DMG-Mori-Lasertec-3D

Die Hybridmaschine Lasertec 65 3D hybrid von DMG Mori kombiniert Laserauftragsschweißen und 5-Achs-Fräsbearbeitung in einer Aufspannung. - Bild: DMG

Was ist eine Hybridmaschine?

Hybridmaschinen für die Metallbearbeitung kombinieren additive Fertigung und Zerspanung innerhalb eines Bearbeitungszentrums. Meist handelt es sich um Werkzeugmaschinen, die zusätzlich zur Werkzeugspindel über eine Lasereinheit verfügen, beispielsweise zum Laserauftragsschweißen oder zum Laserhärten. Es gibt allerdings auch Hybridmaschinen, die thermische Verfahren, wie zum Beispiel das Lichtbogenschweißen, zur additiven Fertigung nutzen.

Wenn Bauteile aus wertvollen Metallen verschleißen, steht häufig die Frage im Raum, ob und auf welche Weise sie repariert werden können. Ein mögliches Vorgehen ist das Abfräsen der beschädigten Stelle und der anschließende Materialauftrag mittels additiver Fertigung.

Der Prozess ist allerdings häufig so aufwendig, dass ein neu gefertigtes Teil die günstigere Alternative darstellt. Ändern können dies Hybridmaschinen, da eine Reparatur in nur einer Maschine und einer Aufspannung möglich ist.

Doch nicht nur im Bereich der Instandhaltung kann die Verbindung von additiver Fertigung und Zerspanung vorteilhaft sein, sondern auch bei der Fertigung sehr komplexer Bauteile wie zum Beispiel Werkzeugen mit oberflächennahen Kühlkanälen oder bei Bauteilen mit herausragenden Geometrien. "Hat man es mit geringen Stückzahlen, hoher Varianz und damit einem hohen Bedarf an Flexibilität zu tun, lohnen sich Hybridmaschinen", erklärt Kristian Arntz, Abteilungsleiter Nichtkonventionelle Fertigungsverfahren und Technologieintegration am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT). "Hier entfallen zum Beispiel Umspann- oder Rüstvorgänge, die sehr aufwendig sein können."

Additive Fertigung und Zerspanung ergänzen sich

Kristian Arntz erachtet die Kombination aus Zerspanung und additiver Fertigung aus zwei Gründen als lohnenswert: Zum einen ist es mithilfe hybrider Verfahren möglich, die Vorteile der beiden Technologien genau an den jeweils richtigen Stellen zusammenzuführen.

"Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung sehr komplexer Strukturen mit vergleichsweise geringem Aufwand", erläutert Kristian Arntz. "So lassen sich beispielsweise innenliegende komplexe Strukturen additiv fertigen, die konventionell gar nicht umsetzbar wären." Die Zerspanung sei auf der anderen Seite in vielen Fällen wesentlich produktiver und somit kostengünstiger, gerade wenn es um etwas weniger aufwendige Geometrien gehe. Nun bestehen relevante Bauteile in den meisten Fällen aus unterschiedlichen Geometriebereichen und bei einer Kombination beider Verfahren kommt dann das jeweils am besten geeignete Verfahren zum Zuge.

"Zum anderen ist es bei sehr vielen Anwendungen nicht oder nur mit unvertretbar hohem Aufwand möglich, fertige Bauteile additiv herzustellen", legt der IPT-Forscher dar. "Eine Nachbearbeitung beispielsweise von Funktionsbereichen erfolgt dann üblicherweise mittels spanender Fertigungsverfahren." Dank der nahtlosen Integration des 3D-Druckers können Hybridmaschinen diesen hohen Aufwand reduzieren.

Video: Zerspanung und Laserhärten auf einer Werkzeugmaschine

 

Die Möglichkeit, mit Hybridmaschinen Werkstücke in Fertigteilqualität herstellen zu können, ist einer der Gründe, warum sich viele Maschinenhersteller diesem Thema angenommen haben.

So hat beispielsweise DMG Mori die Lasertec 3D hybrid Baureihe im Programm, die Laserauftragsschweißen und Fräsen beziehungsweise Dreh-Fräsen kombiniert. Die Möglichkeit, Pulverdüse und Fräskopf jederzeit einzuwechseln, erlaubt den Anwendern vielfältige Möglichkeiten. "Gerade bei komplexen Geometrien lassen sich Bereiche fräsen, die am fertigen Bauteil später nicht mehr zu erreichen wären", beschreibt Patrick Diederich, Verantwortlicher für den Bereich Additive Fertigung bei DMG Mori. Vor allem in Aerospace, Energietechnik sowie Werkzeug- und Formenbau habe man mit solchen Anwendungen zu tun. "Hinzu kommt die Option, mithilfe unterschiedlicher Pulverdüsen innovative Bauteile aus zwei oder mehreren Materialien und sogar mit gradierten Materialien zu fertigen."

Zerspanung und additive Fertigungssysteme ermöglichen Kombination mehrerer Materialien

Unterschiedliche Materialien kombinieren zu können, sieht auch der Maschinenbauer Hermle als ein wichtiges Anwendungsgebiet für hybride Verfahren. Die Maschinenfabrik integriert exemplarisch Kupferelemente in Bauteile, häufig in Verbindung mit Kühlkanälen. Dazu hat ein Tochterunternehmen des Herstellers das MPA (Metall Pulver Auftrag)-Verfahren entwickelt, das in ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum integriert wurde. Dabei handelt es sich um ein spezielles thermisches Spritzverfahren, das besonders für den Aufbau großvolumiger Bauteilkomponenten optimiert wurde. Dies ermöglicht das Aufbauen massiver Körper mit einem hochwertigen Gefüge. Filigrane Strukturen hingegen lassen sich nur indirekt über anschließende Zerspanung erzeugen.

