Hybridfertigung & Die Zukunft des 3D-Drucks in der Produktion 

Wo bleibt mein per 3D-Druck hergestelltes Auto?

Ganz zu schweigen von meinem 3D-gedruckten Haus, meiner 3D-gedruckten Kleidung oder meinem 3D-gedruckten Smartphone.. Der 3D-Druck sollte der größte technologische Game Changer seit dem PC werden. Aber was haben wir stattdessen in den letzten drei Jahrzehnten bekommen? Hauptsächlich Plunder, Kunstprojekte, Prototypen und gelegentlich einige medizinische oder luftfahrttechnische Produkthighlights.

Wann werden wir endlich das volle Potential der additiven Fertigung in Aktion erleben? 

Nun ja- vielleicht bin ich hier ja auch ein wenig ungerecht.

Denn wenn Sie an den letzten International Manufacturing Technology Shows (IMTS) teilgenommen haben, konnten Sie das Wachstum des industriellen 3D-Drucks hautnah miterleben. In relativ kurzer Zeit haben wir  einen Entwicklungssprung von der Herstellung von PLA-Prototypen mit zusammengeschusterten Desktop-Einheiten hin zu Teilen in Produktionsqualität auf industrietauglichen 3D-Druckern vollzogen.

Wenn Sie denken, dass wir an die Grenzen dessen stoßen, was der 3D-Druck für die Massenproduktion leisten kann, dann stellen Sie sich jemanden vor, der 1974 geneigt gewesen wäre, dasselbe über Computer zu behaupten. Technologien brauchen Zeit, um zu reifen – und wie menschliche Teenager neigen sie dazu, Phasen zu durchlaufen, die nicht immer intuitiv nachvollziehbar sind.

Denken Sie nur einmal an die Hybridfertigung.

Was ist die Hybridfertigung?

Der einfachste Weg, die Hybridfertigung zu verstehen, ist die Kombination aus additiven Prozessen – 3D-Druck, im Produktionskontext als Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) bekannt – und subtraktiven Prozessen, wie z.B. Fräsen. Während viele Objekte durch eine Kombination dieser Prozesse hergestellt werden – und die Häufigkeit solcher Objekte konstant steigt -, ist das entscheidende Kriterium für die Hybridfertigung, dass beide Prozesse an derselben Anlage stattfinden.

Ein Teil, das auf einem 3D-Metalldrucker gedruckt, zur Verbesserung seines Finishings oberflächenbehandelt und von seiner Bauplatte durch Drahterodieren separiert wird, wäre ein beeindruckendes Beispiel moderner Fertigungstechnik, aber es könnte nicht als Beispiel für die Hybridfertigung herhalten. Dementsprechend wird die Anzahl der per Hybridfertigung hergestellten Teile noch relativ gering sein. Die Technologie ist noch recht neu, selbst für eine so junge Branche wie den 3D-Druck.

Und doch, ähnlich wie beim 3D-Druck, haben die potenziellen Vorteile der Hybridfertigung einige frühe Anwender sehr optimistisch in Bezug auf die Zukunftsaussichten der Technologie gestimmt. Michael Sealy, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Werkstofftechnik an der University of Nebraska-Lincoln, ist einer von ihnen.

“AM ermöglicht Ihnen, Ihre jeweils gewünschten mechanischen Eigenschaften Schicht für Schicht oder Zone für Zone drucken zu können”, sagte er. “Das ist ein nicht zu unterschätzender Vorteil, daher denke ich, dass hybrides AM in den nächsten Jahren explodieren wird, angesichts des gewaltigen Potenzials dieser Technologie.” 

Hybride Bearbeitungsformate und -prozesse

Obwohl Hybridanlagen ein noch relativ seltenes Phänomen sind, ist es zum Verständnis der Materie hilfreich, sie in unterschiedliche Typen einzuteilen. Die grundlegendste Unterscheidung ist die zwischen serienmäßigen Hybridanlagen und additiven Modifikationen für konventionelle Werkzeugmaschinen.

