Additiv gefertigte Werkstuecke auf Bauplattform

Additiv gefertigte Teile, noch auf der Bauplattform. Bereits das Entpulvern, viel mehr noch aber das Abtrennen der Werkstücke ist bislang eine Domäne der Handarbeit. - Bild: werkzeug&formenbau

| von Richard Pergler

Oft ist es nicht nur das Verfahren an sich, außerdem spielt das Marketing der Anlagenhersteller ebenso eine Rolle wie Kunden, die ausgerechnet im Werkzeugeinkauf ihr Geld verdienen wollen. 

Dass additive Technologien in vielen Bereichen Vorteile bringen, ist unbestritten. Trotzdem ist die Zahl der Werkzeug- und Formenbauer, die diese Verfahren regelmäßig nutzen, immer noch relativ klein. Das liegt zum Teil am Absolutheitsanspruch, mit dem die Hersteller additiver Anlagen einst auf den Markt drängten: Additive Technologie sollte alles andere komplett ersetzen. Formen und Werkzeuge sollten überflüssig werden. Und damit auch die Werkzeug-, Formen- und Modellbauer. Denn die Teile sollten fix und fertig aus dem Drucker fallen. In optimaler Qualität.

Das ist zum Glück eine Utopie. Auch heute noch. "Fertig" geht anders. Die meisten Werkstücke aus additiver Fertigung benötigen heute noch Nacharbeit. Egal, ob sie aus Kunststoff oder Metall bestehen. Stützstrukturen müssen entfernt oder Oberflächen nachgearbeitet werden. Zwar ist die Qualität der Teile aus additiver Produktion inzwischen recht hoch. Und sie wird in Zukunft weiter steigen. Aber ohne manuelle Arbeitsschritte geht es auch heute im "additive manufacturing" nur selten.

Manueller Eingriff bei additiv-gefertigten Werkstuecken
Manueller Eingriff: Von Hand werden additiv gefertigte Werkstücke von ihren Supports getrennt und in Bezug auf ihre Oberfläche nachbearbeitet. - Bild: joke

In Kunststoff werden schon größere Lose additiv gefertigt

In Kunststoff werden auch heute schon durchaus auch einmal größere Stückzahlen im fünfstelligen Bereich additiv gefertigt. Hier ist man schon sehr weit in Richtung industrieller Produk­tion gegangen. Und dieser Trend wird in den kommenden Jahren auch weiter laufen. Die Domäne der Kunststoff-3D-Drucker liegt indes derzeit bei den kleinen Losgrößen. Der Klassiker im indus­triellen Bereich sind Prototypen. Viele davon werden in Stückzahlen zwischen 1 und 10 gefertigt. Hier kann der 3D-Druck deutlich schneller sein als die konventionelle Herstellung in einer Spritzgießform. Ab einer bestimmten Losgröße ist aber das Spritzgießen deutlich wirtschaftlicher. Wo der Schnitt ist, hängt sehr stark vom Werkstück ab.

Auch additive Verfahren für Metallwerkstücke haben sich inzwischen weit entwickelt. Es gibt inzwischen zahlreiche Anwendungen in der Praxis. Das zeigt, dass an einem Einsatz des Metall-3D-Drucks in vielen Bereichen der Fertigung großes Interesse besteht. Insbesondere in der Automotive- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch in der Medizintechnik werden bereits zahlreiche Metallprodukte "gedruckt". So lassen sich etwa individualisierte Produkte oder schnell verfügbare Ersatzteile realisieren. Aber auch schnell verfügbare maßgeschneiderte Vorrichtungen und Lehren. Diese Einsatzfelder werden sich in nächster Zeit auch noch deutlich ausweiten.

Vorreiter leisten Pionierarbeit für die Branche

Und um es klar zu sagen: Einige Vorreiter der Werkzeug- und Formenbaubranche – von Toolcraft über den Werkzeugbau des Medizintechnik-Spezialisten Aesculap, Wolfgang Faßnacht Werkzeug- und Formenbau, den Ingenieursdienstleister Jell bis zu den Unternehmen der Hofmann Innovation Group, von Phoenix Contact über Käfer Werkzeugbau und Lamy Werkzeugbau bis hin zu den Werkzeugbauten der Automotive-OEM und einige weitere – setzen additive Technologien inzwischen regelmäßig ein und haben sich dazu entsprechend fundiertes Know-how aufgebaut. Allerdings: Gemessen an der Gesamtbranche sind es deutlich zu wenige. Denn der Nutzen liegt auch hier auf der Hand.

