Der Einsatz additiver Fertigungsmethoden in der Industrie hat in den vergangenen zehn Jahren stark zugenommen. Das zeigt die erhöhte Bereitschaft vieler Unternehmen, in diese Technologie zu investieren. Das gilt nicht nur für den 3D-Druck allgemein, sondern insbesondere für die additive Fertigung von Metallen.
Im Folgenden beleuchten wir zentrale Themen und Fragestellungen rund um das Thema 3D-Druck in der metallbearbeitenden Industrie:
Die aktuell am häufigsten verwendeten additiven Fertigungsverfahren sind:
Wir bei CERATIZIT setzen unter den verschiedenen Druckverfahren auf das Selective Laser Melting (SLM), weil sich damit insbesondere Bauteile von hoher Festigkeit und sehr guter Materialdichte herstellen lassen. Speziell für die Produktion von Werkzeuggrundkörpern in kleinen bis mittleren Los-Größen eignet sich das SLM-Verfahren.
Die wesentlichen Vorteile additiver Fertigung von Metallen liegen auf der Hand: Das Verfahren ermöglicht eine hohe Flexibilität und maximale Designfreiheit bei der Konstruktion - nicht nur im Prototypen-Bau, sondern zunehmend auch in der Serienfertigung.
Was mit herkömmlichen subtraktiven oder Gusstechnologien nicht möglich ist, schaffen wir mit dem additiven Metalldruck. Das Verfahren ermöglicht uns, Produktionsschritte zusammenzufassen und damit komplexe Werkzeuge für den Fertigungsprozess mit höherem Mehrwert für unsere Kunden zu produzieren oder auch kniffelige Bauteile zu realisieren, an die sich sonst keiner herantraut.
Bevor wir uns für die Herstellung mittels 3D-Druck entscheiden, betrachten wir die Idee für ein Bauteil oder eine Baugruppe zunächst ganz genau: „Anhand einer Checkliste prüfen wir Punkt für Punkt kritisch, ob ein klarer Mehrwert durch Additive Fertigung erkennbar ist. Wenn das der Fall ist, wird die Idee weiterverfolgt,“ erläutert Karl-Heinz Edelmann die Herangehensweise.
Im nächsten Schritt folgt die additive Konstruktion. Die Gestaltungsfreiheiten des 3D-Drucks voll auszuschöpfen ist uns wichtig, um einen möglichst hohen Mehrwert zu erreichen. Ist beispielsweise die Konstruktion in Druckrichtung weitgehend selbsttragend, werden kaum Stützen benötigt. Das wiederum spart Material und Bearbeitungszeit und reduziert die Nacharbeit der Oberflächen nach dem Druck.
Unter den Metallen werden Aluminium und Stahl am häufigsten beim 3D-Druck verwendet, wobei die Werkzeugstähle eine wichtige Gruppe darstellen. Darüber hinaus kommen auch Materialien wie Kobalt-Chrom, Inconel und Titan zum Einsatz.
Für die Herstellung von Werkzeuggrundkörpern für Zerspanungswerkzeuge setzen wir auch gerne martensitaushärtenden Werkzeugstahl ein. Er zeichnet sich durch eine hohe Zugfestigkeit und Zähigkeit aus. Auch eine Wärmebehandlung mit geringem Verzug ist einfach durchzuführen. Theoretisch lassen sich sämtliche für 3D-Drucker genutzte Materialien recyceln. Generell können beim pulverbettbasierten Verfahren die gebrauchten Pulver wieder mit neuem Pulver vermischt und erneut der additiven Fertigung zugeführt werden. Bei uns geschieht das ohne nennenswerte Qualitätseinbußen.
So werden unsere PKD Werkzeuge im 3D-Drucker hergestellt:
Additive Verfahren gibt es heute mit zahlreichen Materialien. Der Begriff 3D-Kunststoff beschränkt die Betrachtung dieser Technologie ausschließlich auf die Polymer- und Harz-basierten 3D-Druckverfahren. Aufgrund günstiger Materialien und Drucker ist der 3D-Druck von Kunststoffen ein beliebtes Einstiegsverfahren in der additiven Fertigung, insbesondere in der Makerszene.