Zu den wichtigsten Akteuren in der Werkzeugmaschinenindustrie, die hybride Optionen anbieten, gehören DMG MORI, ELB-Schliff, Matsuura, Mazak, Mitsui Seiki und Okuma. Weniger bekannte Unternehmen mit Hybridoptionen sind Diversified Machine Systems, Fabrisonic und Optomec.

Die Möglichkeiten für additive Modifikationen an Werkzeugmaschinen sind begrenzter. Entsprechende Lösungen werden angeboten von Hybrid Manufacturing Technologies (HMT) und 3D-Hybrid Solutions, Inc. Wir haben ersteres Unternehmen schon einmal in einem früheren Artikel behandelt, während das letztere ein relativer Newcomer ist. In beiden Fällen handelt es sich bei der Kerntechnologie um ein oder mehrere 3D-Druckwerkzeuge aus Metall, die so konzipiert sind, dass sie parallel zum Standardsatz subtraktiver Werkzeuge arbeiten, die zur Standardausrüstung von Werkzeugmagazinen gehören.

Obwohl Hybrid-Add-Ons so konzipiert sind, dass sie unabhängig zugekauft und installiert werden können, beginnen einige Werkzeugmaschinenhersteller, sie als Standardoptionen anzubieten, darunter ELB-Schliff, Mazak und – im Falle von HMT – Mitsui Seiki. Der Gründer von 3D-Hybrid Solutions, Karl Hranka, bestätigte, dass sein Unternehmen auf dem gleichen Weg ist: “Wir arbeiten mit einigen unserer frühen Kunden daran, ihre Anwendungen weiterzuentwickeln, und beginnen gerade damit, als engagierter Entwickler von AM-Produktionswerkzeugen mit diversen Werkzeugmaschinenherstellern zusammenzuarbeiten.”

Über diese grundlegende Unterscheidung hinaus lassen sich die verfügbaren Optionen für die Hybridfertigung auch in Bezug auf die zugrundeliegenden additiven Technologien unterteilen. Dazu gehören die Direkte Energieabscheidung (Directed Energy Deposition, DED), das Draht-Lichtbogen-Spritzen (Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM), das Kaltspritzen (Cold Spray, CS) und die Ultraschall-Herstellung (Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM) von Fabrisonic. Es bestehen wichtige Unterschiede zwischen diesen Technologien, und jeder Hersteller von hybriden Werkzeugmaschinen setzt auf ein jeweils anderes Pferd, sozusagen, so dass es sich lohnt, sich diese Technologien einmal im Detail anzusehen.

Direkte Energieabscheidung (Directed Energy Deposition, DED)

Bei der gerichteten Energieabscheidung wird Pulver in ein Schmelzbad eingespeist, das auf der Oberfläche eines Objekts mit einem Laser- oder Elektronenstrahl erzeugt wird. Der Prozess ist im Wesentlichen derselbe wie beim Selektiven Lasersintern (Selective Laser Sintering, SLS), mit der Besonderheit, dass das Pulver nur dort aufgetragen wird, wo dem Teil zum jeweiligen Zeitpunkt Material zugeführt werden soll.

Titan, Edelstahl, Aluminium und andere schwer zerspanbare Metalle gehören zu den DED-kompatiblen Materialien. Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes – zumindest bei einigen der high-end Multitasking-Maschinen der LASER EX-Serie von Okuma und einigen Optionen von 3D-Hybrid Solutions – ist die Möglichkeit, Härtungsaufgaben mit dem Laser der Anlage durchzuführen.

Abhängig vom verwendeten Material erfordert DED oft, dass die ganze Baukammer mit Schutzgas gefüllt wird. Bei einigen hybriden Werkzeugmaschinen jedoch – wie beispielsweise dem LASERTEC 65 3D Hybrid von DMG MORI und dem LASERTEC 4300 3D Hybrid – kann ein lokal zugeführtes Schutzgas ausreichen, um das Schmelzbad abzuschirmen und die Materialeigenschaften besser zu kontrollieren.

