Hermle: Generativ fertigen Schneller zur Spritzgiessform

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Für den Werkzeug- und Formenbau fertigt die Hermle Maschinenbau GmbH im bayerischen Ottobrunn Bauteile in einem innovativen Verfahren. Bei Überschallgeschwindigkeit wird Metallpulver aufgetragen und in einer Aufspannung spanend bearbeitet.

Vor sieben Jahren hat der Maschinenhersteller Hermle das Metall-Pulver-Auftrag-Verfahren MPA erstmals verwirklicht. Nunmehr steht dafür beim Dienstleister Hermle Maschinenbau GmbH die Maschine MPA 42 zur Verfügung. Sie vereint generative und subtraktive Bearbeitungsverfahren. Das beschleunigt die Durchlaufzeiten in der additiven Fertigung. Zudem sorgt sie für genaue Bauteile, da in einer Aufspannung Werkstoff aufgetragen und auf die geforderte Bauteilgeometrie spanend bearbeitet wird.

Bei Überschallgeschwindigkeit auftragen

Geschäftsführer Rudolf Derntl erläutert das von Hermle entwickelte Auftragsverfahren: "Die neben der Hauptspindel angeordnete Lavaldüse beschleunigt das Pulver und schießt es gezielt auf den aufgespannten Metallrohling." Integriert ist dieses Verfahren in eine modifizierte Ausführung des bewährten 5-Achs-Bearbeitungszentrums C 42 U.

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Überhitzter Wasserdampf und Stickstoff sorgen in Verbindung mit der Form der Düse dafür, dass das Pulver auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird und so mit hoher Energie auf den aufgespannten Rohling aufprallt. Dadurch verbindet sich das Metallpulver mit dem Metall des Rohlings. Beide Metalle müssen duktil sein, damit dies gelingt. Rudolf Derntl erläutert: "Es funktionieren sehr viele Metalle, da der Auftrag auf plastischer Verformung basiert. Demnach muss auch die Oberfläche der Halbzeuge duktil sein." Üblich lassen sich Warm- und Kaltarbeitsstähle mit hohem Kohlenstoffanteil, aber auch Kupfer und Ampcoloy nutzen.

Wechselnd auf- und abtragen

Vor Prozessbeginn werden die Bauteile auf etwa 300° C erwärmt. Damit sind die Werkstoffe duktiler, verglichen mit ihren Eigenschaften bei üblichen Umgebungstemperaturen. Die Energie zum Beschleunigen des Pulvers stellt überhitzter Wasserdampf bereit. Beim Durchgang durch die Düse erreicht das Pulver durch die Expansion des Wasserdampfs die erforderliche Überschallgeschwindigkeit. Damit auch während der Bearbeitung die Temperatur konstant bleibt, beheizt die Maschine das Bauteil. Das vermeidet Temperaturgradienten, die Spannungen, Risse oder Verzug verursachen können.

Im Fertigungsprozess wird abwechselnd Werkstoff auf- und abgetragen. Details wie feine Rippen werden in die zusätzlich mit Pulver aufgetragenen Geometrien gefräst. Kühlkanäle werden mit einem wasserlöslichen, metallenen Werkstoff gefüllt und mit dem Auftragen von Pulver mit einer Schicht aus Stahl überzogen. Den füllenden Werkstoff kann man im Wasserbad ausspülen. Dadurch entstehen die gewünschten Hohlräume. Stündlich kann die Maschine etwa 200 bis 400 cm³ Pulver auftragen, bei Kupfer bis 1000 cm³.

Werkstoffe kombinieren

Kupfer leitet Wärme deutlich besser als Werkzeugstähle. Für die Konstruktion von Spritzgießformen hat daher die Kombination aus Stahl und Kupfer einen Vorteil. Dazu sagt Rudolf Derntl: "Mit der additiven Fertigung bringen wir Kupfer an den Positionen des Werkzeugs ein, die für Kühlkanäle keinen Platz haben. Der Kupferkern leitet beim Spritzgießen die Wärme an den nächstgelegenen Kühlkanal deutlich schneller ab als Stahl. Das verkürzt die Kühlzeit und verbessert die Oberflächenqualität der Kunststoffteile."

