gesponsertSynergie von Metall-3D-Druck und CNC Die Grenzen der Metallbearbeitung verschieben

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DN Solutions Europe GmbH

Was haben ein Kristallgitter und die moderne Metallbearbeitung gemeinsam? Beide verbinden auf geschickte Weise einzelne Elemente zu einem komplexen Ganzen – und beide stellen höchste Anforderungen an die Fertigungstechnik.

Ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter, mit Atomen in jeder Ecke und einem in der Mitte – für Fertigungsingenieure die Kür: Ein Modell dieser Strukturform aus einem Stück – also monolithisch – herzustellen, ist fast unmöglich. Doch die neu gedachte Kombination additiver und subtraktiver Fertigungsmethoden von DN Solutions erfüllt nun die Anforderungen zur Herstellung.

Komplexe Strukturen stellen jede konventionelle wie auch additive Fertigungsprozesskette auf die Probe – auch die von DN Solutions, dem weltweit drittgrößten Werkzeugmaschinenhersteller. Bisher ist der Anteil der Metallbauteile, die mittels 3D-Druck hergestellt werden, gering. Das Problem: Die Prozesskette scheint bisher nicht zu Ende gedacht. Obwohl der 3D-Druck als eine der innovativsten Produktionstechnologien gilt, stellt er nur den Anfang dar. Er muss als Teil einer umfassenden Fertigungskette betrachtet werden, um über seine Nischenanwendung hinaus Anerkennung zu finden. Denn die eigentliche Herausforderung beginnt nach dem Druck: Es müssen Stützstrukturen entfernt, Toleranzen eingehalten und Oberflächen bearbeitet werden.

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Diese Herausforderungen gelten sowohl für die Herstellung des kubisch raumzentrierten Kristallgitters als auch für alle komplexen 3D-gedruckten Metallbauteile. Erst durch eine ganzheitliche Betrachtung können Unternehmen das volle Potenzial des 3D-Drucks in der Industrie ausschöpfen.

CNC-Fertigung eines Kristallgitters ist technologisch anspruchsvoll

Es ist zwar möglich, die Gitterstruktur allein mittels CNC-Bearbeitung aus dem Vollen zu zerspanen – jedoch nur mit erheblichem Aufwand und häufigem Umspannen. Die einzelnen Fertigungsschritte könnten wie folgt aussehen:

• 1. Die neun Kugeln einzeln durch Drehen oder 5-Achs-Fräsen herstellen;

• 2. Verbindungsstege fertigen – mit hoher Präzision an den Enden für die spätere Montage;

• 3. Zusammenbau durch stoffschlüssige Verbindung aller Komponenten.

Die subtraktive Fertigung stellt jedoch eine technische Herausforderung dar: Komplexe Geometrien erschweren die Werkzeugzugänglichkeit und erhöhen das Risiko von Kollisionen bei 5-Achs-Bearbeitung. Häufiges Umspannen erfordert manuelle Eingriffe, während das hohe Zerspanungsvolumen zu Materialverlust führt. Herausfordernd sind zudem die für die Verbindung der Stege und Kugeln des Bauteils notwendigen Werkstücktoleranzen. Ein
solches Modell mittels CNC zu fertigen, ist mit hohem Aufwand, Zeit und Kosten verbunden, da allein bei der Entwicklung einer geeigneten Bearbeitungsstrategie Wochen für die Programmierung eingeplant werden müssen.

Additive Fertigung schafft neue Möglichkeiten

Die additive Fertigung mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eliminiert viele Nachteile, die sich durch die reine CNC-Fertigung ergeben. LPBF ist eine ausgereifte Technologie des Metall-3D-Drucks. Das Verfahren funktioniert nach einem einfachen Prinzip: Metallpulver wird schichtweise auf einer Bauplattform verteilt und von Lasern selektiv umgeschmolzen. Schicht für Schicht entsteht so mit hoher Präzision das komplette Bauteil. Die Technologie beherrscht alle schweißbaren Metalllegierungen. Dazu zählen unter anderem Aluminium, Titan, Inconel, Kobaltchrom, Werkzeugstahl sowie Edelstahl.