Die AMBIT-Köpfe von HMT nutzen die Lasermetallabscheidung (Laster Metal Deposition, LMD), einen Subtyp von DED. Die Angebote von ELB-Schliff, Mazak und Mitsui Seiki sind daher alle DED-basiert. Die lasergestützte Net Shaping (LENS)-Technologie von Optomec, die auf den Hybrid-Werkzeugmaschinen LENS 500 und LENS 860 zum Einsatz kommt, wird ebenfalls zu DED gezählt.

Draht-Lichtbogen-Spritzen (Wire-Arc Additive Manufacturing, WAAM)

Während DED am besten für Teile geeignet ist, die ein höheres Maß an Präzision oder Genauigkeit erfordern – die Pulverbett-Schmelzung (Powder Bed Fusion, PBF) ist noch genauer und präziser, jedoch bis jetzt keine Option für hybride Werkzeugmaschinen – kann WAAM beim Thema Abscheideraten punkten.

“Mit unserer Drahtbogenlösung liegen wir je nach Legierung bei etwa zwei bis fünf Pfund pro Stunde”, sagte Hranka. “Wir glauben, dass wir schneller werden können, aber wir befinden uns noch im Prozess der Optimierung.”

Das DMS Huron Peak Hybridsystem basiert auf der Drahtbogen-Technologie mit Abscheideraten von drei bis fünf Pfund pro Stunde. Es ist außerdem erwähnenswert, dass Draht-Lichtbogensysteme keine inerte Umgebung erfordern, obwohl sie aus Sicherheitsgründen wie jedes Lichtbogenschweißverfahren abgeschirmt werden müssen. Peter Gratschmayr, Senior Sales Engineer bei Midwest Engineered Systems (MES), erklärte weiter, was WAAM von anderen Additivsystemen unterscheidet: 

“Diese Technologie konkurriert nicht mit anderen Technologien der laseradditiven Fertigung”, sagte er, “denn die sind für detailliertere, kleinere Objekte gedacht. Es kostet am Ende zwischen 12 und 25 Dollar pro Unze Pulver, um ein Teil herzustellen, denn man muss normalerweise mit einem Ausschuss von 20 Prozent rechnen, sodass also nicht das gesamte Pulver verwendet wird.”

“Die andere Sache, die wir beachten müssen, ist, dass wir Material mit dem 15- bis 20-fachen Gewicht des Pulvers auftragen”, so Gratschmayr weiter. Wir können Teile herstellen, die bis zu 42 Meter lang, sechs Meter breit und zwei Meter hoch sind und sie bei einer Wiederholgenauigkeit von etwa 20 bis 30 Tausendstel halten.”

Kaltspritzen (Cold Spray, CS) 

Kaltspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, das ursprünglich für Wellenbeschichtungsanwendungen entwickelt wurde, heute aber in der Hybridfertigung eingesetzt wird. 3D-Hybrid Solutions bietet zwei Kaltsprühwerkzeugköpfe an, einen für die Bearbeitung härterer Legierungen und einen lasergestützten für die Hochgeschwindigkeitsabscheidung.

Das Kaltspritzverfahren ging aus der Technologie des thermischen Spritzens hervor, aber im Gegensatz zu thermischen Spritzverfahren, die üblicherweise Metallpulver schmelzen, halten Kaltspritzverfahren die Metallpulver in einem festen Zustand.

“Wir könnten bis zu 80 Prozent des Schmelzpunktes erreichen”, erklärt Tom Woods, Director of Business Development bei VRC Metal Systems. “Es ist ein weiches Pulver, also anstatt das Metall zu verflüssigen und zu sprühen – was keine sehr starke Bindung schafft – sprühen wir das Pulver durch eine Ultraschalldüse, die es auf etwa Mach 2 oder Mach 3 beschleunigt.”

