Hybride additive Fertigung transformiert die Produktion von hochwertigen Metalteilen

Hybrides Multitasking in Prozesskette eingebunden

Schon immer betrachtete sich die Firma Hoedtke als Vorreiter in der Branche – setzte schon 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. 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.

Auftragende und abtragende Bearbeitung in einer Aufspannung nutzt Vorteile beider Verfahren voll aus

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-AchsFräsbearbeitung vereint werden.

„Beim Laserpulverauftragsschweißprozess können wir in sehr kurzer Zeit sehr viel Material aufbringen. Wir können also mit einer hohen Produktivität ziemlich schnell Bauteile dreidimensional herstellen“, erläutert Vanessa Seyda, Technologieexpertin für additive Verfahren bei der Firma Hoedtke.

Und Joachim H. Hoedtke ergänzt: „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.“

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 bestens 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 bzw. hybride Konzepte wie die Kombination aus Fräsen und Laserpulveraufragsschweißen sind im Prinzip als Multitasking zu betrachten.

Der Vorteil des hybriden Maschinenkonzepts liegt auf der Hand: „Das Ergebnis des Laserpulverauftragsschweißens ist derzeit eine je nach eingesetzter Düse bis zu 3 mm breite Schmelzspur mit rauer Oberfläche“, erklärt Vanessa Seyda. Um die für Funktionsflächen komplexer Bauteile geforderte Genauigkeit zu erreichen, ist also eine 5-achsige Fräsbearbeitung notwendig. Wichtig ist hierbei, dass während der Bearbeitung flexibel zwischen Laserpulverauftragsschweißen 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 darüber hinaus 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.

Durchgängige CAD/CAM-CNC-Kette für additive und abtragende Verfahren

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 Designund Programmierlösung inklusive Postprozessor und Simulation für das Laserpulver-auftragsschweißen und die Fräsbearbeitung. „Für uns ist es natürlich von Vorteil, dass wir von der Konstruktion über die Programmierung bis hin zur Fertigung mit einer Softwarelösung arbeiten können“, sagt Vanessa Seyda. „Nur mit Siemens NX sind wir in der Lage, die Daten sowohl für den auftragenden als auch für den abtragenden Prozess vorzubereiten.

Zahlreiche Simulations- und Analysefunktionen in NX ermöglichen die Optimierung von Bauteil und Prozess im Vorfeld der Teilegenerierung. „Die Simulation in der Software ist sehr wichtig, da jeder kleinste Stoß an der Spindel oder am Laserkopf enorme Schäden verursachen würde“, betont Steffen Heitmann, der bei der Firma Hoedtke sowohl NX als auch die Maschine bedient. 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“, so Steffen Heitmann. 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.

Voller Nutzen durch industrietaugliche Komplettlösung

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