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CAM-Software Mehrachsig additiv fertigen

Autor / Redakteur: Sukhyun Seo und Lothar Glasmacher / Stefanie Michel

Mit Direct Metal Tooling lassen sich unter anderem Werkzeuge reparieren. Spezielle 5-Achs-AM-Maschinen nutzen eine eigene 5-Achs-CAM-Software, die den optimalen Werkzeugweg für die Maschine berechnet. Damit lassen sich nun noch komplexere Bauteile aufbauen.

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Bild 1: Das Direct Metal Tooling (DMT) eignet sich sowohl zur Reparatur von Bauteilen als auch zum kompletten Aufbau 
geometrisch komplexer Strukturen.
Bild 1: Das Direct Metal Tooling (DMT) eignet sich sowohl zur Reparatur von Bauteilen als auch zum kompletten Aufbau 
geometrisch komplexer Strukturen.
(Bild: Insstek)
  • Der Softwarehersteller Moduleworks hat für eine 5-Achs-Maschine von Insstek einen Berechnungskern zum Direct Metal Tooling entwickelt.
  • Mit diesem Additiven Verfahren ist neben der Reparatur auch der komplette Aufbau von Bauteilen möglich, wie es das Beispiel eines additiv gefertigten Leitschaufelrings zeigt.
  • Anhand dieses Beispiels wird die Prozesskette der additiven Fertigung von der 3D-Modellanalyse bis hin zur Nachbearbeitung beschrieben.

Nachdem Insstek, ein Hersteller metallbasierter additiver Fertigungssysteme, seine 5-Achs-Maschinen für das Direct Metal Tooling (DMT) erfolgreich auf den südkoreanischen, deutschen und russischen Märkten platziert hat, wurde nun die Entwicklung eines eigenen, „simultanen 5-Achs-CAM“ für die Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) realisiert. Diese CAM-Lösung greift zur Werkzeugwegplanung auf einen Berechnungskern der Moduleworks GmbH aus Aachen zurück und nutzt die mehrachsigen Verfahrmöglichkeiten der additiv arbeitenden Insstek-Maschine.

Die Moduleworks GmbH, ein Softwarehersteller im CAD/CAM-Bereich, entwickelt seit 2006 Softwaremodule für die laserbasierte additive Fertigung. Inssteks DMT-Maschinen nutzen entsprechende Softwaremodule bei der Reparatur von Turbinenschaufeln im Aerospace-Bereich oder von Blechumformwerkzeugen im Werkzeug- und Formenbau. Mit der DMT-Technik ist auch der komplette additive Aufbau von Bauteilen möglich, was im Weiteren beispielhaft anhand der Herstellung eines Leitschaufelrings einer Gasturbine gezeigt wird.

Bildergalerie

Innerhalb der AM-CAM-Prozesskette gibt es folgende relevante Arbeitsschritte:

Schritt 1: Geometrische 3D-Modellanalyse

Bild 2: Leitschaufelring in der Schnittansicht zur Darstellung von Überhangbereichen.
Bild 2: Leitschaufelring in der Schnittansicht zur Darstellung von Überhangbereichen.
(Bild: Insstek)

Der in Bild 2 gezeigte Leitschaufelring einer Gasturbine (Durchmesser 400 mm, Höhe 160 mm, Material TiAl6V4) besteht aus unterschiedlichen geometrischen Elementen. Diese sind einem hohen Druck ausgesetzt. Eine Querschnittsanalyse des Leitschaufelrings lässt mehrere Überhangbereiche erkennen. In einem ersten Aufbauschritt werden die rot gefärbten Bereiche in Bild 2 (innerer und äußerer Ring) mit der eingestellten Schichtdicke aufgebaut. Auch die Leitschaufeln zwischen innerem und äußerem Ring werden in diesem Schritt mit aufgebaut. Zuletzt erfolgt der Aufbau der äußeren Überhangbereiche (blauer Bereich). Diese Aufteilung der Bearbeitungsschritte sorgt für eine verbesserte Qualität der Gesamtzusammensetzung, da der äußere Ring so die Basis für die ringförmigen Überhangstrukturen (blauer Bereich) bildet.

Die additive Herstellung dieses Leitschaufelrings bringt Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren:

  • Die inneren Schaufeln haben eine Dicke von etwa 3 mm. Diese Struktur ist schwer durch traditionelle Methoden wie Gießen oder CNC-Fräsen zu fertigen. Außerdem ist ein CNC-Fräsen mit einem erheblichen Materialmehraufwand verbunden.
  • Beim DMT ist es möglich, den gesamten Leitschaufelring in einem einzigen, durchgängigen Fertigungsschritt herzustellen. Andernfalls würde der Leitschaufelring aus separat gefertigten Einzelteilen (Ring, Schaufeln) in einem anschließenden Schweißprozess zusammengesetzt werden müssen.

Schritt 2: Generieren des Werkzeugwegs

Zur Modellierung der Geometrien wird die 3D-CAD-Software Rhino genutzt (Bild 3). Die simultane 5-Achs-AM-CAM-Software von Insstek wird als Add-on-Funktion für Rhino ausgeliefert und ist in Form eines Operationsmanagers in Bild 3 (links) zu sehen. Nach dem Importieren der 3D-Modelldatei in Rhino ist es möglich, beliebige Bearbeitungsschritte über den Operationsmanager für das Bauteil festzulegen.