Trends µ-genau: Automation als Schlüssel

Die 3D-Anlage, die das Werkstück (speziell das aus Metall) einbaufertig ausspuckt, lässt sich heute nur in Einzelfällen und mit großen Zugeständnissen beispielsweise an Kriterien wie der Oberflächenqualität wirtschaftlich realisieren. Allerdings sind die unterschiedlichen Hersteller und ihre Partner bereits recht weit, was teilautomatisierte Arbeitsschritte angeht. So lassen sich beispielsweise das Entfernen des überflüssigen Metallpulvers (Entpulvern) und das Reinigen, aber etwa auch Entnahmevorgänge per Roboter erledigen. Manche Arbeitsschritte wie das saubere Entfernen von Stützstrukturen lassen sich oft jedoch nach wie vor nur händisch ausführen. Während man softwareseitig die additive Prozesskette recht gut im Griff hat, ist bei der Hardware das "Davor" und das "Danach" nach wie vor eine Herausforderung. 

Im Werkzeug- und Formenbau, aber auch für die Modell- und Prototypenbauer steht allerdings ein Anwendungsgebiet im Vordergrund, das nicht auf schnelle Bauteilerstellung oder die kleine Losgröße abzielt. Ein weiterer Vorteil der meisten additiven Fertigungsverfahren ist nämlich die hohe Gestaltungsfreiheit bei der Geometrie. So lassen sich beispielsweise in Spritzgießwerkzeugen und in Druckgussformen konturnahe Kühlungen realisieren, die zerspanend schlicht nicht herstellbar sind. Zwar ist solch eine konturnahe Kühlung in der Herstellung heute oft noch deutlich teurer als ihr konventionelles Pendant. Im Spritzgieß- oder Druckgussprozess kann sie indes die Werkzeugtemperierung maßgeblich optimieren, die Zykluszeiten signifikant verkürzen, die Bauteilqualität verbessern und so jede Menge Geld einsparen. Viel mehr, als die höheren Kosten ausmachen. Ein hochinteressanter, weil wirkungsvoller Hebel für profitable Prozesse. Der trotzdem viel zu selten eingesetzt wird. Warum ist das so?

Stützstrukturen automatisch restlos entfernen
Stützstrukturen automatisch restlos entfernen – in den meisten Fällen ist das heute noch Utopie. Aber es gibt bei den Herstellern verschiedene Ansätze, die genau in diese Richtung gehen. - Bild: werkzeug&formenbau

Ein Grund ist, dass Einkäufer oft nur die Kosten sehen und nicht die Potenziale solcher Extras. Deshalb bleiben derartige Vorteile oft ungenutzt. Eine weitere Ursache liegt darin, dass viele Werkzeugbauer derzeit noch die Investition in additive Anlagen und Systeme scheuen, weil sie die Auswirkungen und den Nutzen, aber auch die Risiken dieser Technologien nicht einschätzen können.

Von mangelnder Dichtigkeit bis hin zur Delamination additiv erstellter Gefüge – die Erinnerung an die Horror-Ausschussteile aus den ersten Stunden des metallischen 3D-Drucks sind bei vielen noch sehr präsent. Dabei haben sich die generativen Verfahren in den vergangenen Jahren rasant weiterentwickelt. Das Materialgefüge 3D-gedruckter Teile unterscheidet sich in seinen Eigenschaften heute oft nur noch unwesentlich von dem geschmiedeter Werkstücke.

Das sagt die Redaktion

Das Risiko nicht beim Werkzeugbauer abladen

Die additiven Technologien sind heute in der Regel reif für eine prozesssichere und prozessstabile Produktion. Werkstücke aus dem 3D-Drucker stehen oft in ihren Materialeigenschaften denen, die aus Schmiederohlingen zerspanend gefertigt werden, in nichts nach. Trotzdem neigen Einkäufer nicht nur der OEM dazu, zwar die Vorteile generativer Komponenten in den Werkstücken – etwa kürzere Zykluszeiten oder eine höhere Produktqualität – gern mitzunehmen, das Risiko aber vollumfänglich beim Werkzeugbauer zu verorten. Fair ist das nicht. Leider. Denn: Fairness bringt beiden Seiten Vorteile. Wenn der Kunde das Engagement seines Werkzeugmachers entsprechend honoriert, ist das eine vielversprechende Basis für eine dauerhaft gute Partnerschaft, von der alle langfristig profitieren können. Wichtig ist, dass der Einkäufer nicht die billigste Lösung sucht. Sondern die nachhaltig und wirtschaftlich beste.  Richard Pergler

Wissenslücken verhindern den Einsatz additiver Verfahren

Das Wissen über die Potenziale additiver Verfahren ist jedoch sehr lückenhaft. Und solange die Vorteile ausschließlich beim Kunden liegen, die realen oder vermuteten Risiken aber allein auf den Werkzeugbauer abgewälzt werden, sehen viele Werkzeugbauer auch keine Veranlassung, sich mit dieser Technologie zu befassen.