Mit gleicher Dynamik wie diese Szene, entwickeln und realisieren auch wir regelmäßig neue Produkte. Ein wichtiges Einsatzfeld sind Fertigungshilfsmittel und Vorrichtungen. Unser Experte Karl-Heinz Edelmann erklärt, warum gerade hier Kunststoffe zum Einsatz kommen: „Es gilt immer abzuwägen, ob Bauteile aus Stahl, bezüglich Festigkeit erforderlich sind. Der Grundsatz heißt: So fest wie nötig! Fertigungshilfsmittel aus Kunststoff haben konkrete Vorteile: Die Verletzungsgefahr beim Umgang mit ihnen ist oft geringer. Auch das geringere Gewicht im Vergleich zu Stahl ist beim Handling durch Personen von Vorteil.“
Und noch ein wichtiger Aspekt ist zu beachten: Vorrichtungen aus Kunststoff verhinderten Beschädigungen beim Kontakt mit Hartstoffen, etwa bei Werkzeugschneiden von Zerspanungswerkzeugen.
Eine fertig konstruierte Vorrichtung aus dem 3D-Drucker kann bei Bedarf in Losgröße 1 erneut hergestellt werden. Durch kurze Lieferzeiten, geringe Herstellkosten sowie kurze Reaktionszeiten bei Modelländerungen lassen sich damit auch Produktions- und Lagerkosten reduzieren.
Einsatzbereiche additiver Fertigung von Kunststoffen
Kostenvorteile von additiver Fertigung sehen wir hauptsächlich dort, wo die normale Fertigung besonders aufwendig ist, beispielsweise wenn viel Material spanabhebend bearbeitet werden muss. Insbesondere durch die bereits erwähnte konstruktive Designfreiheit können Funktionsmerkmale im Entwicklungsprozess bei Bedarf auch mehrfach angepasst werden. Für unsere Kunden bedeutet das einen deutlichen Mehrwert in Bezug auf Kosten und Zeiteinsparung.
Andere Elemente wie Schaft oder Werkzeugtrennstelle stellen wir zerspanend her und fügen sie später als Komponente mit dem additiv gefertigten 3D-Druck zusammen. So entsteht ein hybrides Teil zum attraktiven Preis.
Der 3D-Druck eröffnet uns neue technische Möglichkeiten, durch die wir bestehende Grenzen klassischer Herstellungsverfahren überwinden, beispielsweise mit dem Druck von Span- und Kühlkanälen, Werkzeugen mit einer höheren Anzahl von Schneiden und mehr Freiheitsgraden in der konstruktiven Gestaltung.
„Wenn konventionelle Werkzeugsysteme an ihre physikalischen Grenzen stoßen, bietet uns der 3D-Druck neue Möglichkeiten, um unseren Kunden eine maßgeschneiderte Lösung für ihre spezifische Bearbeitungssituation zu bieten,“ freut sich unser Experte Patrick Schreiber. Durch die hohen Freiheitsgrade des Verfahrens lassen sich beispielsweise Kühlkanäle, Schneiden-Anzahl, Stabilität und Gewicht eines Werkzeugs der jeweiligen Bearbeitungssituation anpassen.
Oft sind die Bauteile zudem sehr dünnwandig und haben höchste Ansprüche an die Genauigkeit. Das führt bei konventionellen Lösungen oft zu Schwingungen während des Bearbeitungsprozesses. Genau hier setzen wir an: „Mit unseren modularen Werkzeugsystemen sind schnelle Lieferzeiten bei bester Werkzeugqualität möglich,“ erklärt unser Experte Patrick Schreiber. Dabei arbeiten wir nach einem Baukastenprinzip. Das Grundgerüst des Werkzeugs ist bereits so definiert, dass es lediglich um den kundenindividuellen 3D-gedruckten Aufsatz erweitert werden muss. Unsere Lieferzeiten haben wir damit deutlich verkürzt und darüber hinaus sind jetzt Werkzeuglösungen möglich, die im Bereich der Kräfte- und Gewichtoptimierung neue Maßstäbe setzen.
Noch ist 3D-Druck mit Metall relativ teuer, deswegen gibt es vorwiegend hybride Lösungen. Nur da, wo es auch tatsächlich einen Mehrwert gibt, setzen wir auf die additive Fertigung. Unsere Kunden können nach wie vor zwischen Subtraktionsverfahren, Hybridverfahren und 3D-Druck-Verfahren wählen.
Wenn es um individuelle Werkzeuglösungen für die Serienfertigung geht, sind unsere Experten gefragt. Hier erläutern sie, warum hybride Tools eine wichtige Rolle spielen.