Kombinierte Verfahren

Verfahrensprinzipien

Die schichtweise arbeitenden Verfahren besitzen große Vorteile, insbesondere in der Freiheit, auch komplexe Geometrien ohne großen Aufwand herstellen zu können. So können mit nahezu allen Rapid-Technologien überhänge, geformte Kühlkanäle oder beliebig Freiformflächen erzeugt werden. Als nachteilig ist hier jedoch die geringe Baugeschwindigkeit bzw. die geringe Oberflächengüte zu sehen. Mit konventionellen Verfahren, wie beispielsweise dem Fräsen, können nur bedingt oder mit hohem Aufwand ähnlich komplexe Bauteile gefertigt werden. Dagegen sind die erreichbare Bauteilgenauigkeit bzw. Oberflächengüte im Vergleich zu den Rapid-Technologien ungleich besser.

Der Gedanke an die Kombination dieser beiden, höchst unterschiedlichen Verfahrensklasse liegt somit nahe, um die Nachteile der einen Gruppe durch die Vorteile der anderen Gruppe zu substituieren. Beispielsweise wird das zu fertigende Bauteil schichtweise generiert, wobei die abschließende Bearbeitung mit spanenden Fertigungsverfahren erfolgt. Dadurch ist es zum einen möglich, Bauteile mit komplexen Geometrien zu fertigen, und zum anderen, die qualitativ hochwertigen Oberflächen des Fräsens zu erzeugen.

Im Folgenden werden die beiden Verfahren Controlled Metal Buildup (CMB) und Solidscape Drop-on-Demand-Jet Technology (DODJET) als Beispiele in der Industrie eingesetzter Verfahrenskombinationen beschrieben.

Controlled Metal Buildup (CMB)

Die Controlled Metal Buildup (CMB)-Technologie ist eine Verfahrenskombination, bestehend aus dem selektiven Laser­auftragsschweißen und dem Hochgeschwindigkeitsfräsen (siehe Abbildung). Nach jeder mit dem Auftragsschweißen erzeugten Schicht wird durch Planfräsen eine neue, definierte Ausgangslage erzeugt. Die Außenkontur wird entweder abschnittsweise nach einer bestimmten Anzahl an gefertigten Schichten oder abschließend komplett hergestellt.

Insbesondere kann bei der Außenkonturerzeugung nach einer Anzahl an aufgetragenen Schichten die Fräsbearbeitung sehr nah am Bauteil erfolgen. Dadurch ergeben sich geringere Auskraglängen am Werkzeug und es können Fräser mit geringeren Durchmessern verwendet werden. Es lassen sich durch die Verwendung dieser Fräswerkzeuge Ecken mit einem vergleichsweise geringen Inneneckradius sowie durch die schichtweise Erzeugung tiefe Schlitze mit einem hohen Aspektenverhältnis sehr genau herstellen. Deswegen kann man auf das Erodieren dieser Geometrieelemente verzichten.

Diese Verfahrenskombination ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit einer Dichtigkeit von nahezu 100%. Neben dem Rapid Tooling zur schnellen Herstellung von Werkzeugen wird es auch im Serienwerkzeugbau für die Modifikation und Reparatur von Werkzeugen verwendet.

Solidscape Drop-on-Demand-Jet Technology (DODJET)

Die von der Firma Solidscape vertriebenen Anlagen verwenden ein Verfahren, das ähnlich dem Multi-Jet-Modeling-Prinzip Bauteile generiert. Hierfür werden zwei verschiedene Druckköpfe, die unterschiedliche Kunststoffe auf die Bauplattform aufbringen, verwendet. Die Kunststoffe unterscheiden sich deutlich in der jeweiligen Schmelztemperatur, sodass der für die Bauteile notwendige Support aus dem niedrigschmelzenden Kunststoff hergestellt und nach Abschluss des Baujobs herausgeschmolzen werden kann.

Der Unterschied zu den Multi-Jet-Modeling Anlagen besteht in der Integrierung eines zusätzlichen Fräsbearbeitungskopfes als weiteres Fertigungsverfahren, der nach dem Aufbringen einer neuen Werkstoffschicht die Bauteiloberfläche plan fräst. Durch diese horizontale Fräsoperation wird die Schichtdicke sehr genau bestimmt und eine hohe Oberflächenqualität sichergestellt. Der prinzipielle Ablauf ist in der Abbbildung dargestellt.

Durch die Integration eines Fräsbearbeitungskopfes ergeben sich Vorteile vor allem hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit und Oberflächenqualität. Insbesondere die verglichen mit den meisten anderen generativen Verfahren deutlich geringere Schichtdicke trägt zu diesen Eigenschaften bei. Hier können durch das Planfräsen der Oberfläche Schichtdicken von minimal 13 µm erreicht werden. Bei vergleichbaren generativen Verfahren beträgt die minimale Schicht­dicke mit ca. 70 µm ein Vielfaches der von der Solidscape-Anlage realisierbaren Schichtdicke. Mit dieser geringen Schichtdicke ist der so genannte Treppenstufeneffekt kaum noch ausgeprägt, sodass nur noch wenig Nachbearbeitungsaufwand entsteht. Die erreichbare Genauigkeit liegt in allen drei Koordinatenrichtungen bei ca. 2,5 µm.