Multitaskingmaschinen Mit hybriden Maschinen zu völlig neuen Bauteildesigns

Autor / Redakteur: Claudia Dürr / Mag. Victoria Sonnenberg

Völlig neue Bauteildesigns fertigen, die bisher so nicht gefertigt werden konnten, und dies extrem schnell, in einer Aufspannung und komplett endbearbeitet: Fasziniert und motiviert von dieser Vorstellung, investierte ein Mittelständler in das Additive Manufacturing.

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Bei der Kombination aus auftragender und abtragender Bearbeitung in einer Maschine können Funktionsflächen in einer Aufspannung nachbearbeitet und zu höchster Präzision gebracht werden.
Bei der Kombination aus auftragender und abtragender Bearbeitung in einer Maschine können Funktionsflächen in einer Aufspannung nachbearbeitet und zu höchster Präzision gebracht werden.
(Bild: Siemens)

Der Mittelständler Hoedtke setzte bereits in den 1970er Jahren auf Lasertechnik und profitierte von dem dadurch gewonnen Wissensvorsprung. „Als wir auf den Laser aufmerksam geworden sind, wurde er in der Metallbearbeitung noch gar nicht eingesetzt. Zunächst griffen wir das Laserschneiden auf. Dann das Laserschweißen“, erinnert sich Joachim H. Hoedtke. „Der nächste Schritt ist nun die additive Fertigung, bei der man im dreidimensionalen Raum einen Metallpulverstrahl mit dem Laser aufschmilzt.“ Seit Ende 2014 hat Hoedtke eine Lasertec 65 3D von DMG Mori mit Sinumerik 840D sl CNC-Steuerung im Einsatz. Die Maschine ist eine besondere Form der Multitasking-Maschine.

Additive Manufacturing kombiniert mit 5-Achs-Simultanfräsen

Sie kombiniert auftragende und abtragende Verfahren, konkret das generative Laserpulverauftragsschweißen (Directed Energy Deposition, kurz DED) und 5-Achs-Simultanfräsen in einer Aufspannung. Eingebunden ist die Maschine in eine durchgängige CAD/CAM-CNC-Prozesskette mit NX-Software für Hybrid Additive Manufacturing. Die NX Software ist notwendig, um Werkstücke am Computer überhaupt für das Verfahren vorbereiten und die Verfahrwege für Auftragen und Abtragen der CNC berechnen zu können.

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DMG Mori hat in der Lasertec 65 3D die neue Technologie des Laserpulverauftragsschweißens in ein bestehendes bewährtes Fräsmaschinenkonzept integriert. Mit der Entwicklung dieser Hybridmaschine konnten die Vorteile des DED-Verfahrens, wie hohe Aufbauraten und generativer Aufbau auf bestehende Bauteiloberflächen im additiven Prozess mit den Eigenschaften moderner hochkomplexer 5-Achs-Fräsbearbeitung vereint werden.

Grob additiv fertigen und im Anschluss Präzision fräsen

„Beim Laserpulverauftragsschweißprozess können wir in sehr kurzer Zeit sehr viel Material aufbringen und mit einer hohen Produktivität ziemlich schnell Bauteile dreidimensional herstellen“, erläutert Vanessa Seyda, Technologieexpertin für additive Verfahren bei Hoedtke. „Das Faszinierende an der Kombination aus auftragender und abtragender Bearbeitung in einer Maschine ist, dass wir relativ grob additiv fertigen und anschließend eine hohe Genauigkeit mit dem Fräsen erzielen“, ergänzt Hoedtke. Funktionsflächen können also in einer Aufspannung nachbearbeitet und zu höchster Präzision gebracht werden.

Die Lasertec 65 3D ist mit der Sinumerik 840D sl ausgestattet. Die Sinumerik CNC ist aufgrund der bekannten Offenheit sowohl in den Bedienoberflächen als auch im Echtzeitbereich für die effiziente Verknüpfung verschiedener Technologien zu Multitasking geeignet. Multitasking bezeichnet klassischerweise die Kombination mehrerer Bearbeitungstechnologien in einer Maschine wie dem Dreh-Fräsen oder Fräs-Drehen. Auch additive beziehungsweise hybride Konzepte wie die Kombination aus Fräsen und Laserpulveraufragsschweißen sind im Prinzip als Multitasking zu betrachten.

