Renishaw: Im Solution Center additive Fertigung lernen Laserschmelzen: Experten vermitteln Know-how zum additiven Fertigungsverfahren

Autor / Redakteur: Konrad Mücke / Konrad Mücke

Mit additiver Fertigung (3D-Metalldruck) lassen sich Bauteile mit topologisch oder bionisch optimiertem Design verwirklichen. Allerdings benötigen Fertigungsbetriebe dafür spezielles Know-how. Das betrifft die gesamte Prozesskette von der Konstruktion bis zur Nacharbeit.

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Auch die Qualitätssicherung erfordert sorgfältig abgestimmte, alternative Strategien.
Auch die Qualitätssicherung erfordert sorgfältig abgestimmte, alternative Strategien.
(Bild: Renishaw)

Wegen umfassender Vorteile befassen sich inzwischen eine Vielzahl an Fertigungsbetrieben in unterschiedlichen Anwendungen mit der additiven Fertigung. Additive Fertigungsverfahren überzeugen mit zahlreichen Vorteilen. Nachdem sich Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Kunststoffen bereits seit vielen Jahren etabliert haben, rückt nun das Fertigen aus Metallen stärker in den Fokus. Das betrifft speziell das Laserschmelzen als generatives Verfahren. In einem kontinuierlichen Schichtaufbauprozess entstehen aus feinem Metallpulver nahezu einbaufertige Bauteile. Diese können beinah beliebige Geometrien und Formen haben. Das begründet die wesentlichen Vorteile des additiven Verfahrens gegenüber der subtraktiven, zerspanenden Fertigung.

Konturnahe Kühlkanäle optimieren Spritzgiessen

Als Pionier kann der Werkzeug- und Formenbau gelten. Zum Herstellen von Form­einsätzen für Spritz- und Druckgiesswerkzeuge nutzt er die additive Fertigung. Derart lassen sich konturnahe Kühlkanäle entlang der Formkavität führen. Die sogenannten Hotspots, die bei der herkömmlichen Fertigung unvermeidlich sind, kann man eliminieren. Für das gesamte Engineering und die Realisierung solcher Werkzeugeinsätze bietet beispielsweise Renishaw sein Konzept iQtemp. Man hat es gemeinsam mit Listemann in Liechtenstein, einem Experten unter anderem für Vakuumlötverfahren, entwickelt und verwirklicht. Mit additiv gefertigten Werkzeugkavitäten und konturgenau geführten Kühlkanälen werden die spritzgegossenen Bauteile sehr viel gleichmässiger und schneller temperiert. Das erhöht die Bauteilqualität und kürzt die Zykluszeit. Die intelligente Kombination von konventioneller Fertigung, Additive Manufacturing und Vakuumlöten kann die Kühlzeiten von Spritzgussteilen um bis zu 60 Prozent verkürzen.

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Bisher überwiegend Einzelstücke oder Kleinstserien

