedingt für eine Vielzahl neuer, bisher schwer bis unmöglich mittels herkömmlicher Zerspanung herstellbarer Werkstücke darstellt, gilt darüber hinaus auch für die hybride Erstellung von Werkzeugen etwa im Werkzeug- und Formenbau. Für Martin Geiger von Coachulting ist bei der professionellen additiven Fertigung ein Wandel zu neuen Anlagen und Geschäftsprozessen für die Produktion erkennbar. „Erste Entwicklungen zeigen indes einen Trend auf, aus dem sich schließen lässt, dass zukünftige additive Fertigungsanlagen sich mehr mit heutigen Fräszentren vergleichen lassen werden“, ist sich Geiger sicher. Mit solchen Anlagen soll nach Meinung des Experten ein Markt in der Produktion entstehen, der ein Vielfaches größer ist als der aktuelle Prototypenmarkt.

In einem ersten VDMA-Expertengespräch in 2013 wurden Potenziale, Herausforderungen und Grenzen der jungen Technologie herausgestellt. Insbesondere der Fachverband Druck- und Papiertechnik treibt das Thema 3D-Drucktechnologien im Maschinenbau voran.

Eine andere Entwicklung befasst sich mit der Modifikation des Werkzeuges an sich, das für die Zerspanung verwendet wird. Aufgrund der Vielfältigkeit an kleinen und filigranen Bauteilen, die gefertigt werden müssen, spielt für eine hohe Genauigkeit der Teile neben der Präzision einer Maschine oder Spindel auch das eingesetzte Werkzeug eine gewichtige Rolle. Erste Forschungsergebnisse zu Werkzeuggrundkörpern aus gesintertem Metallpulver, die auf die Bearbeitung hin optimiert werden, sind vielversprechend und eröffnen neue Wege für Werkzeughersteller, die bislang keine Statistik erfasst.

Sechs Fragen an Rainer Gebhardt, Ansprechpartner für 3D-Druck beim VDMA

Branchenreport interview

­Rainer Gebhardt, VDMA Frankfurt: „Von generativen Fertigungsverfahren haben wir noch große Potenziale zu erwarten.“

„Die Nase vorn haben“
Generative Fertigungsverfahren bringen radikal neue Möglichkeiten mit sich, mit denen Metallteile mit bislang nicht herstellbaren Merkmalen produzieren lassen. fertigung-Redakteur Martin Droysen sprach mit Rainer Gebhardt, VDMA Frankfurt, über aktuelle Entwicklungen.

Wie würden Sie 3D-Druck oder generative Verfahren in einem Satz erklären?
3D-Druck ist als Oberbegriff für werkzeuglose Herstellungsverfahren zu sehen, die als generative oder additive Fertigungsverfahren bekannt sind und den schichtweisen Aufbau von Bauteilen aus digitalen Daten erlauben.

Inwiefern beeinflussen die Entwicklungen im 3D-Druck die Bereiche der herkömmlichen industriellen Fertigung?
Große Anlagenbauer haben beispielsweise Abteilungen für 3D-Druckverfahren. Diese eröffnen ganz neue Lösungswege in der Entwicklung und Konstruktion. International wittern Industrie und Wirtschaft im 3D-Druck neue Geschäftsfelder. Die innovativen Fertigungsmethoden des 3D-Drucks definieren die Welt der Produktion neu: vom Prototypenbau über die Planung von Ersatzteilen bis hin zur Einzelteilfertigung. Ganz anschaulich sind Beispiele für individualisierte Teile aus der Medizintechnik wie etwa Zahnkronen.

Wird der 3D-Druck herkömmliche Fertigungsmethoden ersetzen?
Bei aller Euphorie, Herr Droysen, sollte man sich nicht darüber hinweg täuschen lassen, dass die Geometrie eines Bauteiles häufig nur ein Bruchteil der Ingenieurleistung ist. Bauteileigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Bruchfestigkeit und Verformungseigenschaften sind Merkmale, die sich nicht einfach mit einer Datenfile und einer Handvoll Pulver erzeugen lassen. Ausgereifte Funktionsteile und hochwertige Massenteile des Maschinenbaus wird der 3D-Druck sicherlich nicht in absehbarer Zeit ersetzen können.

Arbeitsraum mit Frässpindel und Auftragseinheit

Mit dem Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA) von Hermle können Bauteile gefertigt werden, die zerspanend nicht oder nur teilweise herzustellen sind. Die MPA-Technologie ist im 5-Achsen-Bearbeitungszentrum integriert.

Was ist das Besondere, das der 3D-Druck mit sich bringt?
Dieses werkzeuglose Herstellungsverfahren verändert die Art der Konstruktion radikal und eröffnet somit vollkommen neue Gestaltungsfreiräume. Neue Konstruktionsfreiräume, schnelle und werkzeuglose Herstellung von Prototypen, Potenziale zur Reduzierung von Kosten in der Lagerhaltung und Logistik bilden hier erst den Anfang.

Ist 3D-Druck noch Zukunftsmusik oder gibt es Industriebereiche, in denen diese Technologie bereits eingesetzt wird?
Der 3D-Druck ist in vielen Fällen heute schon eine hervorragende Methode, um Entwicklungsprozesse zu beschleunigen und Sonderwünsche zu erfüllen. Auch Spezialanwendungen wie Leichtbau und bauraumoptimierte Konstruktionen sind vielversprechende Aktionsfelder für die generativen Verfahren. Konstrukteure, die das klassische Maschinenbau-Know-how mit den Konstruktionsmöglichkeiten des 3D-Drucks verbinden, haben die Nase vorn, wenn es heute darum geht, die Leistungsfähigkeit von Baugruppen weiter zu optimieren.

Was sind die kritischen Faktoren, damit sich der 3D-Druck auch in der industriellen Fertigung durchsetzt?
Die Performance der Systeme muss sich verbessern und die Investitionskosten für die Anlagen müssen im Verhältnis stimmen. Die Materialkosten werden sich auf einem gesunden Niveau einpendeln. Da die Technologie am Anfang steht, sind hier noch große Potenziale zu erwarten.