“Das verformt die Metallpartikel beim Aufprall”, fuhr er fort, “und sie scheren sich in das Metallsubstrat ein, auf das man sie spritzt. Dadurch erhalten Sie eine metallurgische Verbindung, nicht nur eine mechanische. Am Ende erhalten wir üblicherweise eine Bindungsfestigkeit von mehr als 8.000 psi, weniger als ein Prozent Porosität und bei der Zugfestigkeit – beispielsweise bei Titan – haben wir über 80.000 psi erreicht.”

Ultraschall-Additivherstellung (Ultrasonic Additive Manufacturing, UAM)

UAM wurde von Fabrisonic entwickelt und basiert auf einer Technologie, die es bereits seit den 1950er Jahren gibt: dem Ultraschallschweißen. “Wir haben ein patentiertes Design einer Walze, die sich über die Folie hin und her bewegt und beim Rollen vibriert, was die Scheuerwirkung erzeugt, die wir benötigen, um die Bindung zu schaffen”, erklärte Mark Norfolk, Präsident und CEO von Fabrisonic.

“Das Tolle am Ultraschall ist seine niedrige Arbeitstemperatur”, fuhr er fort. “Ein Objekt muss nicht über 200° F erhitzt werden. Die Materialeigenschaften bleiben also vollständig erhalten. Sie können auch unterschiedlich beschaffene Metalle im gleichen Objekt kombinieren, ohne intermetallische Verbindungen zu bilden oder ungewollte metallurgische Konsequenzen zu bewirken.”

Fabrisonic nimmt serienmäßige CNC-Fräsen und ergänzt sie um die Schweißkopftechnologie aus eigener Herstellung. “Da wir eine CNC-Fräse haben, verwenden wir Standard-G-Code, um die Maschine anzutreiben. Wir drucken dünne Folien nebeneinander und dann übereinander in einem Dachziegelmuster, um eine dreidimensionale Form zu erzielen.” Mit Hilfe dieser Technik können die Hybridanlagen mit dem Schweißkopf Objekte endkonturnah bedrucken und dann Schneidwerkzeuge für die subtraktive Arbeit einsetzen. 

Hybrid Manufacturing Applications

Solcherlei Technologietheorie ist schön und gut, doch die ewige Frage in der Fertigung bleibt bestehen: Worin besteht der Anwendungsbereich der Technologie?

“Wie bei der Zerspanungstechnik sind die Anwendungen vielfältig: Luft- und Raumfahrt, Medizin, Werkzeugbau, viele verschiedene Bereiche”, erläuterte Hranka. “Der Metall-3D-Druck ist eine neue Technologie, und jeder, der sie einsetzt, steht vor der Herausforderung einer adäquaten Werkstoffqualifizierung. Wir konzentrieren uns darauf, sehr schnell zu drucken und die Stärken der CNC-Maschine zu nutzen.”

Dies wirft einen wichtigen Punkt auf: Die beiden wichtigsten Industrien für den 3D-Metalldruck sind derzeit die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik. Die Arbeit in diesen Branchen erfordert die Einhaltung strenger Vorschriften, und in Bezug auf die Additive Fertigung kann das bedeuten, dass nicht nur die Eignung eines Teils, sondern auch die des Prozesses, des Materials und der Maschine bewertet werden muss. Die Fähigkeit, Metalle zu beschichten und neue Legierungen zu entwickeln, ist zweifellos spannend, aber solcherlei Begeisterung wird angesichts der Last der Branchenregulierung schnell getrübt.

Ungeachtet solcher Bedenken sind die Einsatzmöglichkeiten für die Hybridfertigung in der Tat vielfältig und verlockend. Dr. Sealy hat an einer besonders interessanten Anwendung für die medizinische Implantatindustrie gearbeitet:

“Wann immer man sich einen Knochen bricht, bekommt man entweder ein Implantat aus Titan, Edelstahl oder Kobaltchrom verpasst”, erklärte er. “Wir sprechen hier von Platten, Schrauben und Stangen. Das Problem ist, dass diese im Körper zu langfristigen Komplikationen führen können. Ich selbst habe zwei Schrauben in meinem Ellbogen, die mir Schmerzen verursachen, wenn ich einen Satz Milch trage oder die Waschmaschine entlade. Deshalb empfehlen Orthopäden oft, das Implantat nach sechs bis acht Wochen herauszunehmen.

