Metal-Hybrid-3D-Printer Lumex Avance 25 von Matsuura

Die Highlights an der Lumex 25 sind der kompakte Maschinenaufbau, die Darstellung von komplexen Strukturen bei hoher Fertigungsgenauigkeit und Oberflächengüte, der homogene, funktionelle Arbeitsablauf, die übersichtliche und bedienerfreundliche Steuerungsoberfläche und der sichere Prozess, der eine mannlose Fertigung ermöglicht.

Maschinenaufbau

An der Lumex 25 werden zwei Prozesse, ein generatives Fertigungsverfahren (SLM – Selektives Laserschmelzen) in Kombination mit einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC-HighSpeedCutting) in einer Maschine integriert. Mit dieser Prozessintegration werden hochgenaue Werkzeuge und auch Funktionsbauteile unter Verwendung der entsprechenden Werkstoffe hergestellt.

Im Vergleich zur konventionellen Herstellung, beginnend mit einer CAD-CAM-Programmerstellung, dem Fräsen aus einer Rohlingskontur oder auch dem Funkenerodieren (EDM-Senken), ergeben sich signifikante Zeiteinsparungen bei einer Werkzeugherstellung laut Matsuura sind das bis zu 50 Prozent. Ähnliche Einsparungen sind bei der Herstellung von Funktionsbauteilen auch zu erzielen.

Die Standardeinheit zum Aufbau eines metallischen Werkstücks besteht bei der Lumex 25 aus einem 500 Watt-Hochleistungslaser (Yb Fiber Laser) der über eine Spiegeloptik in der X- und Y- Achse verfahren wird. Der Tisch (Z-Achse) zur Aufnahme der Werkstücke verfährt nach jedem Takt über die Wegstrecke eines Layers (0,05 Millimeter). Dabei senkt er ab und ein horizontal verfahrbarer Schlitten zur Versorgung der beheizten Aufbauplatte mit Metallpulver zieht einen neuen Layer auf. Die Tischeinheit wird über einen Direktantrieb verfahren. Im folgenden generativen Auftragen des Metallwerkstoffs entsteht jeweils ein Metall-Schmelzbad im Layerbereich, das kontinuierlich wächst.

Die Fräseinheit – eine dreiachsige Lineareinheit – ist ebenfalls über Torqueantriebe realisiert und erreicht im Eilgang in der X- und Y-Achse eine Vorschubgeschwindigkeit von 60 m/min. Die Z2-Achse, diese Achse trägt die Hochgeschwindigkeitsfrässpindel, fährt bei jedem Fräsvorgang auf eine feste Position, denn die Zustellung am Werkstück, die Schichtdicke eines Layers, wird über die Z-Achse, in der Tischeinheit vollzogen, die nach unten absenkt.

Die HSC-Spindel ist fettgeschmiert, da bei einer Ölnebelschmierung die Gefahr besteht, dass Öl in den Sinterprozess gelangt und damit ein Sicherheitsrisiko darstellt.

Der leistungsoptimale Einsatz der Lasereinheit bedingt einen rauchfreien, stickstoffhaltigen Arbeitsraum. Dazu wird bei Beginn der Bearbeitung Stickstoff eingeleitet, der Arbeitsraum gefüllt und dann kontinuierlich im Prozess abgesaugt, um eine Durchströmung zu erreichen. Das Rauchgemisch wird an einem elektrostatischen Plattenabscheider vorbeigeleitet und gereinigt. Zur Überwachung der Atmosphäre wird im Arbeitsraum die Sauerstoffsättigung (O2 < 1 Prozent) gemessen.

Die Laseroptik wird gekühlt, um eine vorhandene Drift auszugleichen. Zur Kompensation wird ein Abgleich der Koordinatensysteme von Laser und Fräseinheit vorgenommen, indem die CCD-Kamera – befestigt an der Frässpindel – die Position des Lasers überwacht, die dann bei Abweichung korrigiert wird.

Prozessablauf

Mit dem 3D-Metal-Printing-Prozess hat Matsuura schon 20-jährige Erfahrung, was sich auch im sicheren Prozessablauf an der Lumex 25 zeigt. Die Prozessschritte sind technologisch durchdacht und funktionell gestaltet.