Die entscheidenden Vorteile von Additive Manufacturing (AM) sind:

• Komplexe Geometrien können direkt und monolithisch gedruckt werden;

• deutlich weniger Materialverschwendung;

• Produktion mehrerer Teile gleichzeitig möglich;

• geometrische Freiheit für innovative Designs und Leichtbau.

Die additive Fertigung ist eine unverzichtbare Technologie für Unternehmen, die wettbewerbsfähig produzieren möchten. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung komplexer Metallbauteile, die auf andere Weise nicht realisierbar wären. Für die notwendige mechanische Nachbearbeitung können etablierte Technologien wie die fünfachsige Simultanbearbeitung und Automationslösungen genutzt werden.

Additive und subtraktive Fertigung kombinieren

Wie alle Technologien hat auch AM Nachteile: Beim LPBF-Verfahren dienen Stützstrukturen der gezielten Wärmeableitung. Dadurch wird lokale Überhitzung vermieden und thermisch bedingte Spannungen sowie Verzüge im Bauteil werden minimiert. Insbesondere in Bereichen mit geringer Anbindung an die Bauplattform stabilisieren sie den Wärmefluss. Eine mechanische Nachbearbeitung ist, unabhängig von Stützstrukturen, zwingend erforderlich, da ohne sie keine ausreichende Oberflächengüte erreicht werden kann. Übertragen auf das Modell eines kubisch raumzentrierten Kristallgitters bedeutet das: Eine monolithische Fertigung ist möglich, das Bauteil kommt allerdings nicht ohne Nachbearbeitung aus. Das intelligente Zusammenspiel von CNC und additiver Fertigung ist entscheidend. Nur so können komplexe Bauteile in der gewünschten Qualität gefertigt werden.

Das Fertigungsbeispiel des würfelartigen Kristallgitters veranschaulicht die Synergie beider Technologien. Während die additive Fertigung ihre Stärken bei der Formgebung ausspielt, überzeugt die CNC-Technologie mit ihrer hohen Oberflächenqualität und Präzision. Durch eine gezielte Nachbearbeitung lassen sich Toleranzabweichungen aufgrund von Spannungen oder Vibrationen vermeiden. Die Programmierung für die Nachbearbeitung benötigt dabei signifikant weniger Zeit: weniger als eine Woche gegenüber mindestens drei Wochen bei einer reinen CNC-Fertigung.

Schritt für Schritt: das Zusammenspiel von 3D-Druck und CNC

Eine durchgängige Prozesskette ermöglicht die wirtschaftliche und industrietaugliche Fertigung komplexer Bauteile. DN Solutions kombiniert digitale Modellierung, Simulation, additive Fertigung und mechanische Nachbearbeitung in einem Ansatz.

1. Vorbereitung in CAD/CAM

Der Prozess beginnt mit der Erstellung eines präzisen 3D-Modells. Besonderes Augenmerk liegt auf der Optimierung der Stützstrukturen zur Vermeidung übermäßiger Materialverschwendung. Bereits in dieser Phase werden die späteren Nachbearbeitungsschritte mitgedacht.

2. Referenzierung von Freiformflächen

Die Referenzierung additiv gefertigter Bauteile mit Freiformflächen ist herausfordernd, da häufig definierte Bezugsebenen fehlen und sich komplexe Geometrien nur schwer fixieren und vermessen lassen. Die Steuerung TNC7 von Heidenhain begegnet diesen Anforderungen mit der Funktion „Model Aided Setup“: Die Werkstücklage wird so anhand eines CAD-Modells grafisch und intuitiv bestimmt. Dabei werden Position und Orientierung in sechs Freiheitsgraden erfasst – auch bei beliebiger
Drehachsenstellung. Dies ermöglicht eine präzise und zeitsparende Einrichtung für die CNC-Nachbearbeitung komplexer AM-Komponenten.

3. Additive Fertigung

Der Druck des monolithischen Bauteils mit optimierten Stützstrukturen erfolgt auf den Maschinen der neuen DLX-Serie, die mit einem Bauvolumen von bis zu 450 Millimeter ×450 Millimeter ×450 Millimeter arbeiten.

