Additive Fertigung – ein Trumpf für die Zerspanung

Das Know-how aus der subtraktiven Fertigung als idealer Einstieg in die additive Fertigung!

Sie fertigen mit Werkzeugmaschinen? Zerspanung von Metall auf CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen ist also ihre Kernkompetenz! Mit diesem Know-how haben Sie gleichzeitig die ideale Voraussetzung für Additive Manufacturing. Mit additiver Fertigungstechnologie können Sie sich bestens auf neue Herausforderungen im Umfeld Ihres bisherigen Bauteilspektrums einstellen.

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Additive Manufacturing - Perspektiven für die Zerspanung

Wo liegen nun grundsätzlichen Perspektiven der additiven Fertigung im Umfeld der Werkzeugmaschine?

 

Der Trend zu immer individuelleren Produkten lässt die Losgrößen schrumpfen. Durch Additive Manufacturing können viele Bauteile schneller und effizienter hergestellt werden. Beispielsweise können individuelle Halbzeuge direkt in der Maschine aufgebaut werden.

 

Der immer wichtiger werdende Faktor Nachhaltigkeit wird unterstützt. Viele Bauteile können mit weniger Materialverbrauch und damit verbunden mit weniger Energieaufwand hergestellt werden.

 

Auch ermöglichen additive Verfahren Bauteile, die mit rein subtraktiver Fertigung nicht hergestellt werden können. Dabei lassen sich verschiedene Materialien in einem Bauteil kombinieren.

Anwendungsgebiete

Betrachten wir nun die grundsätzlichen Anwendungsgebiete von Additive Manufacturing im Kontext der Metallzerspanung. Da fallen sehr schnell neudeutsche Begriffe wie „Rapid Tooling“. Dabei werden Strukturen additiv erzeugt, beispielsweise Pressformen aus Kunststoff, die vorher die zeitintensive Herstellung von Gussrohteilen erforderte.

 

Oder auch „Rapid Repair“. Dahinter verbirgt sich die Reparatur von Metallwerkstücken durch gezielten Materialaufbau nur an den beschädigten Stellen.

 

 

In beiden Fällen gilt: Was additiv an Material aufgetragen wird, wird in der Regel „klassisch“ subtraktiv nachbearbeitet. Hierbei schließt sich der Know-how-Kreis rund um CNC und Werkzeugmaschine – unabhängig davon, ob die Prozessschritte "additiv" und "subtraktiv" auf zwei Maschinen verteilt werden oder ob in eine Hybridmaschine investiert wird, die beide Verfahren vereint.

 

Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Material-Mixe, Beschichtungen und lokale Legierungen: Per Additive Manufacturing lassen sich Bauteiloberflächen beschichten oder Materialstrukturen – sprich Legierungen – erzeugen, die zerspanend kaum oder gar nicht bearbeitet werden können.

 

Additive Fertigung ist also der ideale Nährboden für zusätzliche Geschäftsgelegenheiten rund um die klassische subtraktive Zerspanung.

Geeignete AM-Fertigungsverfahren

Welche additiven Fertigungsverfahren sind für das Umfeld der Zerspanung prädestiniert?

 

Dabei ist zuerst die Directed Energy Deposition kurz DED zu nennen. Der Begriff „Laserauftragsschweißen“ ist wohl die einfachste und schnellste Annäherung an die Erklärung von DED. Schlussendlich wird Metall entweder als Pulver oder als Draht unter Einbringung von Energie, meist durch einen Laser, bahnweise aufgetragen. Somit lassen sich Metallstrukturen komplett neu aufbauen oder auf bereits bestehende Bauteile auftragen.

 

Ein weiteres Verfahren, hauptsächlich beim „Rapid Tooling“ verwendet, ist das Screw Extrusion Additive Manufacturing kurz SEAM. Es handelt sich um ein Verfahren aus der Gruppe Materialextrusion, wobei beliebige Bauteilstrukturen aus Kunststoffgranulat mittels Extruder bahnweise aufgebaut werden. Anschließend müssen Funktionsflächen meist bearbeitet werden, z. B. durch klassisches Fräsen. 

