Lasersintern erweitert Fertigungsmöglichkeiten von Präzisionswerkzeugen
  • Firma: Mapal
  • Land: Deutschland
  • Artikel vom: 13 Januar 2017
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  • Artikel Nummer: 059-006-de
  • Kategorie(n): Zerspanen, Laserbearbeitung
  • Lasersintern erweitert Fertigungsmöglichkeiten von Präzisionswerkzeugen

    Mapal forscht bereits seit 2013 an der Herstellung von Werkzeugen mithilfe der additiven Fertigung. Das selektive Laserschmelzen (SLM), das bei Mapal zum Einsatz kommt, ist ein pulverbett-basierter Prozess. Während des Fertigungsprozesses wird loses Metallpulver mittels eines Laserstrahls Schicht für Schicht an den Stellen aufgeschmolzen, an denen Material sein soll. Das Bauteil entsteht von unten nach oben. Die Flächen, die geschmolzen werden, sind in Quadrate (Schachbrettmuster) unterteilt. Diese werden nicht aufeinanderfolgend, sondern statistisch verteilt aufgeschmolzen. Dadurch wird eine Verteilung des Wärmeeintrags erreicht.

    Konstruktionsprozess ist anspruchsvoll
    Während der Bearbeitung wird das Pulver auf 60-70° C erhitzt. Die dadurch entstehende Materialausdehnung muss bereits bei der Werkzeugkonstruktion berücksichtigt werden. Überhaupt wird vieles im Konstruktionsprozess schon vorab simuliert und damit abgesichert. Damit stellt die Konstruktion von Werkzeugen, die im 3D-Drucker hergestellt werden, eine der großen Herausforderungen für Mapal als Werkzeughersteller dar. Denn im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren ist hier ein Umdenken erforderlich. Unter anderem kommen die Werkzeuge nicht „fertig“ aus der Laserschmelzanlage. Sie müssen nachbearbeitet werden. Stand heute wird bei der additiven Fertigung eine Genauigkeit von 0,03 mm erreicht. Mapal Werkzeuge zeichnen sich aber neben weiteren Aspekten durch ihre Genauigkeit im Tausendstelbereich aus, was einen Nachbearbeitungsaufwand bei diesem Fertigungsverfahren nach sich zieht. Um diese Faktoren ausreichend zu beachten und planen zu können, müssen entsprechende Qualifikationsmaßnahmen für Mitarbeiter bzw. angehende Konstrukteure entwickelt und implementiert werden.

    Der Schneidplattenbohrer QTD im kleinen Durchmesserbereich - erstes Serienwerkzeug von Mapal
    Im Jahr 2014 brachte Mapal den Schneidplattenbohrer QTD im Durchmesserbereich 8 bis 13 Millimeter als erstes additiv gefertigtes Serienwerkzeug auf den Markt. Bis zu diesem Zeitpunkt war der Schneidplattenbohrer QTD erst ab Durchmesser 13 mm erhältlich. Einer der Gründe für diese Einschränkung war die Kühlkanalführung des Grundkörpers. Üblicherweise wird bei Grundkörpern mit konstanter Spiralsteigung für Schneidplattenbohrer das Kühlmittel zentral nach vorne geführt und über eine Ypsilon-Gabelung an die Schneiden verteilt. Je kleiner der Grundkörper ist, desto mehr beeinträchtigt die zentrale Kühlmittelführung den Kern des Bohrers; er wird geschwächt und instabil. Darüber hinaus müssen die Kühlkanäle zunehmend kleiner ausgeführt werden, was einen abnehmenden Durchfluss des Kühlmittels bis nach vorne an die Schneide zur Folge hat. Stahl-Grundkörper mit gewendelten Kühlkanälen waren deshalb bei kleinen Durchmessern bislang gar nicht üblich. Mit Hilfe der additiven Fertigung ist es Mapal gelungen, den Schneidplattenbohrer in kleineren Durchmessern und mit gewendelten Kühlkanälen zu realisieren. Der Körper des Bohrers wird mittels Laserschmelzen auf den konventionell gefertigten Zylinderschaft aufgesetzt. Anordnung und Ausgestaltung der Kühlkanäle, deren Profile von der Kreisform abweichen, ermöglichen einen um 100 Prozent gesteigerten Kühlmitteldurchfluss, speziell durch von der Kreisform abweichende Kühlkanalprofile.

