Abstract:

Additive Fertigungsverfahren bieten durch ihr schichtweises Arbeitsprinzip das Potenzial zur Integration bisher nicht realisierbarer Funktionen und Geometrien in Metallbauteilen. Beispielsweise lassen sich verdeckte, konturnahe Kühlkanäle in Formwerkzeugen realisieren, um eine gleichmäßige Temperierung innerhalb des Abformprozesses zu gewährleisten. Trotz der Flexibilität der additiven Herstellung sind derartig generierte Bauteile aber nicht direkt einsatzfertig, sondern erfordern immer eine, zumeist mehrstufige Nachbearbeitung, u. A. zur Entfernung von Stützstrukturen, zur Verbesserung der Oberflächen- und Geometrieeigenschaften sowie zur Einstellung definierter Randzonen- und Werkstoffeigenschaften.

Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung ist die Kombination von additiven und subtraktiven Verfahren in einer einzelnen Maschine oder einer verknüpften Fertigungszelle, was oft auch als „Hybridfertigung“ bezeichnet wird. Als besonderer Vorteil ermöglicht diese Herangehensweise eine sequentielle additive und subtraktive Fertigung, so dass auch später nicht zugängliche Funktionselemente noch während des Aufbauprozesses spanend nachbearbeitet und anschließend wieder verdeckt werden können. Dies ermöglicht z.B. die Herstellung von verdeckten Kühlkanälen mit strömungsoptimierte Oberfläche.

Zur Erforschung dieser Thematik wird im Leibniz-IWT aktuell eine Hybridfertigungszelle zum kombinierten Kaltgasspritzen und Fräsen aufgebaut und in Betrieb genommen. Das Kaltgasspritzen ermöglicht dabei im Vergleich zu bestehenden Pulverbett-Systemen einen sehr schnellen und großvolumigen Materialauftrag, welcher flexibel über eine robotergeführte Spritzkanone realisiert wird und damit auch die Herstellung komplexer Bauteilgeometrien erlaubt. Da der Arbeitspunkt des Kaltgasspritzens unterhalb der Schmelztemperatur des Pulverwerkstoffs liegt, weisen die damit hergestellten Bauteile einen geringen thermischen Verzug auf. Komplementiert wird die Anlage durch eine 5-Achs-Fräsmaschine zur spanenden Bearbeitung der Bauteile. Über ein gemeinsames Spannsystem lassen sich Bauteile referenziert zwischen beiden Anlagenteilen bewegen, so dass etwaige zwischengeschaltete Messschritte zur Erfassung der Bauteilkontur vermieden werden. Perspektivisch wird die gesamte Prozesskette der Herstellung in einem digitalen Zwilling abgebildet, so dass sich der jeweils aktuelle Aufbauzustand und die wesentlichen Werkstoff-, Oberflächen- und Geometrieeigenschaften im Sinne einer „werkstoff­orientierten Produktion“ zu jeder Zeit nachverfolgen lassen.

Der Vortrag im Rahmen der Veranstaltungsreihe „Leibniz-IWT Live“ stellt das Konzept der Hybridfertigungszelle im Leibniz-IWT sowie deren digitaler Abbildung vor und gibt einen ersten Einblick in Versuche zur Herstellung und Nachbearbeitung von Stahlsubstraten aus etablierten (316L) und im Leibniz-IWT neu entwickelten Legierungen resp. Pulvern (FeTiB, FeMnAlC).