Hybridmaschinen auf dem Vormarsch

Additive Fertigungsverfahren in den Zerspanprozess integrieren

Parallel zur METAV 2016 findet am 24. und 25. Februar 2016 auf dem Düsseldorfer Messegelände die Fachkonferenz „Inside 3D Printing“ statt. Sie bietet das vollständige Konferenzangebot zu additiver Fertigung mit Metallen und Kunststoffkomponenten. Die Devise lautet nicht mehr nur Drucken statt Spanen, sondern zunehmend Drucken und Spanen. Hybridmaschinen sind auf dem Vormarsch. Sie erweitern bewährte Zerspanungstechniken um die vielfältigen Möglichkeiten der additiven Fertigung in einem Arbeitsraum.

Der vom Fraunhofer IWS in Dresden entwickelte Auftragskopf wird in der Maschine vorgehalten und kann über die WFL-Prismenwerkzeugschnittstelle aufgenommen werden. Foto: WFL, Linz

Die Integration additiver Fertigungsverfahren in den Zerspanprozess bietet 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 2016, eine Reihe von Möglichkeiten und Zusatznutzen für den Anwender: „Durch die Kombination von Materialaufbau und Abbau in einer Maschine sind Funktionen integrierbar, die bislang nicht möglich waren. So können verschiedenartige Materialien in einem Fertigungsprozess verwendet werden. Ein Zusatznutzen liegt darin, dass in den Prozess das langjährige Know-how der Werkzeugmaschinenhersteller einfließt.“ Weitere Vorteile sieht der 3D-Experte in den Möglichkeiten der Massenfertigung und der Standardisierung sowie den Aspekten Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Herstellung von Hinterschneidungen, Nutzen von Formfreiheit und Materialeinsparungen. Nicht zuletzt werden zwei Prozesse miteinander vereint, was hilft, die Vorteile beider Verfahren gemeinsam zu nutzen.

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Der Auftragskopf besteht aus einer Düse, durch die die Metallpulverpartikel fokussiert zur Auftragsstelle transportiert werden. Ein Schutzgas verhindert Oxidationsprozesse und dient als Träger- und Transportmedium. Der Laserstrahl wird durch das Zentrum der Düse auf den Auftragspunkt fokussiert. Foto: WFL, Linz

Dabei ist die Integration der Kernkompetenz des additiven Fertigens durchaus nicht trivial. Technisch bedeutet es erneut ein Umdenken, da das fertigungsgerechte Konstruieren künftig noch stärker in den Vordergrund rückt. Dazu brauche man „smarte Personen, die willens und fähig sind, beides zu kombinieren“, so Klemp.

Von der METAV 2016 erwartet der Experte einen fruchtbaren Erfahrungsaustausch mit den Maschinenherstellern, weitere Anregungen und detaillierte Aussagen, erste Bauteile und vor allem entsprechende Maschinen live in Aktion zu sehen.

METAV 2016 als Plattform für innovative Köpfe

Rainer Gebhardt, Projektleiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA, sieht die Vorteile der Hybridmaschinen u.a. in den Gestaltungsfreiräumen und der Bearbeitung in einer Aufspannung. All das kommt der Genauigkeit zu Gute. Generell gilt, dass aufgetragene Konturen zumeist nachbearbeitet werden müssen. Das lässt sich in der Hybridmaschine sehr flexibel realisieren.

Aufgetragene Strukturen können ohne umzuspannen sofort nachbearbeitet werden, was ein Maximum an Genauigkeit gewährleistet und Rüstzeiten spart. Foto: WFL, Linz

Hybrid bedeutet nach Einschätzung von Gebhardt „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“, so Gebhardt weiter.

Laut Gebhardt bietet sich das Verfahren vor allem bei Reparaturaufgaben an. Wie bei allen additiven Fertigungsverfahren bestehe die Herausforderung jedoch darin, den passenden Anwendungsfall im Gesamtumfeld zu identifizieren. Gebhardt: „Dabei sind auch die verschiedenen Hybridverfahren zu beachten – und natürlich die Kosten. Hybrid bedeute ja auch, dass immer eines der beiden Verfahren still steht.“

Rainer Gebhardt, Projektleiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA: „Das ist das Spannende an dieser neuen Technologie - in den verschiedensten Branchen sind innovative Köpfe aufmerksam geworden und probieren Lösungen aus.“ Foto: VDMA, Frankfurt am Main