    Möglichkeiten des Herstellungsverfahrens SLM
    Das Beispiel des Schneidplattenbohrers QTD im kleinen Durchmesserbereich verdeutlicht, wie hoch die konstruktiven Freiheiten bei der additiven Fertigung sind und welche neuen Möglichkeiten sich dadurch ergeben. Es können fast beliebige räumliche und komplexe Geometrien sowie innen liegende Hohlräume realisiert werden, unbeeinträchtigt von den Beschränkungen konventioneller Fertigungsverfahren wie Maschinenaufspannungen, Werkzeuge oder Fertigungsmittel. Zudem kann Hybrid gefertigt werden und inneres Wuchten, also die genaue Verteilung des Materials, ist realisierbar. Auch die Herstellung kleinerer Losgrößen wird wirtschaftlicher, da ein Großteil der Rüstzeit entfällt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass dank der additiven Fertigung Werkzeuge deutlich gewichtsärmer produziert werden können.

    Innovative Rippenstruktur halbiert das Gewicht
    Dies machte sich Mapal als eines der ersten Unternehmen der Branche unter anderem bei der Fertigung von Außenreibahlen zunutze. Denn: Außenreibahle funktionieren insbesondere bei der Bearbeitung kleiner Durchmesser umso besser, je leichter sie sind. Ein herkömmlich gefertigtes Werkzeug aus Stahl zur Bearbeitung eines Durchmessers von beispielsweise 8,5 Millimetern wiegt jedoch bereits 390 Gramm. Dieses Gewicht und die daraus resultierende Trägheit schränken die maximal möglichen Schnittgeschwindigkeiten stark ein. Deshalb bringt eine Gewichtsoptimierung sofort deutliche Produktivitätssteigerungen. Durch eine speziell entwickelte Rippenstruktur im Inneren des Werkzeuges ist es gelungen, die bereits erwähnte Reibahle mit einem Gewicht von 172 Gramm herzustellen, das Gewicht also mehr als zu halbieren. Die Bearbeitung kann mit den lasergesinterten Außenreibahlen deutlich schneller und mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden.

    Erweiterte Einsatzgebiete
    Wie die additive Fertigung die Einsatzgebiete bestehender Werkzeugkonzepte erweitert, zeigt das dritte Produktbeispiel von Mapal: das Hydrodehnspannfutter HTC mit schlanker Kontur, das das Unternehmen 2015 vorstellte. Mit diesem Hydrodehnspannfutter kann die HTC Technologie nun auch im störkonturkritischen Bereich genutzt werden. Mit seiner 3°-Kontur ist das HTC mit schlanker Kontur einem schlanken Schrumpffutter zum Verwechseln ähnlich. Durch diese Kontur, die bisher bei Hydrodehnspannfuttern nicht herzustellen war, kann das Futter bei Anwendungen eingesetzt werden, die aufgrund der beengten Platzverhältnisse bisher Schrumpffuttern vorbehalten waren. Auf den konventionell gefertigten Grundkörper wird bei der Herstellung des HTC mit schlanker Kontur in hybrider Bauweise per Laserschmelzen der Funktionsbereich aufgebracht. Der Spannbereich kann dank der additiven Fertigung sehr nah an der Futterspitze platziert werden, was in der konventionellen Fertigung nicht möglich gewesen wäre. Dies sorgt für einen optimalen Rundlauf sowie hohe Formgenauigkeit bei guter Schwingungsdämpfung. Zudem ist durch die additive Fertigung keine Lötverbindung mehr nötig. Diese stellte bisher einen limitierenden Faktor von Hydrodehnspannfuttern dar. Wie in den weiteren Produktbereichen von Mapal können dank der additiven Fertigung auch in der Spanntechnik erhebliche Potenziale genutzt werden. So wird bei 2016 vorgestellten Werkzeugkonzepten beispielsweise das Prinzip der Hydrodehnspanntechnologie sowohl zur Innen- als auch zur Außenspannung, beispielsweise von ringförmigen Werkzeugen, genutzt. Das ist möglich, da durch das Laserschmelzen gleich zwei Ölkammern in einem Spannfutter platziert werden können. Durch Anziehen der Spannschraube wird so Haltekraft sowohl nach innen als auch nach außen aufgebaut.