Wir dachten: “Anstatt diese ganze, erneute Operationsprozedur zu durchlaufen, lassen Sie uns ein Implantat herstellen, das sich selbst abbaut”, und so verwendeten wir die hybride Additive Fertigung, um beeinflussen zu können, wie schnell sich dieser Prozess vollzieht. Wir können dadurch nämlich wir die Abbaurate so anpassen, dass sie sich sehr schnell für jemanden vollzieht, der jünger ist und noch wächst, oder wesentlich langsamer für jemanden, der älter ist und Knochengewebe nicht so schnell regeneriert. Die Hybridfertigung ermöglicht es uns, anzupassen, wie schnell sich ein Implantat abbaut, und das erreichen wir, indem wir einfach die Art und Weise der Herstellung variieren.”

Selbst die vergleichsweise alltäglichen Anwendungen der Hybridfertigung sind beeindruckend, wie uns Hranka erklärte. “Wir kombinieren unser System mit Takumi USA und nutzen so die Stärken ihrer Maschinentechnik, die in diesem Fall im Bereich Werkzeug- und Formenbau zum Einsatz kommt. So können wir beispielsweise Gussformen reparieren und winkelgetreue Kühlkanäle oder sogar aufgepanzerte Gussformen drucken, um ihre Lebensdauer zu verlängern.”

Jason Jones, CEO und Mitbegründer von Hybrid Manufacturing Technologies, stimmt zu. “DED ist in der Tat ideal für Reparaturen und Wiederaufarbeitungen, und ziemlich ausgereift für diese Art von Anwendungen”, sagte er. “Tatsächlich gibt es noch eine gängige Anwendung zwischen diesen beiden Haupt-Anwendungsarten, nämlich die Wiederbearbeitung, also das gezielte Hinzufügen von nur geringen Mengen an Material.”

Tom Cobbs, LENS Product Manager bei Optomec, betonte außerdem die Vorteile der Hybridbearbeitung für Reparaturanwendungen und die Wiederbearbeitung. “Wir können ein Teil scannen”, sagte er, “es mit einer CAD-Zeichnung vergleichen und dann die Beschichtung reparieren – egal ob es sich um eine verschleißfeste Beschichtung auf der Außenfläche oder eine Korrosionsbeschichtung auf einer Innenbohrung für ein Ventil oder eine Rohrleitung handelt. Angenommen, Sie haben ein bestehendes Teil und möchten ihm ein Feature hinzufügen. Sie können dann das Original erst per Zerspanung bearbeiten und ihm dann etwas hinzufügen – zum Beispiel haben wir eine Stange genommen, ihre Größe reduziert und dann ein Beschlagteil auf das Ende aufgedruckt.”

Hybridanlagen im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Druckern

Bei hybriden Werkzeugmaschinen stellt sich die offensichtliche Frage, ob es wirklich notwendig ist, additive und subtraktive Prozesse in einer einzigen Anlage zusammenzuführen. Da wir bereits viele eigenständige subtraktive Optionen haben, immer mehr eigenständige Metalladditivoptionen auftauchen und Palettenwechselsysteme in Hülle und Fülle auf dem Markt sind, worin besteht der Vorteil, alles in einer Maschine unterzubringen (abgesehen davon, dass man natürlich Produktionsfläche einspart)? 

“Dies ist der Kern der Herausforderung, die ich Leuten zu erklären versuche, die in die Hybridfertigung einsteigen wollen”, sagte Dhruv Bate, Associate Professor an der Arizona State University. “Wenn die Anlage nicht in der Lage ist, für mich alles in einem einzigen Schritt zu vollziehen – das heißt, sowohl Abscheidung als auch Auftragung – dann sehe ich keinen Vorteil darin, in eine Hybridmaschine zu investieren, denn in einem solchen Fall ist es sehr wahrscheinlich, dass ich noch weitere nachgelagerte Operationen benötige, um mein Teil wirklich produktionsreif zu machen.”