Einige Anwender, so der VDMA-Experte, haben deshalb die hybride Produktion im Auge. Nicht in einer Maschine, aber durchaus die Kombination aus Halbzeug und subtraktiver Fertigung plus additive Fertigung. Das sei „gerade das Spannende an der neuen Technologie – in den verschiedensten Branchen sind innovative Köpfe aufmerksam geworden und probieren Lösungen aus. Wir in der Arbeitsgemeinschaft beim VDMA bringen genau solche Leute zusammen – aus den Anwenderbranchen und von den Technologieanbietern. Das fördert die Entwicklungen auf beiden Seiten. An Potenzial mangelt es nicht - die neuen Verfahren bieten häufig wettbewerbsentscheidende Möglichkeiten. Die METAV 2016 ist dafür eine Plattform.“

Ein weiterer Schritt zur kürzeren Prozesskette

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.

Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer des Direct Manufacturing Research Center (DMRC) der Universität Paderborn und Programmverantwortlicher der Fachkonferenz „Inside 3D Printing“ auf der METAV 2016: „Besucher der Inside 3D Printing wollen die Grenzen der heute verfügbaren Methoden des 3D-Drucks ausloten – technisch wie auch wirtschaftlich.“ Foto: DMRC, Paderborn

Arbeitsgänge, die bisher ein Ausspannen und externe Prozesse erforderlich gemacht haben, können nun im Zuge der Komplettbearbeitung auf einer Maschine realisiert werden. Laut Koll bringt das nicht nur Vorteile bei der Durchlaufzeit und Prozesssteuerung, sondern hilft, die Bauteilqualität deutlich zu verbessern und Kosten beim Rüstaufwand zu sparen.

Die Herangehensweise an eine solche Verfahrenskombination aus Sicht des Maschinenherstellers, der zumeist über eine spanende Kernkompetenz verfügt, beschreibt Anwendungstechniker Koll so: „Die Möglichkeit zu schweißen, zu härten und Material aufzutragen wurde am besten durch eine Applikation für Pulverlaserauftragsschweißen abgebildet. Diese Technologie beinhaltet alle erforderlichen Elemente. Die vielfältigen Werkstoffe, die über dieses Verfahren verarbeitet werden können, bilden in Verbindung mit den hohen Auftragsraten die optimalen Voraussetzungen für ein breites Anwendungsspektrum.“

Reinhard Koll, Leitung der Anwendungstechnik bei WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG, Linz: „Hier ist ein Denkprozess im Gange, der das zukünftige Potential dieser Technologie stark beeinflussen wird.“ Foto: WFL, Linz

Der Zusatznutzen für den Anwender liegt darin, Arbeitsgänge einzusparen. Weitere Technologien, wie Schweißen, Härten und Beschichten stehen neben den Basistechnologien in der Maschine für Spezialbearbeitungen zur Verfügung. Eine Herstellung komplexer Geometrien, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur sehr schwierig herzustellen sind, rücken nun in greifbare Nähe. Bei Geometrien, die aus dem Werkstück herausragen, kann auf überdimensionale Rohlinge verzichtet werden. Das spart Bearbeitungszeit, senkt Werkzeugkosten und ermöglicht es, ohne Umspannung mit zerspanenden Verfahren weiterzuarbeiten. Speziell bei teuren oder schwer zu zerspanenden Werkstoffen ein nicht zu vernachlässigender Aspekt. Reinhard Koll: „Neben dem Aufbauen von Geometrien ist auch das Beschichten von Funktionsflächen mit Korrosionsschutz oder Verschleißschutzschichten ein Zusatznutzen, der für viele Anwender interessant ist.“

Typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise das Beschichten von Schnecken, Rotoren, Schraubenspindeln, das Härten von Lagerstellen, Verzahnungen, Dichtringsitzen oder die Reparatur von teuren beschädigten Werkstücken. Momentan, so Koll weiter, „werden einige konkrete Anwendungsmöglichkeiten mit Interessenten analysiert. Allerdings ist es schwer abzuschätzen, in welchen Branchen sich diese Technologie mittel- und langfristig etabliert“. Vielen Konstrukteuren und Fertigungsbetrieben wurden sozusagen die Augen geöffnet und neue bis dato unbekannte Möglichkeiten aufgezeigt. „Hier ist ein Denkprozess im Gange, der das zukünftige Potenzial dieser Technologie stark beeinflussen wird“, so der WFL-Experte. Dazu werde auch die Additive Manufacturing Area auf der METAV 2016 einen Beitrag leisten. kf

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