    Grenzen bei der Herstellung mittels SLM
    Die Kosten sind derzeit sicherlich noch ein Hemmnis für die additive Fertigung. Die Preise des Metallpulvers und des gesamten Verfahrens sind kostenintensiver als konventionelle Verfahren zur Werkzeugherstellung. Deshalb fertigt Mapal Werkzeuge nur dann additiv, wenn sie dem Anwender einen ganz klaren Mehrwert bieten. Nur wenn der Mehrwert die Mehrkosten aufwiegt, haben additiv gefertigte Werkzeuge ihre Berechtigung. Denn letztendlich ist es für den Anwender irrelevant, wie Mapal die Werkzeuge fertigt. Es zählen allein Funktion, Qualität, Präzision und Preis. Zudem besteht hinsichtlich der bereits beschriebenen Genauigkeit bei der Werkzeugherstellung und damit dem heute noch enormen Nachbearbeitungsaufwand Verbesserungspotenzial. Weitere Einschränkungen liegen in der Verfügbarkeit der Werkstoffe. Bisher wird in erster Linie mit Aluminium, Titan und unterschiedlichen Stählen gearbeitet. In der Vielfalt der Werkstoffe liegt noch großes Potenzial. Mapal forscht intensiv gemeinsam mit Hochschulen und Industriepartnern an neuen Werkstoffen, um in diesem Bereich weiterzukommen. Die Dauer der Fertigung und die Baurate sind weitere Restriktionen beim Herstellen von Werkzeug mittels Laserschmelzen. Auch begrenzen die Eigenschaften des Laserstrahls den Prozess. Des Weiteren ziehen die verwendeten Materialien mit ihren jeweiligen Eigenschaften eine Bearbeitungsgrenze. So entsteht beispielsweise beim Erstellen von ebenen Flächen auf Pulver ein Bimetall-Effekt. Zudem können einige Elemente, wie Gewinde, Passbohrungen und Passflächen, generell nicht direkt mit der Additiven Fertigungstechnologie hergestellt werden.

    Fazit
    Die Technologie der additiven Fertigung ist serienreif. Die notwendigen Maschinen sind verfügbar. Stahlgrundkörper können inzwischen ohne Festigkeitsnachteile hergestellt werden. Fertigungsbedingte Einschränkungen der konventionellen Herstellung von Präzisionswerkzeugen können durch die additive Fertigung überbrückt werden. Die Vorteile, die der 3D-Druck bietet überwiegen bereits heute die Nachteile und Restriktionen. Maschinenhersteller arbeiten an einer weiteren Verbesserung und Beschleunigung des Laserverfahrens. Zusätzlich muss das Werkstoffportfolio erweitert werden, um zusätzliche Bereiche mit der additiven Fertigung abdecken zu können. Neben der Optimierung der Qualität steht die Optimierung der Prozessführung im Vordergrund, um mit besseren Oberflächen näher am präzisen Bauteil additiv fertigen zu können. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die additive Fertigungstechnologie mit Sicherheit bei der Herstellung von Präzisionswerkzeugen eine große Rolle spielen wird. Denn sie bietet neue Möglichkeiten der Werkzeugkonstruktion und ist unter anderem eine Arbeitserleichterung bei kleinen, filigranen sowie geometrisch komplizierten Werkzeugen. Das additive Fertigungsverfahren bietet darüber hinaus ein großes Potenzial bei der Optimierung des Gewichts von Werkzeuggrundkörpern. Allerdings darf vorerst nicht von einer Kostenersparnis ausgegangen werden. Die additive Fertigung wird die spanende Fertigung nicht ersetzen können – vereinfacht sie aber deutlich und bietet neue Möglichkeiten der Werkzeugauslegung. Das hybride Fertigen beispielsweise ist ein gut funktionierendes Verfahren, um die Vorteile beider Fertigungsmethoden zu verbinden. Die additive Fertigung im Metallbereich befindet sich in vielen Aspekten noch in den Anfängen. Allerdings gibt es erste kleine Revolutionen hinsichtlich Geometrie, Funktionalität und Gewicht der Werkzeuge, die allein der additiven Fertigung zu verdanken sind.