Nachbearbeitung oft nötig

Ob Directed Energy Deposition (DED) oder Screw Extrusion AM (SEAM): In beiden Fällen wird Material bahnweise aufgetragen. Hier schließt sich wiederum der Kreis zur CNC-Steuerung – CNCs sind genau dafür gebaut, ein Werkzeug oder eine AM-Einheit möglichst schnell, mit absolut konstanter Bahngeschwindigkeit und absolut genau in der Maschine zu bewegen. Ohne diese intelligente Bewegungsführung wären die Verfahren DED und SEAM schlicht nicht anwendbar.

Ein weiterer „Hometurf“ der CNCs sind dabei die kinematischen Transformationen. Es gilt nämlich, die AM-Einheit stets orthogonal,  also senkrecht zur Werkstückoberfläche zu orientieren, selbst wenn diese durch eine mehrachsige Roboterkinematik und zusätzliche Rund-Schwenktische bewegt werden.

 

Genau dann, wenn die dynamisch, hochpräzise Bahnführung auf komplexe Maschinenkinematiken trifft, sind Sinumerik CNCs mit ihrer umfassenden Auswahl an CNC-Systemfeatures die erste Wahl – häufig sogar die einzige in Frage kommende CNC.

On-Board-Programmierung für prismatische Anwendungen - CAD/CAM-Anbindung für komplexe Bauteile 

Aber wer sagt der CNC, wie sie sich für die additiven Fertigungsverfahren bewegen soll? Grundsätzlich besteht dabei kein Unterschied zur CNC-Programmierung in der subtraktiven Zerspanung.

 

Handelt es sich um rein prismatische Bauteilstrukturen, beispielsweise bei der Reparatur von Bremsscheiben durch Directed Energy Deposition, können die CNC-Programme mit den Bordmitteln der CNC-Bedienoberfläche „von Hand“ geschrieben werden. Werden kompliziertere Bauteilformen, beispielsweise beim Rapid Prototyping von Presswerkzeugen gewünscht, geht kein Weg an einem CAM-System vorbei.

 

Viele Zerspanungsbetriebe haben bereits CNC-Arbeitsvorbereitungen, die mit CAD/CAM-Systemen arbeiten. Die Nutzung von CAM-Systemen ist also kein Neuland. Es stellt sich nur die Frage, welches CAM-System auch Additive Manufacturing unterstützt. Dabei gerät sehr schnell das System NX in den Blick.

 

NX-CAM beinhaltet zusätzlich zu vielen subtraktiven Verfahren auch die für Additive Manufacturing notwendigen Verfahren wie beispielsweise „Multi Axis Deposition“. Auch bietet NX die prozesssichere Maschinensimulation mit einer virtuellen Sinumerik CNC. Damit schließt sich wiederum der Kreis zur realen Sinumerik in der Maschine.

Zukunftsträchtiger Fertigungsansatz

Die Kombination von Werkzeugmaschinen und Additive Manufacturing lässt sich noch weitertreiben. 3D-Druckverfahren im Pulverbett, also AM-Verfahren, die also nicht zwingend eine CNC-Steuerung erfordern, lassen sich ebenso mit einer klassischen Nachbearbeitung mit der traditionellen subtraktiven Bearbeitung in CNC-Werkzeugmaschinen kombinieren. Den Möglichkeiten sind also kaum Grenzen gesetzt.

 

Weitere Informationen und viele konkrete Beispiele aus der Praxis von Additive Manufacturing im Umfeld der Zerspanung mit CNC-Werkzeugmaschinen finden Sie unter:

Aus dem CNC4you-E-Magazin 2022-2

Autor: Andreas Grözinger 

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