3D-Hybrid-Metal-Printer Lumex 25.

Im 3D-Hybrid-Metal-Printer Lumex 25 sind die Prozesse Selektives Metallschmelzen und Hochgeschwindigkeitsfräsen integriert. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Tiefe und schmale Rippen sind im Hybrid-3D-Metal-Printer darstellbar.
Tiefe und schmale Rippen sind im Hybrid-3D-Metal-Printer darstellbar. EDM-Verfahren werden ersetzt. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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 Verteileinheit für das Metallpulver verfährt über den beheizten Arbeitstisch.
Die Verteileinheit für das Metallpulver verfährt über den beheizten Arbeitstisch in einem Layer von 0,05 Millimeter. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Zylinderkurbelgehäuse gefertigt im Hybrid-3D-Metal-Printer.
Zylinderkurbelgehäuse gefertigt im Hybrid-3D-Metal-Printer. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Die Kühlkanäle sind optimal in der Kavität platziert.
Die Kühlkanäle sind optimal in der Kavität platziert. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Die HSC-Spindel nimmt die Werkzeuge im Pick-up­-Ablauf aus dem Magazin auf.
Die HSC-Spindel (45.000 U/min) nimmt die Werkzeuge im Pick-up­-Ablauf aus dem Magazin auf. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Beim Maschinencheck wurde ein Modell gefertigt.
Beim Maschinencheck wurde ein Modell gefertigt in den Arbeitsfolgen Metall-Aufschmelzen – Pulver absaugen – HSC-Fräsen. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Das User-Interface.
Das User-Interface ist anwendungsorientiert und bedienerfreundlich. (Bild: Matsuura/Neugebauer)

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.

Meine Meinung

An der Lumex 25 ergänzen sich die langjährigen Erfahrungen von Matsuura sowohl in der Frästechnik als auch beim SLM-Prozess. Die einzelnen Prozessschritte sind optimal technologisch abgestimmt und führen zu hervorragenden Arbeitsergebnissen, was die Werkstückqualität bei Genauigkeit und Oberfläche betrifft. Der kompakte Maschinenaufbau, der automatisierte Arbeitsablauf und auch die Jobvorbereitung über die Matsuura eigene CAM-Software bieten etliche Vorteile für den Kunden.  Die Kundenbetreuung im After-Sales ist vorbildlich sowohl beim Anlauf der Maschine und in der Garantiezeit als auch bei der Servicebereitschaft. Allein bei der Digitalisierung in der Erfassung/Analyse und Darstellung von Servicedaten sind noch Verbesserungen zu realisieren.

Edwin Neugebauer

Zahlen+Fakten

Maschinendaten Matsuura - Lumex Avance 25
Fräseinheit
X-Y-Z-Verfahrwege (Millimeter) 260 x 260; Z-Hub 100
Eilgang
X-Y-Z-Achse (m/min) 60 / 60 / 30
Beschleunigung, X-Y-Z-Achse 0,98 / 1,28 / 0,95 (G)
Generiereinheit
Laser Yb Fiber Laser
Laser-Power 500 Watt
Tischbelastung 90 Kilogramm
Tischabmessung (Millimeter) 270 x 270
Arbeitsspindel 45.000 U/min
Spindelmotor AC 2,4 / 4,0 Kilowatt
Genauigkeit: Position/Wiederholung +/- 0,0025; +/- 0,001 Millimeter
Werkzeugspeicher 20
Steuerung Fanuc 31 i
Grundfläche L,B,H 3.200 x 4.800 x 2.050
Gewicht 4,5 Tonnen
Preis Standard: 650.000 €


Auf einen Blick: Metal-Hybrid-3D-Printer Lumex Avance 25 von Matsuura

Stärken:

  • 20 Jahre Erfahrung
  • kompakte Maschine
  • homogener, durchdachter Prozess
  • Genauigkeitsbearbeitung
  • optimales Tool zur Job-Generierung Lumex-CAM
  • bedienerfreundliche, übersichtliche Darstellung am Touchscreen-Interface
  • Automatisierung bei Werkzeugwechsel und Pulverbereitstellung
  • Servicebereitschaft