Flexibler Wechsel zwischen Auf- und Abtrag

„Das Ergebnis des Laserpulverauftragsschweißens ist derzeit eine je nach eingesetzter Düse bis zu 3 mm breite Schmelzspur mit rauer Oberfläche“, erklärt Seyda. Um die für Funktionsflächen komplexer Bauteile geforderte Genauigkeit zu erreichen, ist also eine 5-achsige Fräsbearbeitung notwendig. Wichtig ist dabei, dass während der Bearbeitung flexibel zwischen Laserpulver-Auftragsschweißen und Fräsen gewechselt werden kann. Nur so können Stellen bearbeitet werden, die später am fertigen Werkstück nicht mehr erreicht werden können. Die 5-Achs-Maschinenkinematik ermöglicht zudem auch das Positionieren des Teiles während des additiven Aufbaus. Durch diese Bewegung des Bauteiles mittels Dreh-Kipptisches kann beim DED-Prozess mit einer Lasertec 65 3D auf zusätzliche Stützstrukturen, die beispielsweise bei pulverbettbasierten Laserprozessen unumgänglich sind, verzichtet werden.

Soll auf einer hybriden Maschine gefertigt werden, muss der Designprozess den hybriden Ansatz unterstützen. Grundlage für die Planung der Werkzeugwege ist ein auf den DED-Prozess angepasstes CAD/CAM System. Es gilt, eine geeignete Abarbeitungsstrategie für die additiven und subtraktiven Prozesse zu wählen und diese dann auch softwaretechnisch umzusetzen. Die NX CAD/CAM Software mit dem Plugin für Hybrid Additive Manufacturing bietet hierfür eine durchgängige Design- und Programmierlösung inklusive Postprozessor und Simulation für das Laserpulver-Auftragsschweißen und die Fräsbearbeitung. „Nur mit Siemens NX sind wir in der Lage, die Daten sowohl für den auftragenden als auch für den abtragenden Prozess vorzubereiten“, sagt Seyda. Zahlreiche Simulations- und Analysefunktionen in NX ermöglichen die Optimierung von Bauteil und Prozess im Vorfeld der Teilegenerierung.

Stellenwert der Simulation in der Software

Die Simulation in der Software ist sehr wichtig, da jeder kleinste Stoß an der Spindel oder am Laserkopf enorme Schäden verursachen würde. Neben den additiven Entwicklungsschritten wie beispielsweise der Erarbeitung des CAD-Designs, der Analyse hinsichtlich Aufbaubarkeit, thermischer Einflüsse und mechanischer Eigenschaften, dem Generieren der Aufbaustrategie sowie der Laserbahnen können gleichzeitig auch alle Prozessschritte zur mechanischen Bearbeitung erstellt werden. Das in NX erstellte CNC-Programm wird dann direkt an die Maschine übertragen. Die Siemens CNC Steuerung Sinumerik 840D sl greift auf den Server zu, das heißt, sobald das Postprogramm fertig ist, kann die Maschine das Programm unverzüglich laden. Nun kann die Sinumerik 840D sl in Verbindung mit den Sinamics S120 Antrieben und den dazugehörigen Motoren die Werkzeug- und Teilebewegungen präzise abfahren. Die hybride Programmierlösung NX Hybrid Additive Manufacturing ermöglicht völlig neue Bauteildesigns: Wurde beispielsweise bisher ein Werkstück aus mehreren Baugruppen subtraktiv gefertigt, kann dieses Werkstück nun als Einzelteil designt werden.

Hoedtke nutzt als einer der ersten Fertigungsbetriebe eine industrietaugliche DED-Komplettlösung vom CAD/CAE/CAM-Prozess bis hin zum Bearbeitungsprozess in einer leistungsfähigen Maschine. Damit beweist sich das Unternehmen einmal mehr als innvoativer Vorreiter in der Branche. MM

* Claudia Dürr ist Marketingmanagerin bei der Siemens AG in 91056 Erlangen, Tel. (0 91 31) 98 51 74, Duerr.claudia@siemens.com

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