Allerdings haben additive Fertigungsverfahren wie das Laserschmelzen verglichen mit zerspanenden oder umformenden Verfahren sehr lange Fertigungszeiten. Ein Bauteil mit etwa 300 mm Kantenlänge herzustellen, kann bis zu 20 Stunden dauern. Deshalb nutzt man das Laserschmelzen bisher überwiegend beim Herstellen von Einzelstücken, um beispielsweise ein innovatives Design anhand eines vollwertigen Funktionsmodells zu verifizieren. Bei kleinen Serien stehen vor allem die technischen Vorteile des Herstellverfahrens und der generierten Bauteile im Fokus. Für die Luft- und Raumfahrt kann man zum Beispiel durch Materialsubstitution oder Bauteiloptimierung wesentlich leichtere Bauteile fertigen. Realisierbar sind unter anderem bei speziellen Einspritzaggregaten für Turbinen bis zu 80 Prozent Gewichtsreduktion. Branchenkenner erwarten trotz der bisherigen Limitierungen bei der Produktivität, dass das Additive Manufacturing schon in naher Zukunft in einem wesentlich breiteren Anwendungsspektrum eine bedeutende Rolle spielen wird. Beispielsweise Rainer Lotz, Geschäftsführer der Renishaw GmbH in Pliez­hausen, sagt dazu: «Wir sind überzeugt, dass Additive Manufacturing künftig entscheidend dazu beiträgt, komplexe Bauteile wesentlich wirtschaftlicher herzustellen.» Er führt weiter aus, dass generative Herstellverfahren einen bedeutenden Schub für das Bauteildesign bringen. Diese können hinsichtlich unterschiedlicher Kriterien derart optimiert werden, wie es bisher nicht realisierbar, nicht einmal denkbar war. Das kann zum Beispiel das Gewicht betreffen, aber auch das Design in Bezug auf ihren Einsatz oder ihrer Funktion. Additiv gefertigte Bauteile bestechen unter anderem durch ihr topologisch oder bionisch optimiertes Design. Dies gelingt inzwischen prozesssicher mit einer Vielzahl an Metallen, zum Beispiel mit Titan, Stahl-, Nickel- und Leichtmetalllegierungen. Der für seine Messtechnik bekannte Hersteller Renishaw befasst sich seit nunmehr sechs Jahren mit dem Additive Manufacturing, speziell dem selektiven Laserschmelzen von Metallpulver. Renishaw hat mit seinen Laserschmelzanlagen in allen Bereichen bereits umfassende Erfahrungen und ein weitreichendes Know-how erarbeitet.

Grundlegend andere Prozesse verstehen

Additiv zu fertigen, bedingt im Vergleich zu bisherigen Produktionsprozessen grundlegend andere Vorgehensweisen. Maximilian Boulter, der bei Renishaw die Dienstleistung für generativ hergestellte Bauteile leitet, führt dazu aus: «Fertigungsbetriebe benötigen vor allem zusätzliches Know-how. Additive Verfahren unterscheiden sich erheblich von der klassischen urformenden, umformenden und zerspanenden Fertigung. Deshalb müssen Fertigungstechniker in der gesamten Prozesskette umdenken. Das betrifft das Bauteilkonzept, die Detailkonstruktion, die Programmierung der Fertigungsabläufe, das additive Verfahren auf der Maschine und die Nacharbeit der gefertigten Bauteile», fügt er an.

Um zu entscheiden, ob sich ein Bauteil profitabel und erfolgreich durch Laserschmelzen herstellen lässt, sind fundierte Kenntnisse erforderlich. Unter anderem müssen Konstrukteure die Verfahrensabläufe des aufbauenden Verfahrens detailliert kennen. Nur so können sie die Bauteile fertigungsgerecht konstruieren. Zudem müssen die in der Prozesskette beteiligten Designer, Konstrukteure und Fertigungstechniker die besonderen Eigenschaften der Maschinen, der Werkstoffe und der damit generierten Bauteile richtig einschätzen können. Alle technischen und wirtschaftlichen Kriterien müssen sie richtig bewerten und fundiert beurteilen können. Um sich dafür ausreichend zu trainieren und zu qualifizieren, benötigen Fertigungsbetriebe einen kompetenten Partner. Dies ist unabdingbar, damit der Fertigungsbetrieb von den Vorteilen des additiven Verfahrens profitiert.

Prozesskette testen und optimieren

In seinem aktuell fertiggestellten Solution Center in Pliezhausen stellt der Messtechnik- und Maschinenhersteller nunmehr dieses Know-how den Anwendern der Technologie zur Verfügung. Die Spezialisten verfügen über sämtliche zum Laserschmelzen erforderlichen Einrichtungen und können somit alle Prozessschritte verwirklichen. Dazu gehören speziell konzipierte CAD/CAM- und Programmiersysteme, die Pulver-Auf- und Nachbereitung, ein Werkstofflabor zur Analyse und Definition der Metallpulver, mehrere Laserschmelzanlagen mit unterschiedlich grossen Arbeitsräumen, ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum zum Nacharbeiten additiv gefertigter Bauteile, Öfen zur Wärmebehandlung sowie Messmaschinen zum Verifizieren der gefertigten Geometrien.