Zumal die Anlagen für die additive Metallbearbeitung nach wie vor oft ein Fremdkörper in etablierten Prozessketten sind. Drehen, Fräsen, sogar Erodieren – all das lässt sich in der Fertigung inzwischen zu einem hohen Grad automatisieren. Aus Insellösungen wurden im Bereich konventioneller Prozessketten längst komplette Fertigungszellen mit vollautomatischen Abläufen. Die einzelnen Prozesse der Fertigung verwenden jeweils den gleichen Werkstücknullpunkt, es gibt eine hohe Datendurchgängigkeit.

Automatisierte additive Fertigungsanlagen von Trumpf
Bisher sind komplett automatisierte additive Fertigungsanlagen noch weitestgehend Zukunftsmusik – hier eine Studie von Trumpf. - Bild: Trumpf

All das steckt im Bereich der additiven Fertigung noch in den Kinderschuhen. Nullpunktspannsysteme gibt es dort noch so gut wie gar nicht. Das Handling der offenen Metallpulver-Werkstoffe war aus guten Gründen – etwa die Lungengängigkeit, aber auch Entzündbarkeit verschiedener Metallpulver – an große Aufwände geknüpft. Das Wechseln der Werkstoffe an der Anlage gleicht auch heute noch in vielen Fällen einem Weltraumaußeneinsatz – aufgrund der Ganzkörperschutzanzüge und der vielen Faktoren, die zu beachten sind.

Erste Entwicklungen zur Vereinfachung des Handlings

Hier gibt es erste Entwicklungen, die das Handling deutlich vereinfachen. So werden bei einigen Systemen inzwischen die Werkstoffe in hermetisch verschlossenen Kartuschen eingewechselt, die verhindern, dass Metallpulver in die Umgebung gelangt. In manchen dieser Anlagen sollen solche Kartuschen sogar automatisch vom gleichen Roboter gewechselt werden können, der sonst für das Werkstückhandling zuständig ist. Theoretisch zumindest. Denn auch Anlagen mit automatischem Werkstückhandling sind in der Praxis noch extrem selten. 

Das hat seinen Grund: Offenbar erst seit einigen Jahren machen sich die Hersteller additiver Anlagen ernsthaft Gedanken über das "Davor" und das "Danach". Inzwischen sind erste praxisrelevante Ansätze vorhanden: So forcieren 3D Systems und GF Machining Solutions die Entwicklung eines Konzepts, das mit einem einheitlichen Nullpunktspannsystem die Brücke zwischen abtragender und aufbauender Fertigungswelt schlagen soll. Auch Laserpionier Trumpf will mit seinen Spannlösungen für Durchgängigkeit sorgen. Diese Unternehmen sind Vorreiter für den industriellen Einsatz additiver Verfahren.

DMP Factory 500
Die DMP Factory 500: Das System, das vor etwa einem Jahr aus der Zusammenarbeit zwischen GF Machining Solutions und 3D Systems entstand, ist eine der wenigen Fertigungslösungen, die die Vorzüge additiver und zer­spanenderer Fertigung vereinen. - Bild: GF Machining Solutions/3D-Systems

Richtungsweisende Ansätze

Ansätze, die in die richtige Richtung gehen. Sie stehen aber noch längst nicht flächendeckend zur Verfügung. Das aber ist Voraussetzung für einen Durchbruch auf breiter Front. Diese Technologie wird sich erst dann auf breiter Basis in den Prozessketten etablieren können, wenn die generative Anlage genauso selbstverständlich zwischen Drehmaschinen und Bearbeitungszentren stehen kann wie heute beispielsweise die Erodieranlage. Und wenn sie sich auch genauso einfach bedienen und genauso selbstverständlich in "normale" Prozessketten einbinden lässt. Ganz auf Augenhöhe mit den zerspanenden Herstellungsverfahren. Erst dann, wenn sich die Verfahren frei wählen und beliebig kombinieren lassen, können die Vorteile der jeweiligen Technologie optimal ausgereizt werden. vg