Additive und subtraktive 3D-Bearbeitung schafft neue Produktionsmöglichkeiten in Metall und Kunststoff

Die Herausforderungen der additiven Fertigung und nachfolgend fast immer notwendigen Nachbearbeitung sind enorm. Einerseits werden zur Erreichung einer hohen Produktivität und kürzeren Druckzeit immer höhere Auftragsraten gefordert andererseits sollen die Materialhomogenitäten und Oberflächenqualitäten den bisherigen Fertigungsverfahren entsprechen oder diese sogar übertreffen. Des Weiteren müssen sich die Anwender zwischen einer Vielzahl von Anbietern immer entscheiden, ob die Fertigungsauslegung des Maschinenparks für Kunststoff- oder Metallbearbeitung basiert, da dies unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Steifigkeit und Genauigkeit und daraus resultierend auch Anschaffungskosten bedingt. Der vielleicht wesentlichste Aspekt allerdings ist der extrem hohe Zeitverlust durch die Ausricht- und Einmessvorgänge zwischen den jeweiligen Arbeitsprozessen, um die aufwendig generativ hergestellten Bauteile dann auch ohne Qualitätsverlust weiterverarbeiten zu können ohne dass die Logistik mehr Zeit in Anspruch nimmt als die eigentliche Druck- bzw. Nachbearbeitungszeit.

Diesen komplexen Herausforderungen entspricht die Lösung von METROM auf Basis der Parallelkinematik mit ihren Vorteilen. Deren Anwendung erfolgt beispielsweise  in Bereichen, welche gekennzeichnet durch das Fräsen von Sandkernen, der Bearbeitung von Siliziumcarbid als auch CFK mit kritischem Prozessstaubaufkommen hohe Anforderungen an den Schutz aller Maschinenteile stellen. Einen solchen Aufbau zeigen Abb. 1, und Abb. 2, wobei sich durch die zentrale Positionierung der Hauptspindel im Raum sehr große Werkstückabmessungen bearbeiten lassen.

Abb. 1: Maschinentyp Metrom P2030 und Abb.2: Blick in den Arbeitsraum (von links nach rechts)

Durch eine eigensteife Struktur können auch problemlos schwer zerspanbare Materialien aus Baustahl, Duplexstahl oder Inconel bearbeitet werden.

Abb. 3: Aluminiumform für Fahrzeuginnenraum, Stahlknoten für Dachkonstruktion, Stahlform zum Pressformen (von links nach rechts)

Additiv und subtraktiv als mobile 5-Achs-Hybridlösung

Zunehmend werden jedoch zusätzlich integrierbare und per Schnellwechselsystem aufrufbare Bearbeitungstechnologien gewünscht, um Kosten für separate Bearbeitungsstationen zu sparen.

Ein Beispiel hierfür im Bereich Metallbearbeitung ist die Kombination von Lichtbogen-Drahtauftragsschweißen, als 3DMP-Modul von GEFERTEC, welches in Kombination mit dem Fräsen und Bohren für die Reparatur von Werkzeugformen angewendet wird. Diese Presswerkzeugformen nutzen sich nach einer entsprechenden Einsatzzeit ab und ein automatisierter Prozess, der diese so schnell wie möglich wieder aufbereiten kann, spart dem OEM sowohl manuelle Arbeitsschritte als auch Durchlaufzeit bis zur Weiternutzung.

METROM bietet hierfür eine mobile 5-Achs-Hybridwerkzeugmaschine, die in der Lage ist, das Werkstück zu messen, die Kontur zu schweißen sowie die Fräsbearbeitung in einer Aufspannung durchzuführen (siehe Abb. 4). Nachdem der Fräsprozess abgeschlossen ist, wird bei kompatiblen Presswerkzeugen im Nachgang ein Werkzeug zum Einglätten der Oberflächenrauheit, das sogenannte Oberflächenhämmern, verwendet. Alle genannten Werkzeuge und Technologien sind durch einen direkten Werkzeugwechsel im Arbeitsraum verfügbar. Dadurch ist außer der Programmierung der Bearbeitungsaufgabe kein Bedienereinfluss erforderlich. Es gibt zahlreiche Versuche von OEM´s, Forschungseinrichtungen und Zulieferern mit spezialisierten Industrierrobotern diesen Ansatz ebenfalls umzusetzen, allerdings ist dies mangels Steifigkeit und Genauigkeit der singulären Kinematik des Roboters nicht erfolgreich.  

Abb. 4: Messen der Reparaturposition, Schweißen zusätzlicher Schichten, Fräsen

Additive Herstellung von Kunststoffkomponenten in einem Hochgeschwindigkeitsprozess unter Verwendung von Standardgranulat

Neben der additiven Herstellung von metallischen Strukturen ist auch die Entwicklung in der kunststoffverarbeitenden Materialbearbeitung weiterhin rasant. Am Fraunhofer IWU wurde um das Team von Dr. Martin Kausch in Zusammenarbeit mit dem Automobilhersteller BMW ein 3D-Drucksystem entwickelt, das in Verbindung mit der Prozessgeschwindigkeit einer Werkzeugmaschine eine Steigerung um den Faktor 8 erzielt. Das neu entwickelte SEAM-Verfahren (Screw Extrusion Additive Manufacturing) arbeitet nach dem Stand der Technik in der Kunststoffverarbeitung. Eine Extrusionsschnecke erzeugt Ausstoßraten, beispielsweise für eine 1 mm Düse bis 5 kg/h. Im Vergleich dazu benötigt ein Filamentverarbeitungs- FLM-Verfahren etwa 20 Stunden für 1 kg gedruckte Komponentenmasse. Das Kunststoffgranulat passiert eine modifizierte Einzelschnecke, wird plastifiziert und mit einem Düsenwerkzeug auf eine Bauplattform abgelegt.

