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Hybride Fertigung

Die Kombination zweier Fertigungstechnologien

Hybride Fertigung umfasst im Zusammenhang mit metallischem 3D-Druck die integrative Kombination von additiven und subtraktiven Fertigungsverfahren.

Die beiden Verfahren unterscheiden sich durch die Herangehensweise in der Teilefertigung. Während bei der subtraktiven Fertigung Material abgetragen und durch die abgetragenen Späne auch „zerspanende Fertigung“ genannt wird, wird bei der additiven Fertigung das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut.

In der metallverarbeitenden Industrie sind im Bereich der konventionellen Fertigung vor allem die spanenden Verfahren Drehen, Bohren und Fräsen verbreitet. Für eine hohe Stückzahl fertigender Teile werden dabei moderne CNC-Bearbeitungszentren eingesetzt. Mehrachsige CNC-Werkzeugmaschinen sind mithilfe eines CAM System in der Lage, das Werkstück selbstständig und automatisiert zu bearbeiten. Dabei werden alle Bearbeitungsschritte inklusive der erforderlichen Maschinenschritte wie Palettenwechsel, Teilehandling und Werkzeugwechsel programmiert und im Vorfeld simuliert, um effiziente Abläufe ohne Kollisionen zu ermöglichen.

Subtraktive Fertigungsverfahren besitzen gegenüber der additiven Fertigung Vorteile hinsichtlich der Oberflächenqualitäten, Formgenauigkeit und Prozesszeiten insbesondere bei großen Bauteilen mit vergleichsweise einfachen Geometrien und bei Serienproduktionen.

Die additive Fertigung erobert durch die Möglichkeiten des metallischen Drucks jedoch mehr und mehr die Fertigungsindustrie. Sie ist schnell und materialsparend und damit kostengünstiger als die subtraktive Fertigung. Zudem lassen sich komplexe Strukturen umsetzen (Designfreiheit) und individualisierte Bauteile bereits ab Losgröße 1 wirtschaftlich fertigen. Besonders im Rahmen des Rapid Prototyping ist die additive Technologie sehr beliebt.

Die Anwendungsgebiete sind heute vielschichtig, ebenso wie die verschiedenen generativen Fertigungsverfahren. Darunter bspw. L-PBF und LMD. Im Pulverbettverfahren (L-PBF) werden per Laser Hochleistungsmetalle in Pulverform Schicht für Schicht aufgeschmolzen und in Form gebracht. Beim Laserauftragschweißen (LMD) hingegen wird mittels Pulverdüse und Laser das Material präzise auf das Werkstück aufgetragen.

Wird die zerspanende Fertigung durch die additiven Möglichkeiten abgelöst?

Beide Fertigungstechnologien haben ihre Stärken und sind ihrem Gegenspieler je nach Seriengröße oder Stufe der Produktentwicklung überlegen. Die Frage ist daher nicht, ob die eine Technologie die andere ablöst, sondern wie sich beide jetzt und in der Zukunft ergänzen und im Rahmen der hybriden Fertigung gemeinsam neue Wege beschreiten. In verschiedenen Bereichen gibt es bereits hybride Fertigungssysteme, die in der Lage sind, additive und subtraktive Prozesse kombiniert durchzuführen, ohne dass ein weiteres Handling der Bauteile notwendig ist.

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Wir gehen den Weg der hybriden Fertigung mit unserem Werkstück

Für die Fertigung des Mars-Fahnenmastes, dessen Design wir ihm Rahmen eines Ideenwettbewerbs gesucht und gefunden haben, wird eine Kombination der beiden Verfahren genutzt. Das Ziel bei der Fertigung des Fahnenmastes ist es, zusammen mit AMbitious powerd by Toolcraft die Vorteile beider Fertigungsverfahren zu vereinen.

Mit Christoph Hauck, Chairman of the board VDMA working group additive manufacturing, hatten wir hierüber schon im Vorfeld gesprochen.

„Da die Teilnehmer bis auf wenige Vorgaben gestalterische Freiheit haben, können spannende, aber auch komplexe Ideen entstehen, die sich mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht ohne Abstriche umsetzen lassen. In der hybriden Fertigungstechnologie sehe ich eine Verschmelzung der Vorteile der additiven Technologie wie Designfreiheit, Gewichtsreduktion und die Nutzung neuartiger Werkstoffe mit den Vorteilen der subtraktiven Technologie, wie Toleranzen und Oberflächengüte. Dieser Ansatz stellt ein Novum zu den bisherigen und klassischen Wertschöpfungsströmen dar.“

Und damit hat Herr Hauck recht behalten. Das Design, das aus gewundenen, jeweils gegenläufigen und versetzten Helices besteht, kann zerspanend nur mühevoll und kostenintensiv gefertigt werden. Daher werden wir diese Struktur additiv aufbauen und subtraktiv (zerspanend) weiterbearbeiten, um maßgerechte Passungen zu erhalten und eine Optimierung der Oberflächengüte vorzunehmen.

Wie sieht der Prozess der hybriden Fertigung des Fahnenmastes aus?

Prozess der hybriden Fertigung des Fahnenmastes

Die Fertigung des Fahnenmastes umfasst die folgenden Prozessschritte:


Optimierung des Designs
Das 3D Modell haben wir vorliegen. Allerdings wurde dieses ohne Berücksichtigung der Fertigungsvorgaben erstellt und wird daher von uns konstruktiv neu aufgesetzt sowie für die additive Fertigung optimiert. Dafür nutzen wir Siemens NX, um eine Datendurchgängigkeit vom Design über den Druck bis zur spanenden Weiterbearbeitung zu erhalten.


Vorbereitung für die additive Fertigung
Nach der Optimierung des 3D-Modells erfolgt die Aufbereitung des Fahnenmastes für den Druck.


Druck im Pulverbettverfahren
Die Daten werden an den Drucker übergeben und im Pulverbettverfahren (L-PBF) wird der Fahnenmast Schicht für Schicht aufgebaut.


Postprozess

Im Rahmen des Postprozesses erfolgt eine Prüfung sowie Wärmbehandlung des Fahnenmastes, um Spannungen im Bauteil abzubauen und die gewünschte Werkstoffeigenschaften einzustellen. Zudem wird eine Entpulverung sowie die Abtrennung des Fahnenmastes von der Bauplatte vorgenommen.


Vorbereitung für die subtraktive Fertigung

Ein weiterer Schritt des Postprozesses ist die NC Programmierung. In NX CAM wird die Weiterbearbeitung des Fahnenmastes inkl. Erstellung der Vorrichtung programmiert, der NC-Code generiert und mittels Maschinensimulation überprüft.


Subtraktive Weiterbearbeitung

Der NC-Code wird mittels Postprozessor an die Maschine übertragen und die Maschine kann mit der Nachbearbeitung beginnen.


Qualitätssicherung

Zum Schluss wird eine Oberflächenprüfung durchgeführt und der Fahnenmast optisch und taktil qualifiziert.
 


Der Fahnenmast steht.

Die Mars-Fahne kann gehisst werden!

Aktuell wird Schritt eins, die Optimierung des Designs des Fahnenmastes für die additive Fertigung vorgenommen.

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Martina WeikMartina Weik
Marketing Manager
E-Mail: Martina.Weik@janus-engineering.com

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