Schwächen:

  • nur eine Steuerung angeboten
  • TCO-Analysen nur über Historie-Lebenslaufakte

Maschinen-Check Ergebnisse, Punktezahl

maximale
Punktezahl
erreichte
Punktezahl
Matsuura Lumex 25
Maschineninbetriebnahme 25,00 19,75
Zeitaufwand bis Job 1 12,50 8,75
Nachweis - Bearbeitungsqualität 2,50 1,50
Achsenvermessung 2,50 2,00
Einweisung - Anwender 7,50 7,50
Wartungsfreundlichkeit 100,00 83,53
Zugänglichkeit bei Wartungsarbeiten 25,00 25,00
Zugänglichkeit bei Störungen 35,00 31,53
Hauptspindel-Austauschzeit 15,00 6,00
Austauschzeit-Vorschubkomponenten 15,00 15,00
automatische Überwachungsfunktionen 10,00 9,00
Automatisierung 100,00 83,00
Maschinenstart/Referenzfahren 30,00 27,00
Bedienung/Beschickung 30,00 24,00
Aufwand für Werkstückspannung/Teiletransport 40,00 32,00
Steuerung 50,00 48,00
Steuerung/Komfortfunktionen 30,00 30,00
Kollisionsbetrachtungen 20,00 18,00
Umrüstfreundlichkeit 50,00 50,00
Flexibilität-Spanntisch 25,00 25,00
Einrichteaufwand 15,00 15,00
Mehrfachspannung/Model-mix 10,00 10,00
Service 75,00 66,00
Verfügbarkeit Servicepersonal 30,00 30,00
Ersatzteillager/Anfertigung von Ersatzteilen 22,50 18,00
Teilezeichnungen-Archiv; Internetverfügbarkeit 15,00 12,00
Wartungsverträge 7,50 6,00
TCO 85,00 54,40
Analyse - Kostentreiber vorhanden 34,00 20,40
Bewertung/Zahlen f. Ausfallzeiten/Reparaturzeit 34,00 20,40
KVP-Maschinenlieferant bei Ausfallmeldung 17,00 13,60
Vertragsgestaltung 15,00 12,00
Garantiezeit 5,00 4,00
Zahlungsbedingungen 5,00 4,00
TCO-Prozess fixiert 5,00 4,00
Summe 500,00 419,68


Maschinen-Check Ergebnisse
Maschinenlieferant: Matsuura Europe GmbH, Lumex Avance 25


MASCHINENINBETRIEBNAHME
Zeitaufwand bis Job 1 Maschinenaufstellung und Inbetriebnahme, mit Optik-Laser einstellen und Test; Kamera justieren; 4 Tage, Einweisung/Training 2 Tage, Kundenteil am 6. Tag.
Nachweis - Bearbeitungsqualität Gemäß Kundenbauteil.
Achsenvermessung Achsvermessung im Rahmen der Inbetriebnahme; Steinlineal.
Einweisung Anwender Vorabschulung bei Matsuura; Schulung nach Inbetriebnahme 2 Tage, Spezifische Schulung 1 Monat später 2-3 Tage.
     
WARTUNGSFREUNDLICHKEIT
Austauschbarkeit von Verschleissteilen Leichte Zugänglichkeit an alle Verschleißteile; kaum Verschleiß.
Zugänglichkeit bei Störungen Leichte Zugänglichkeit an alle wichtigen Komponenten.
Hauptspindel-Austauschzeit Circa 10 Stunden.
Austauschzeit-Laserkomponenten Circa 5 Stunden; Abstimmung - Focus Punkt.
Automatische Überwachungsfunktionen Temperaturüberwachung: Hauptspindel und Schlitteneinheiten; Überwachung für Schmierung; Überwachung Achslast; Abgleich der Koordinatensysteme; Überwachung Sauerstoffanteil in der Prozesskammer.
     