Dr. Sealy bot uns eine andere Perspektive: “Um die Hybridfertigung an einem reaktiven Material durchzuführen – zum Beispiel bei der Bearbeitung eines Magnesiumteils – muss man die Brennbarkeit von Spänen und Pulver berücksichtigen”, sagte er. “Sie müssen also eine inerte Umgebung während aller Verarbeitungsschritte sicherstellen, im Gegensatz zur ursprünglichen Methodik von Teildruck, temporärer Entfernung des Teils und anschließender Wiedereinlage in den Drucker.”

Hranka betonte auch die Vorteile, die es hat, zwischen additiven und subtraktiven Operationen wechseln zu können, ohne dabei das Werkstück bewegen zu müssen. “Beim Pulverbettdruck können Sie keine Live-Bearbeitungen durchführen”, sagte er. “Sie können Ihr Teil lediglich komplett drucken und während des Druckprozesses nicht neu konfigurieren. Mit der Hybridtechnik können Sie den Druckvorgang stoppen, das Teil bearbeiten und den Druckprozess dann fortsetzen. Ich stelle es mir immer wie die Herstellung eines Schiffchens in einer Flasche vor: Die Technik versetzt einen in die Lage, erst die Flasche und das Schiff drucken zu können, beide präzise zu bearbeiten, um die Oberfläche und die Segel des Schiffes zu bilden, und erst dann die schließende Flasche zu drucken. Es gibt keine Möglichkeit, ein Schneidwerkzeug in ein Teil zu bekommen, das vollständig geschlossen ist.”

Jones wies auf den Vorteil hin, dass die Technologie in gewissem Maße die Ausrüstungsbedürfnisse von Produzenten konsolidiert, insbesondere wenn Kapitalaufwand im Unternehmen ein empfindliches Thema sind. “Ein Unternehmen in Südamerika, das ich besucht habe, stellt seit geraumer Zeit ein Produkt her, das eine herkömmliche Vorerhitzung erfordert, bevor Metall durch manuelles Schweißen hinzugefügt werden kann”, sagte er. “Mit unserer Technologie werden sie diesen Schritt komplett überspringen können. Das Unternehmen wird den Investitionsbedarf für die Produktion ihrer Teile beinahe halbieren, indem es auf einen Single-Setup-Ansatz setzt. Es arbeitet an Gussteilen aus einer Gießerei, die auf eine hybride All-in-One-Maschine aufgeführt werden – und was bisher aus drei oder vier verschiedenen Aufbauten bestand, wird nun in einer einzigen Anlage zusammengeführt.”

Additive & Subtraktive Fertigung – Endlich vereint

So sehr ich es mir auch wünschen mag, die Hybridfertigung wird mir in naher Zukunft wahrscheinlich keine 3D-gedruckten Autos, Häuser, Kleider oder Smartphones verschaffen. Was sie jedoch mit ziemlicher Sicherheit bewirken wird, ist, die Art und Weise zu ändern, wie wir wichtige Komponenten aus der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik sowie der Werkzeug- und Formenindustrie entwerfen, herstellen, reparieren und wiederbearbeiten. Wie auch die Metalladditivherstellung im Allgemeinen hat die Akzeptanzrate der Hybridfertigung in der Automobilindustrie noch keinen echten Senkrechtstart hingelegt, aber ihre Einfachheit und die relativ niedrigen Kosten, kombiniert mit der einfachen Zugänglichkeit, die – in vielen Fällen – mit der Möglichkeit der Verwendung vertrauter Systeme und Software einhergeht, legen nahe, dass diese Technologie die beste Option sein könnte, um die Metalladditivherstellung in die Massenproduktion zu führen.

Interessiert am Metall-3D-Druck?

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