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24. März 2020 11:00:00 MEZ | Management im Maschinen- und Werkzeugbau

Hybridverfahren: Neue Wege zur additiven Fertigung durch Hybridmaschinen

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Hybridmaschinen kombinieren spanende Fertigung mit Methoden des 3D-Drucks. Damit verbinden sie die Vorteile beider Verfahren: Hohe Produktivität und günstige Kosten mit Materialeinsparung und großer Gestaltungsfreiheit. Wir zeigen an vier Beispielen, was diese Maschinen können.

Additive Verfahren stehen im Wesentlichen heute dort, wo sie auch vor über zwei Jahren standen: in einer Nische. Diese wird jedoch zunehmend größer, je mehr unterschiedliche und verbesserte Prozesse zur Wahl stehen. Ein Trend, der dazu beiträgt, ist additive und spanende Fertigung als Hybridverfahren zu kombinieren – und zwar auf der gleichen Maschine.

Hybridverfahren: Hybridmaschinen kombinieren die Vorteile verschiedener Prozesse

Die Idee klingt bestechend: Die Dreh- und Fräsfunktionen gewährleisten schnelle Fertigung und die Nutzung von Standardwerkstoffen. Das sorgt für hohe Wirtschaftlichkeit. Additive Verfahren kommen gezielt dort zum Einsatz, wo der schichtweise Aufbau den entscheidenden Vorteil bietet. Vielfach ermöglichen solche Hybridmaschinen die Herstellung von Produkten, die anders kaum realisierbar wären – zumindest nicht in einem Stück und auf der gleichen Maschine. Zudem lassen sich durch die Kombination aus additiver und spanabtragender Herstellung Werkstücke in Fertigteilqualität herstellen. Denn das bei vielen 3D-Druckverfahren erforderliche Finish führt die Maschine selbst aus.

Je nach Verfahrenskombination bieten die Maschinen unterschiedliche Vorteile. Das zeigen die Hybridmaschinen dieser vier Hersteller:

  • Yamazaki Mazak
  • DMG Mori
  • Hamuel Reichenbacher
  • Hermle

Mazak bietet Auftragsschweißen in zwei Varianten

Beim japanischen Konzern Yamazaki Mazak sind zwei Modelle der rund 200 angebotenen Werkzeugmaschinen hybrid ausgelegt: die Integrex i-300 S AM und die Variaxis j-600/5X AM. Beide Maschinen beherrschen neben der spanenden Fertigung das Auftragsschweißen, jedoch in unterschiedlichen Varianten. Die Integrex trägt Metallpulver auf, das sie per Laserstrahl aufschmilzt (Laserauftragsschweißen). Bei der Variaxis erfolgt die Materialzuführung per Draht und das Aufschmelzen durch Lichtbogenschweißen. Dieses Verfahren läuft schneller ab als das Laserauftragsschweißen mit Pulver.

Die auf beiden Maschinen ausgeführten Prozesse bieten sich an zur Herstellung von Strukturen aus teuren und schwer zerspanbaren Werkstoffen, wie zum Beispiel Titan. Diese werden mit additiven Fertigungsverfahren endkonturnah produziert und erfordern danach nur noch wenig Materialabtrag. Solche Strukturen können die Anwender auf kostengünstigere Metalle aufbauen – etwa Inconel auf Edelstahl. Typische Anwendungen sind zum Beispiel Reifenformen, Förderschnecken, Wellen, Walzen und Messer. Hierbei werden besonders belastete Partien aus dem höherwertigen Material aufgebaut. Das fördert eine längere Lebensdauer. Auch zur Reparatur von Turbinenschaufeln und anderen kostspieligen Bauteilen eignen sich die Maschinen. Bei solchen Produkten zeigt sich eindeutig der Nutzen von hybriden Maschinen.

DMG Mori ermöglicht schnellsten Wechsel der Prozesse

Das deutsch-japanische Unternehmen DMG Mori führt in seiner Baureihe Lasertec 3D derzeit vier Modelle. Davon arbeitet eines rein additiv (Lasertec 65 3D) und drei hybrid (Lasertec 65/125/4300 3D hybrid). Alle drei Maschinen beherrschen neben dem 5-achsigen Fräsen das sogenannte Pulverdüseverfahren. Bei dem trägt der Druckkopf der Maschine das Pulvergemisch fortlaufend auf, wobei gleichzeitig sofort die Verschweißung unter Schutzgas erfolgt. Hierfür sind Pulverdüse, Schutzgasdüse und Laserkopf dicht nebeneinander angeordnet. Auch dieses additive Verfahren erreicht laut Hersteller eine hohe Auftragsgeschwindigkeit. Sehr nützlich ist die Option, den Auftragskopf jederzeit einwechseln zu können. Somit wird der beliebige Wechsel der Prozesse ermöglicht.

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Hamuel überzeugt mit neuer Dimension der Vielseitigkeit

Das Maschinenprogramm des Maschinenbauers Hamuel Reichenbacher ist überschaubar. Dafür ist ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum HSTM  ganz groß in Sachen Vielseitigkeit. Es bietet gleich sechs Verfahren:

  • Fräsen
  • 3D-Scannen
  • Laserauftragsschweißen
  • 3D-Inspektion
  • Entgraten und Polieren
  • Laserkennzeichnung

Damit hebt die Maschine den Begriff „Hybridverfahren“ auf ein neues Level. Die  Möglichkeit, spanende Fertigung und 3D-Druck mit mehreren weiteren Verfahren auf einer Maschine und in einer Aufspannung zu kombinieren, ist bisher einzigartig.

Ungewöhnliche Stahl-Kupfer-Kombinationen bei Hermle

Auf eine andere Art einzigartig ist die von Hermle entwickelte MPA-Technik (Metall-Pulver-Auftrag). Im Unterschied zu den meisten additiven Verfahren wird dabei nicht direkt das konturnahe Teil aufgebaut. Sondern bei MPA produziert Hermle einen Rohling, der das gewünschte Teil schon in sich birgt. Durch Zerspanung wird das fertige Teil nur noch freigelegt. Am Demovideo ist dieses innovative Verfahren gut zu sehen. Der Abtrag wird hier durch CAM-Software gesteuert. 

Die wichtigste Eigenschaft der Rohlinge ist, dass sich verschiedene Stähle mit Kupfer in einem Werkstück kombinieren lassen. Das ermöglicht die freie Anordnung von Heiz- und Kühlkanälen – ein Traum für Werkzeug- und Formenbauer. Folglich ist diese Branche der Anwendungsschwerpunkt von MPA. Zu kaufen gibt es Maschinen für dieses Verfahren allerdings nicht: Hermle bietet die Produktion zumindest bisher nur als Dienstleistung an.

Hybridmaschinen lassen die Nische wachsen

Die aufgeführten Beispiele sprechen dafür, dass die Nische der additiven Fertigungsverfahren durch Hybridmaschinen größer und bunter wird. Immer mehr Betriebe können daraus ihren Nutzen ziehen. Dazu zählen je nach Prozess und Maschine:

  • Kombination von mehreren Metallen in einem Werkstück
  • Einsparung von teuren Werkstoffen
  • Schneller Wechsel zwischen spanender und additiver Fertigung
  • Fertigteile ohne Nachbearbeitung

Wenn Sie solche Maschinen verwenden wollen, sollten Sie auf die Software und die Dateiformate achten. Denn das immer noch oft genutzte STL kann zum Beispiel unterschiedliche Materialien nicht speichern. Lesen Sie hierzu mehr über das neue Format 3MF für den 3D-Druck. 

 

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