"Das MPA-Verfahren benötigt die Zerspanung zur Herstellung präziser Bauteilkonturen und sauberer Oberflächen", so Rudolf Derntl, Geschäftsführer der Hermle Maschinenbau GmbH, zuständig für additive Fertigung. "Umgekehrt lassen sich bei der konventionellen spanenden Fertigung nun Bauteile um additiv gefertigte Komponenten erweitern, die einen echten Mehrwert bieten können. Damit erweitert sich das Spektrum der Fertigungsmöglichkeiten auf Hermle Bearbeitungszentren."

Hermle, MPA-Anlage
Der Innenraum der Hermle-MPA-Anlage: Die Metallpulver-Auftragsdüse zur additiven Fertigung und die zerspanende Spindel arbeiten im gleichen Arbeitsraum. Basis ist ein Hermle-Bearbeitungszentrum C 42 U. - Bild: Hermle

Hermle bietet die additive Fertigung von Bauteilen mit dem MPA-Verfahren auf dem hybriden Bearbeitungszentrum als Dienstleistung an. "Besonders bei Werkzeug- und Formenbauern im Bereich der Spritzgussverfahren, aber auch für andere Werkzeuge aus dem Automobilbau, der Luft-und Raumfahrt, erzeugen die neuen Fertigungsmöglichkeiten eine große Nachfrage, die unsere Kapazitäten voll auslasten", antwortet Rudolf Derntl auf die Frage, in welchen Branchen die Technologie hauptsächlich genutzt wird.

Hybride Fertigungsverfahren sind ideal für spezielle Konturen

Yamazaki Mazak Deutschland empfiehlt vor allem den Einsatz von Hybridmaschinen, wenn es sich um die Bearbeitung spezieller Konturen handelt, die zum einen schwer zu zerspanen sind und bei denen zum anderen das Auftragen von Material wirtschaftlicher ist. Der Werkzeugmaschinenhersteller hat verschiedene hybride Multifunktionsmaschinen im Programm.

Dabei setzt Mazak gleich auf drei verschiedene additive Fertigungsverfahren: Multi-Laser Metal Deposition, Laserstrahl Metal Depostion und Wire Arc Additive Manufacturing. Auf diese Weise können Anwender die optimale Bearbeitungsstrategie für die bestehenden Anforderungen der Produktion auswählen. Nach Angaben des Unternehmens kommen die meisten Interessenten für die Hybridmaschinen aus dem Prototypenbau und aus der Instandhaltung von aufwendigen und kostenintensiven Komponenten.

Dass besonders im Bereich der Instandhaltung Hybridmaschinen relevant sind, zeigt eine Anwendung im Additive Manufacturing Experience Center von Siemens in Erlangen, bei der eine Lasertec 65 3D hybrid zur Reparatur einer Gussform eingesetzt wird. "Wir zeigen am Beispiel einer Gussformreparatur, wie digitale Zwillinge es ermöglichen, das Produkt zu verbessern und den Fertigungsvorgang zu validieren und zu simulieren", erläutert Nikolas Witter, Business Development and Marketing Manager Additive Manufacturing im Bereich Digital Factory. "Außerdem demonstrieren wir, wie die Maschine, gesteuert von der Sinumerik, komplexe Multiachs-Bewegungen ausführen kann sowohl für den Aufbauvorgang als auch für das finale Finishing durch Zerspanung. So zeigen wir, wie industrialisierte additive Fertigung funktioniert."

Für Nikolas Witter ist der größte Nutzeffekt der Hybridmaschine im Vergleich zu einer Kombination aus 3D-Drucker und Fräsmaschine vor allem der wesentlich geringere Rüstaufwand: "Ein Vorteil der Hybridmaschine ist die doppelte Nutzung einer einmaligen Aufspannung. Wir können, unterstützt durch die umfangreichen NX-Funktionen, sowohl Einmessen als auch aufbauen und abfräsen, ohne das Bauteil erneut einspannen zu müssen."

Hybridmaschinen bringen demnach also einige Vorteile mit sich, vor allem können sie Rüstzeiten und damit Prozesszeiten reduzieren, und sie ermöglichen die Fertigung von Bauteilen, die anders nur sehr schwer realisierbar wären.

Wann sollte man lieber zum 3D-Drucker greifen?

Doch nicht in jedem Szenario sind Hybridmaschinen sinnvoll. Die Kombination beider Technologien muss nicht innerhalb einer Maschine erfolgen, sondern kann eben auch in einzelnen Prozessschritten auf 3D-Druckern und Zerspanungsmaschinen ablaufen. "Bei großen Stückzahlen und einer geringen Varianz der einzelnen Produkte lohnt sich eher eine Verkettung von Einzelmaschinen", erläutert Kristian Arntz vom Fraunhofer IPT. Auf diese Weise können beide Technologien gleichzeitig produktiv genutzt werden. "Die Kombination beider Technologien kann auch in einzelnen Prozessschritten ablaufen, die idealerweise durch eine Optimierung der Prozessketten aufeinander abgestimmt werden. Vereinfacht lässt sich sagen: Bei großen Stückzahlen und einer geringen Varianz der einzelnen Produkte lohnt sich eher die Verkettung von Einzelmaschinen“.

Hybridmaschinen sind in diesem Fall laut Kristian Arntz wenig sinnvoll: „Weil in einer Hybridmaschine immer nur eine der beiden vorhandenen Technologien produktiv läuft, während die andere Technologie zu diesem Zeitpunkt steht.“ Der Ansatz, beide Technologien in einer Maschine zu kombinieren, müsse daher immer vor dem Hintergrund der generellen Produktionsstrategie des jeweiligen Unternehmens betrachtet werden.

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