Nach dem Generieren von zehn Layern wird in der Regel eine Fräsoperation durchgeführt. Dieser Zyklus kann materialabhängig oder auch erfahrungsbasiert erhöht werden (bis zu 50 Layer) Dies bedeutet, dass der Kunde verschiedene Strategien fahren kann. Zur Vorbereitung des Fräsarbeitsgangs muss vorher das auf der Fräsbahn noch liegende Metallpulver über einen Saugrüssel abgesaugt werden, damit das Fräswerkzeug einen sauberen Schnitt erzeugt und nicht durch Pulverreste zusätzlich verschlissen wird. Das Absaugen erlaubt auch den Einsatz größerer Werkzeugdurchmesser und Vorschubgeschwindigkeiten zur Verringerung der Fräszeiten.

Danach erfolgt das Abfräsen des aufgeschmolzenen Materials bis auf ein Aufmaß zur Sollkontur, das dann in einem abschließenden Finish-Schnitt abgetragen wird. Mit der entsprechenden Werkzeugauswahl können jegliche Konturen, auch Hinterschnitte, dargestellt werden. Diese spezifischen Prozessabläufe sind Eigenentwicklungen von Matsuura und zeigen die Kompetenz im Prozess, denn hierzu existieren diverse Patente.

Innere Hohlräume, zum Beispiel Kühlkanäle im Werkzeug, sind konventionell kaum darstellbar und können hier beim generativen Aufbau des Werkstücks optimal an die zu kühlenden Bereiche in der Form angelegt werden. Dies ergibt beispielsweise im Spritzguss erhebliche Zeiteinsparung durch verringerte Abkühlzeiten im Prozess (circa 30 Prozent Zykluszeitreduktion).

Eine Anwendung ist beispielsweise die Erzeugung von internen Gitterstrukturen im Werkzeug, um das Materialvolumen und die Herstellzeit zu reduzieren bei gleicher geforderter Festigkeit. Auch die Herstellung von porösen, gasdurchgängigen Strukturen ist möglich, was das Ausgasen im Werkzeug beim Einfüllen von Gießflüssigkeiten verbessert.

Automatisierung

Die Maschine ist vollautomatisiert bei Zuführung von Metallpulver im Sinterprozess und auch bei Werkzeugbereitstellung zum Fräsen. Parallel zum Aufziehen einer neuen Pulverschicht werden über eine Klinge auch die beim Fräsen anfallenden Späne mit abgestreift. Die Frässpindel entnimmt direkt im Pick-up die Werkzeuge aus einem Magazin mit 20 bereitgestellten Werkzeugen.

Bearbeitung

Beim Maschinencheck wurde ein Demonstrationsmodell hergestellt und dabei wurden alle Funktionen der Maschine präsentiert und beurteilt. Die exakte Kontur am Teil, die Oberflächenfeinheit und der homogene Prozessablauf (circa zwei Stunden) waren beeindruckend.

Steuerung

Als Steuerung wird die 31i von Fanuc eingesetzt mit einer Matsuura eigenen Interface-Darstellung der Funktionen auf dem Touchscreen-Bedienpanel. Die Darstellung, das Anwählen der Bediensteps und die Übersichtlichkeit auf dem Touchscreen wurden vorgestellt und sind sehr bedienfreundlich. Zur Generierung eines Jobs wird das Lumex-CAM eingesetzt. In diesem Umfang wird auch eine Kollisionsprüfung gemacht, wobei Kollisionsabläufe unkritisch sind, da das Werkstück ‚nach unten baut‘, nicht in den Verfahrbereich der Frässpindel.

Service/TCO

Der Service bei Matsuura-Europe in Wiesbaden ist werktags von 7:00 Uhr bis 19:00 Uhr besetzt und an Samstagen von 7:00 Uhr bis 12:00 Uhr. Das Ziel ist, einen Tag nach Eingang einer Störmeldung vor Ort zu sein. Die Strategie ist einen dauerhaften Kaizen-Prozess zu realisieren, das heißt, wird ein anfälliges Bauteil identifiziert, wird dies umgehend optimiert oder ausgetauscht.

Bei Aussagen zu möglichen Ausfällen über die Lebensdauer von Baugruppen (TCO-Daten) bezieht man sich auf Lebenslaufakten an vorhandenen Maschinen, die dann herangezogen werden. Diese Daten sind digital vorhanden und können von den Servicefachkräften bei der Fehleranalyse genutzt werden. Eine digitale Erfassung, Analyse, Auswertung und Darstellung von Service-Daten wurden nicht gezeigt. In der Garantiezeit der Maschine betreut Matsuura seine Kunden optimal. Lumex-CAM-Updates, Inspektionen und Wartungen werden kostenlos durchgeführt.

Das Matsuura Center Europe in Wiesbaden wird beide Baureihen, die Lumex 25 und 60, bei ihren Additive Days am 28. und 29. Juni 2023 vorstellen und Anwendungen präsentieren.