4. Mechanische Nachbearbeitung

Die Nutzung von grafisch unterstütztem 6D-Einrichten mit „Model Aided Setup" (Heidenhain) ermöglicht eine exakte Positionierung des Bauteils in jeder Orientierung – vom Palettenwechsel bis zur Bearbeitung auf dem CNC-Maschinentisch. Dieser Ansatz macht zusätzliche Referenzflächen obsolet, was zu Materialeinsparung, verkürzter Bearbeitungszeit und reduzierten Kosten führt.

Anschließend entfernt ein CNC-Programm die Stützstrukturen. Dieser Schritt wurde vorab im Digital Twin simuliert und optimiert. Das Resultat ist eine kollisionsfreie und optimierte Bearbeitung, da alle kritischen Bereiche bereits in der CAD/CAM-Vorbereitung und dem Digital Twin überprüft wurden.

DN Solutions verfügt über umfassende Erfahrung mit Fanuc-Steuerungen, die historisch gewachsen ist. In den letzten Jahren wurde der Fokus verstärkt auf den europäischen Markt gelegt – insbesondere durch die Erweiterung des Portfolios um Siemens Sinumerik One und Heidenhain TNC7, um den spezifischen Anforderungen europäischer Kunden besser gerecht zu werden. Die enge Zusammenarbeit mit den Steuerungsherstellern sowie den internen Experten bildet die Grundlage für die kontinuierliche Weiterentwicklung und Optimierung der Lösungen.

5. Qualitätssicherung

Nach dem Entfernen der Stützstrukturen wird das Oberflächenfinishing gemäß digitaler Simulation durchgeführt. Anschließend erfolgt eine genaue Vermessung zur Kontrolle der Toleranzen. Dieser durchgängige Ansatz gewährleistet eine reproduzierbare Qualität auf höchstem Niveau bei gleichzeitig geringen Kosten pro Bauteil.

Dank des breiten Produktportofolios kann DN Solutions Turnkey-Lösungen anbieten, damit Unternehmen deutlich schneller und mit weniger Risiko valide Bauteile herstellen können: Kunden umgehen monatelange Testphasen und erhalten eine erprobte, sofort einsatzbereite Gesamtlösung mit vordefinierten Materialparametern und bewährten Fertigungsstrategien. Das minimiert nicht nur das Investitionsrisiko, sondern verkürzt auch die Markteinführungszeit. Durch die Kombination aus Hardware, Software, Vor-Ort-Service und Support können Kunden schnell mit der Produktion beginnen, ohne selbst Experten in der additiven Fertigung werden zu müssen.

Metallbearbeitung live erleben – Dormagen und Gütersloh

Im Technical Center Dormagen erhalten Kunden praxisnahe Einblicke in die spanende Fertigung. Ab 2026 ergänzt das Additive Solution Center in Gütersloh das Angebot und wird zur zentralen Anlaufstelle für additive Fertigung in Europa. Dort können Besucher die DLX-Serie live erleben – inklusive Verknüpfung mit CNC-Technologie und allen Prozessschritten von der Bauteilgestaltung bis zur Qualitätsprüfung.

Das Beispiel eines kubisch raumzentrierten Kristallgitters zeigt, worauf es in der modernen Metallbearbeitung ankommt: Wie die Atome des Modells zu einer komplexen Struktur verschmelzen, so müssen auch 3D-Druck und CNC-Technologie intelligent kombiniert werden. Wenn additive Fertigung als integraler Bestandteil einer ganzheitlich geplanten Fertigungskette verstanden wird, eröffnen sich neue Dimensionen in der Fertigung komplexer Metallbauteile. Nur so wird die Kür möglich: ein monolithisches Modell eines Kristallgitters, das die geometrische Freiheit der additiven Fertigung mit der Oberflächengüte und Präzision durch CNC-Bearbeitung kombiniert. Damit ebnet man den Weg für neue Designs, komplexe Geometrien bei gleichzeitig optimierten Kosten – das senkt die Hürde für Unternehmen, die in die additive Fertigung einsteigen wollen.

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