AUTOMATISIERUNG
Aufwand für Werkstückspannung/Teiletransport Flexibler Maschinentisch mit diversen Aufspannmöglichkeiten / Flexibler Aufbau der Teile im Bauraum.
Bedienung/Beschickung/Werkzeugwechsel Automatischer Prozess; Pulverbeschickung komplett automatisiert möglich; Automatischer Werkzeugwechsel; 20er Magazin.
Maschinenstart/Referenzfahren Bei Beginn des Jobs: circa 25-30 Minuten - Füllung der Prozesskammer mit Stickstoff.
     
STEUERUNG
Steuerung/Komfortfunktionen 31er Fanuc-Steuerung / Touchscreen mit eigenem UserInterface.
Kollisionsbetrachtungen Keine Kollision möglich ==> Programmierung im Lumexcam ==> Kollisionskontrolle erfolgt vorab; Werkstück baut nicht in den Arbeitsraum - Kollisionsminimierung.
     
UMRÜSTFREUNDLICHKEIT
Flexibilität - Werkstück/Werkzeugwechsel Absolute Flexibilitat am Werkstück vorhanden - Werkstück wird zum Beispiel auf einer Grundplatte aufgebaut ==> keine Spannmittel notwendig. Da im Hybrid-Additiven-Prozess immer dieselben Werkzeuge benötigt werden, verbleiben diese als Standardwerkzeuge im Magazin. Kein Aufwand zwischen zwei Baujobs.
Einrichteaufwand Gute Zugänglichkeit, geringer Einrichtaufwand.
Teilebeschickung/Mehrfachspannung/Model-mix Flexibel diverse Möglichkeiten (vorgefertigte Bauteile, Nullpunktspannsystem, Grundplatten direkt auf Tisch…...).
     
SERVICE
Verfügbarkeit Servicepersonal 24 Stunden Service (Montag-Freitag Hotline: 7:00 Uhr bis 19:00 Uhr/ Samstag: 7:00 Uhr bis 12:00 Uhr); Service vor Ort innerhalb von 1 Tag.
Ersatzteillager/Anfertigung von Ersatzteilen Für Europa zwei Lagerstandorte (Deutschland und England) - sollten die Teile dort nicht verfügbar sein, so stehen zwei Lager in Nord-Amerika und ein Lager in Asien (Japan) zur Verfügung.
Teilezeichnungen-Archiv, Internetverfügbarkeit Manuals 2-fach in Papierform dabei, sowie 1x digital.
Wartungsverträge Angebot möglich; spezielle Konditionen nach Kundenbezug.
     
TCO
Analyse - Kostentreiber vorhanden Dauerhafter Kaizen Prozess. Sollte ein anfälliges Bauteil identifiziert werden, wird dieses umgehend optimiert (ausgetauscht).
Bewertung/Zahlen für Ausfallzeiten/Reparaturzeiten Bei TCO-Daten: baugleiche Maschine mit Lebenslaufakte wird zur Analyse herangezogen.
KVP-Maschinenlieferant bei Ausfallmeldung Kaizen -Prozess.
     
VERTRAGSGESTALTUNG
Garantiezeit 12 Monate im Standard (24/7 Nutzung); 24 Monate gemäß Angebot.
Zahlungsbedingungen Verhandelbar; z.B.: 90 Prozent bei Anlieferung, 10 Prozent nach IBN/Abnahme.
TCO-Prozess fixiert TCO kann vertraglich fixiert werden.
Zusätzlicher Punkt aus Sicht Lieferant
2x jährliches Lumexcam Update in der Garantiezeit ohne Berechnung. 2x Inspektion beziehungsweise Wartung in der Garantiezeit ohne Berechnung. Service- und Anwender-Hotline ohne Berechnung. Mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Technologie. Große weltweite installierte Lumex-Basis.
     
     
     

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