Leistungen individuell auswählen

Besonders vorteilhaft ist, dass Anwender im Solution Center je nach individuellen Forderungen den Service der Experten beanspruchen können. So können sie beispielsweise die Pliezhausener Experten beauftragen, für ein bisher gegossenes und spanend gefertigtes Bauteil die komplette Prozesskette zum Additive Manufacturing – vom Design bis zum nachbearbeiteten und in der Qualität überwachten Bauteil – zu entwickeln. Alternativ können Anwender auch nur einen Teil dieser umfassenden Serviceleistung beauftragen. Das betrifft beispielsweise, ein selbst zum Additive Manufacturing konstruiertes Bauteil auf entsprechenden Laserschmelzanlagen herstellen zu lassen. Das kann ein Prototyp, aber auch eine kleine Serie von Bauteilen sein.

In den Räumlichkeiten des Solution Centers wird es zudem umfangreich ausgestattete Fertigungsräume geben, die von Anwendern zur Validierung der AM-Anlagentechnik, spezieller Applikationen und zur Materialentwicklung angemietet werden können – die sogenannten Mietzellen. Interessenten können diese Mietzellen nach einer ausführlichen Unterweisung in die Systemtechnik und die Grundlagen der Additiven Fertigung eigenständig nutzen, um einmal selbst die gesamte Prozesskette vom Design und der Konstruktion bis hin zur Nacharbeit zu verwirklichen. Die Spezialisten von Renishaw stehen jederzeit mit unterstützenden Leistungen, Beratung und Service zur Verfügung.

Jan-Peter Derrer, Produktmanager Additive Manufacturing bei Renishaw, führt aus: «Mit diesem flexiblen Konzept unseres Solution Centers und den Mietzellen ermöglichen wir vielen Fertigungsbetrieben, zum einen von den Vorteilen des Additive Manufacturing kurzfristig zu profitieren. Man kann bei uns Bauteile in Auftrag geben, für die schon ein optimiertes, fertigungsgerechtes CAD/CAM-Design vorliegt. In diesem Fall bieten wir unsere Leistung als Lohnfertiger an. Darüber hinaus bieten wir interessierten Fertigungsbetrieben an, ein bestehendes Bauteil zu optimieren und die Prozesskette so auszulegen, dass das Bauteil technisch und wirtschaftlich sinnvoll mit der additiven Fertigung hergestellt werden kann. Wir beraten dabei umfassend hinsichtlich Bauteilkonstruktion, Werkstoffwahl, Verfahrenstechnik, Nacharbeit und Qualitätssicherung durch geeignete Mess- und Prüfverfahren. Wir sind aber auch so ehrlich und raten vom Laserschmelzen ab, wenn uns dieses Verfahren für ein vorgesehenes Bauteil als völlig ungeeignet erscheint.»

Vom Labor in die Produktion

Haben die Experten in Pliezhausen die Prozesskette zur additiven Fertigung eines Bauteils erarbeitet und diese anhand einiger Protopyen verifiziert, übertragen sie diese auch zum Anwender. Der kann unter anderem die Laserschmelzanlagen, die Messtechnik und die CAD/CAM-Software von Renishaw erwerben, um die Prozesskette im eigenen Unternehmen zu installieren. «Beim Aufbau unseres Solution Centers hat das interdisziplinäre Projektteam in Pliezhausen sehr effizient zusammengearbeitet. Offiziell steht es Anwendern bereits seit dem Jahreswechsel zur Verfügung. Im Jahr 2018 werden wir uns darauf fokussieren, weitere branchenspezifische Lösungen zu erarbeiten», fasst Rainer Lotz die aktuelle und künftige Entwicklung des Solution Centers in Pliezhausen zusammen. SMM

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