Durch die fünf Achsen des Bearbeitungszentrums kann der Pulverstrahl unter allen Winkeln im Raum zum Bauteil ausgerichtet werden. So lassen sich nahezu beliebige Geometrien formen. Kühlstränge können damit direkt auf den gekrümmten Oberflächen eines Rohlings aufgebaut werden. So erhalten auch größere Spritzgießformen eine konturnahe Kühlung, ohne das gesamte Bauteil additiv aufzubauen. Im Arbeitsraum der Maschine sind Bauteile bis etwa 600 mm Kantenlänge bearbeitbar. Besonders eignet sich die Maschine auch zum Herstellen zylindrischer und konischer Bauteile, zum Beispiel gekühlter Vorkammerbuchsen. Durch das Auftragen von Werkstoff bei rotierendem Bauteil werden Taschen und Kanäle effizient gefüllt und mit Werkzeugstahl eingeschlossen.

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Funktionselemente einbetten

Mit dem Verfahren des Pulverauftrags können auch Funktionselemente, zum Beispiel Heizdrähte oder Sensoren zur Temperaturüberwachung, in Blöcke aus Stahl oder Kupfer eingebettet werden. So lassen sich beispielsweise Heizdrähte in Spritzgiesswerkzeuge integrieren, um die Temperatur variabel anzupassen. Rudolf Derntl nennt ein weiteres Beispiel: "Bei einer mit integrierten Heizelementen ausgestatteten Leimdüse behalten beispielsweise Klebstoffe über die gesamte Düsenbreite die ideale Verarbeitungstemperatur. Ein zusätzlicher Sensor im Werkzeug ermöglicht eine echte Regelung."

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CAM-Software für Auf- und Abtrag

Mit einer eigens entwickelten CAM-Software generieren die Anwendungstechniker in Ottobrunn den Code für die Maschinensteuerung. Dies beinhaltet nicht nur die Bahnbewegungen, sondern auch die Pulvermengen, die Temperaturen und den Wechsel zwischen Werkstoffaufbau und Fräsen. "Da kein CAD/CAM-Hersteller den besonderen, alternierenden Prozess – fräsen, auftragen, fräsen – abbilden konnte, haben wir die Software selbst geschrieben. Dadurch können wir jederzeit auch auf besondere Kundenwünsche eingehen", erläutert Rudolf Derntl.

Üblicherweise senden Auftraggeber ihre vorbearbeiteten Rohlinge nach Ottobrunn. Dazu sagt Kundenberater Oliver Müller: "Zu 95 Prozent bauen wir auf einem Halbzeug auf, das der Kunde selbst auf seiner Fräsmaschine vorbereiten kann." So kommt das Bauteil schon mit gefrästen Kühlkanälen oder Taschen für den Kupferauftrag nach Ottobrunn. Hier prüft das Team den Rohling auf Abmessungen und beurteilt, ob die Konstruktionsvorgaben eingehalten wurden. Beispielsweise dürfen keine Fasen an Taschen sein. Für den Pulverauftrag sind scharfe Kanten unabdingbar.

Mit Fachwissen Bauteile optimieren

Rudolf Derntl berichtet zur Arbeitsweise des Dienstleisters in Ottobrunn: "Wir verkaufen keine Maschinen, sondern Know-how." Dazu gehört, dass die Spezialisten sinnvolle Werkstoffkombinationen und deren beste Positionierung auf Werkstücken kennen. Sie verfügen über das Wissen, Kühlkanäle und Funktionselemente optimal zu platzieren und zu integrieren. So können sie auch einteilige Formwerkzeuge bauen.

Das Team in Ottobrunn berät Konstrukteure bei der Konzeption von Spritzgießwerkzeugen, übernimmt 3D-Modelle und optimiert sie mit Kühlkanälen, Funktionselementen oder Werkstoffkombinationen. So verbessern die Spezialisten mit optimierten Formen den Spritzgießprozess. Wie Rudolf Derntl erläutert, geht es dabei um verkürzte Taktzeiten und höhere Bauteilqualitäten, die mit anderen Technologien sonst nur schwierig zu erreichen sind.

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Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Schweizer MaschinenMarkt erschienen.

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