Die Bewegung der Bauplattform wurde in einem ersten Schritt über eine Pentapod 5-Achsen-Parallelkinematik von Metrom (Abb. 5 ) realisiert, wo Prozessgeschwindigkeiten von bis zu 800 mm/s und Beschleunigungen bis 10m/s² erreicht werden können. Das Pentapod - Bewegungssystem wurde vor allem aufgrund der hohen Dynamik, geringen bewegten Massen und damit hohen Positionier- und Bahngenauigkeit ausgewählt und ist ideal für die Bewegungssteuerung der Bauplattform.

Abb. 5: Installierter erster Aufbau an der Pentapod 5-Achsen-Parallelkinematik mit vor der Maschine platzierter Extrusionseinheit

Das SEAM-Verfahren verarbeitet Standardgranulat anstelle eines teuren FLM-Filaments zu belastbaren Kunststoffkomponenten. Dies führt im Vergleich zum bekannten FLM/FDM-Verfahren zu einer 200-fachen Materialkostenersparnis. Anfängliche Versuche wurden hauptsächlich mit einem kohlenstofffaserverstärkten Polyamid (PA 6 CF) durchgeführt, das im Vergleich zu Proben, die durch Spritzgießen hergestellt wurden, etwa 80% des Eigenschaftsniveaus erreicht. Gute Ergebnisse wurden auch mit anderen Standardkunststoffen erzielt, wie z. B.  verstärktem Polypropylen oder thermoplastischen Elastomeren (TPE), die beispielsweise zur Herstellung elastischer Bauteile und Strukturkomponenten genutzt werden können (siehe Abb. 6). Elastomere ermöglichen dem Anwender beispielsweise das direkte Drucken von Dichtungen oder Dämpfungsstrukturen.

Abb. 6: Bedrucktes thermoplastisches Elastomer TPE- Härte 71 ShoreA | Zugfestigkeit 10,5 MPA

Klassische Werkstücke, die im Kunststoffspritzgießen hergestellt werden, sind im Allgemeinen vordefiniert, um durch das Verfahren und durch das Design als dünnwandige Strukturen ausgeführt zu werden. Das SEAM-Verfahren erlaubt es, je nach Tischgeschwindigkeit und Extrusionsleistung des Extruders unterschiedliche Wandstärken auf einer Bahn zu erzeugen. Die Regelung der Ausgabekapazität in Abhängigkeit von der Prozessgeschwindigkeit ist für das kontrollierte Drucken in Kurven und Ecken sowie für Positionssprünge ohne Materialaustrag erforderlich. Aufgrund des sehr schleppenden Plastifizierungsverhaltens eines Extruders ist eine Volumenänderung über die Extrudergeschwindigkeit nicht möglich. Daher wurde vom Fraunhofer IWU eine zusätzliche Upstream-Einheit entwickelt, die einen prozessabhängigen Materialausstoß von 0-100% ermöglicht.

Das SEAM-Verfahren eignet sich insbesondere auch für die Herstellung großer Strukturen. Überhangwinkel von bis zu 65 ° sind hierbei ohne Verwendung von Stützstrukturen möglich. Erste Produkte sind großformatige Vakuumspannvorrichtungen (Abb. 7) als auch großflächige Faserverbundbauteile, wie in Abb. 8 gezeigt. Darüber hinaus können großformatige Formen für die CFK-Herstellung mittels Autoklav-Technologie zuerst gedruckt und anschließend direkt im gleichen Setup fertig bearbeitet werden.

Abb. 7: Vakuumspannvorrichtung und Abb. 8: Gedrucktes strukturelles Leichtbauteil (von links nach rechts)

Die SEAM-Extrusionseinheit ist für den Einsatz in einer METROM-Maschine modifiziert worden, um die Bewegungsfreiheit vom klassischen 2,5D Drucken auf einen realen 3D-Druck zu erweitern. Der 5-Achs-Druck und die maschinelle Bearbeitung können bereits von der mobilen METROM-Maschine durchgeführt werden, wie in Abb. 9 dargestellt. Zusätzlich interpolierende Linear- oder Rotationsachsen beschleunigen den Vorschub und die Aufbaurate der Werkstücke nochmals.

Abb. 9: 5-Achs-Druck von Strukturen in einer METROM-Maschine

Weitere Mischmaterialien und infiltrierte Kunststoffbasiswerkstoffe werden in naher Zukunft untersucht, um auch hier neue Denkansätze zu ergründen.

Alle parallelkinematischen Systeme, vom Tripod bis zum Hexapod, erleben aufgrund Ihrer inhärenten Eigenschaften durch den 3D-Druck eine Renaissance, wobei die 5-Streben Kinematik hierbei die perfekte Symbiose aus additiver und subtraktiver Fertigungsmöglichkeit für die kommenden Herausforderungen bietet.

Autor

Dipl. Ing. IWE Marcus Witt, CTO metrom Mechatronische Maschinen GmbH

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