Bild 3: Insstek-CAM als McNeel-Rhinoceros-6-Plug-in.
Bild 3: Insstek-CAM als McNeel-Rhinoceros-6-Plug-in.
(Bild: Insstek)

Grundlage für die Bearbeitungsoperation bildet der Moduleworks-Berechnungskern, welcher CAD- oder Mesh-Datenmodelle verwenden kann. Aufbauend auf einer frei geformten Basisbearbeitungsfläche, kann das generativ zu erstellende Bauteil durch 3D-Slicing entsprechend der gewünschten Schichtdicke aufgeteilt werden. Innerhalb der Schichten erfolgt die Generierung von Werkzeugwegen mit frei definierbaren Bahnmustern. Die Bahnmuster werden durch Leitkurven, durch Führungsflächenverschneidung oder mithilfe automatisch berechneter Mittelachsen erstellt. Die Ausbreitung der Schweißbadschichten kann über verschiedene Sortierungsparameter gesteuert werden. Innerhalb der Schweißbahnen können durch zusätzliche Kenngrößen nicht nur Bahngenauigkeit und Punkteverteilung, sondern auch die Orientierungsführung des Schweißkopfes optimiert werden [CIRP Vol. 68/1, 2019, S. 447-450]. Die Verknüpfung der einzelnen Schweißbahnen sowie der Schichten erfolgt automatisch kollisionsfrei.

Schritt 3: 5-achsige AM-Simulation

Falls während des Druckvorgangs Kollisionen oder andere Fehler auftreten, muss der Bearbeitungsprozess angepasst werden – zum Beispiel durch die Neueinstellung von Maschinenmodulen. Wird die integrierte Maschinensimulation vor dem Bearbeitungsprozess verwendet, können unerwartete Probleme verhindert werden. Kollisionen zwischen Bauteil und Druckkopf sowie auch Druckfehler lassen sich in dieser Phase vorhersehen und verhindern.

Zur Simulation des Materialauftrags kann ein Auftragsprofil der Schweißnaht in Abhängigkeit vom jeweiligen Werkzeug (Pulverdüse, Laser) erstellt werden. Die aufeinanderfolgenden Auftragpunkte ergeben in der Auftragsimulation ein In-Prozess-Modell des Materialauftrags. Dieses kann für Folgebearbeitungsschritte verwendet werden. Weiterhin ermöglicht die Simulation die Kollisionsprüfung von Maschinenkomponenten sowie Spannmitteln mit dem In-Prozess-Zustand des Werkstücks.

Schritt 4: NC-Code-Generierung

Mithilfe des Post-Processor-Frameworks (PPF) von Moduleworks, welches ebenfalls in das Insstek-CAM-System integriert ist, können sämtlich Schalt- und Laserbefehle individuell angepasst an die Maschine gesendet werden. Dabei greift die Logik des PPF auf Informationen des Werkzeugwegs zurück, welche beispielsweise die Ein-/Ausschaltzeitpunkte des Lasers betreffen. Ebenso kann auf die einzelnen Schweißkonturen und Schichten sowie deren Eigenschaften direkt zugegriffen werden. Durch die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit des Systems können große Werkzeugwege mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50.000 Bahnpunkten pro Sekunde verarbeitet und an die Steuerung gestreamt werden.

Schritt 5: Post-Prozess

Nach der Generierung des NC-Codes beginnt der eigentliche Fertigungsprozess auf der Insstek-Maschine. Ist der Prozess erfolgreich beendet, wird das gefertigte Bauteil von der Metallsubstratplatte getrennt und durchläuft notwendige Nachbehandlungsprozesse. Ein thermischer Behandlungsprozess ist erforderlich, um Eigenspannungen im Bauteil zu reduzieren. Restspannungen in den Titanlegierungen, die eines der Haupthindernisse für diese Art der Anwendung sind, konnten durch Verbesserung der Form der Werkzeugwegmuster reduziert werden.

Mit 5-Achs-CAM bestehende Lücken bei Pulverbett-Verfahren verringern

Am Beispiel eines Leitschaufelrings wurde die Anwendung des 5-Achs-DMT-Verfahrens sowie des Insstek-AM-CAM-Systems dargestellt, welches durch Integration der Moduleworks-Berechnungstechnologie entwickelt werden konnte. Zum 5-achsigen DMT-Verfahren durch CAM-Programmierung gibt es weltweit nur wenige bekannte Anwendungsfälle. Durch die Weiterentwicklung der DMT-Technologie sind jedoch vielfältige neue Anwendungen zu erwarten. Dabei liegt es in der Hand der führenden AM-Industrie, das potenzielle Wachstum zu ermöglichen und die Entwicklung dieser Technologie voranzutreiben.

Das Spektrum der Anwendungen von Metall-AM-Verfahren ist umfangreich. Druckteilgröße und heterogene Materialzusammensetzung sind einige der Vorteile von DMT. Durch die Anwendung von 5-Achs-CAM für die Additive Fertigung können die bestehende Lücken der aktuellen pulverbettbasierten AM-Technologien verringert und Bedarfe der Industrie herangeführt werden. Derzeit deckt DMT Lücken, die andere AM-Verfahren nicht schließen können. Das DMT-Verfahren wird nicht nur die Kosten senken und das Produktivitätsniveau verbessern, sondern auch neue Anwendungsbereiche erschließen.

Insstek auf der Formnext 2019: Halle 11, Stand E51

* Sukhyun Seo ist Research Project Manager bei der Insstek Inc. in Daejeon (Südkorea), Tel. (00 82-10) 71 94-26 69, sukhyun.seo@insstek.com. Lothar Glasmacher ist Head of Additive and Process Technology bei der Moduleworks GmbH in 52072 Aachen, Tel. (02 41) 99 00 04-47, lothar@moduleworks.com

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