Die generativen Technologien stehen an der Schwelle zur Serienfertigung. Die Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren im DVS und die VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) hatten zu einem Forschungsseminar in die Handwerkskammer Düsseldorf geladen, in dem der Stand der Technik ebenso beleuchtet wurde wie die neuesten Trends und Entwicklungen.

„Mit generativen Verfahren lassen sich sehr komplexe Geometrien herstellen“, erklärte Professor Andreas Gebhard von der FH Aachen in seinem Überblick über „die unbekannten Verwandten“ gängigerer Bearbeitungstechnologien. „So lassen sich unter anderem innere Hohlräume in Bauteilen herstellen, etwa für konturnahe Kühlungen in Werkzeugen.“ Gebhard stellte die unterschiedlichen Verfahren sowohl im Kunststoff-Bereich als auch für die Verarbeitung von Metallen vor, eine kurze Bewertung der einzelnen Technologien rundete den Überblick ab. Als Haupthindernis für den Einsatz in der Serienfertigung identifizierte Gebhard die Prozessstabilität und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse: „Die am Markt verfügbaren Verfahren eignen sich in der Regel dazu, quasi unter Laborbedingungen einzelne Werkstücke herzustellen“, betont Gebhardt. „Aber in der Serie, wo ein Teil exakt so sein muss wie das andere, gelten deutlich höhere Anforderungen.“

Noch viel Optimierungsbedarf
„Seit Beginn der 1990er Jahre werden bei BMW generative Verfahren eingesetzt, unter anderem bei Prototypen, mit denen sich die geometrische Integration von Komponenten ins Fahrzeug überprüfen lässt. Nicolai Skrynecki von der BMW-Group erörterte den Reifegrad der Prozesse für die Serienfertigung. „Die Robustheit der Prozesse, aber auch die Qualitätssicherung müssen für einen Serien­einsatz deutlich weiterentwickelt werden“, betont er. „In Sachen Wirtschaftlichkeit haben die Verfahren Optimierungsbedarf, die Oberflächen eignen sich aktuell nicht für den Sichtbereich, es wird aber an Lösungen gearbeitet. Auch über die Lebensdauer generativ gefertigter Komponenten ist wenig bekannt.“

Auch bei der Festo AG&Co. KG in Esslingen beschäftigt man sich bereits sehr lang mit generativen Technologien. Festo hat durchaus bereits Kunststoffbauteile in Stückzahlen bis 12 000 gefertigt – binnen nur zwei Wochen und zu einem Drittel preiswerter als ein entsprechendes Spritzgießteil. „Das lässt sich aber nicht verallgemeinern“, erklärt Klaus Müller-Lohmeier von Festo. „Ob generative Fertigung wirtschaftlich ist, hängt immer vom jeweiligen Bauteil ab.“ Und davon, was vom Werkstück erwartet wird. Gesicherte Werte für Festigkeit oder Biegebelastung sind Mangelware, dazu kommen Probleme, wie sich etwa das Restmaterial aus Hohlräumen entfernen lässt oder wie sich die immer wieder gleiche Qualität reproduzierbar erzielen lässt. „Auf den ersten Blick trivial“, räumt Müller-Lohmeier ein. „Aber es gibt noch sehr viele offene Fragen.“ Und noch sehr viel Optimierungspotenzial: „Im Metallbereich sind die Bauzeiten noch sehr lang“ erklärt Müller-Lohmeier. „Deshalb lohnt hier eine generative Fertigung derzeit nur bei sehr geringen Stückzahlen.“

Wilhelm Meiners vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen beleuchtete das Selective Laser Melting in Bezug auf die Tauglichkeit in der Serienproduktion. Das Verfahren findet im Werkzeugbau Anwendung, ebenso für Funktionsprototypen und Individualwerkstücke. „Individuelle Werkstücke in Serienfertigung sind beispielsweise Zahnersatz oder künstliche Hüftpfannen“, erklärt Meiners. „Das Verfahren schmilzt das Material komplett auf, deshalb sind Dichten bis zu 99,9 Prozent erzielbar.“ Allerdings gibt es auch hier Defizite in der Oberflächenqualität, Probleme in Sachen Genauigkeit und Verzug sind noch nicht optimal gelöst, Prozesskontrolle und Reproduzierbarkeit sind weitere Schwachpunkte. „Hier lassen sich beispielsweise mit einer gezielten Temperaturführung im Prozess deutlich bessere Ergebnisse erzielen“, erläutert Meiners. „Aber auch andere Materialien werden sich künftig mit diesem Verfahren bearbeiten lassen.“

Marktanforderungen wachsen
Die „Baustelle SLM“ schilderte Dieter Schwarze aus der Perspektive des Anlagenherstellers MTT Technologies in Lübeck: „Die Marktanforderungen an Bauteile und Anlagen wachsen stetig“, erklärte er. „Und die Grenzen verschwimmen – ist eine Anwendung noch Rapid Prototyping oder doch schon Rapid Manufacturing?“ Neben Anforderungen an Prozesskontrolle und Präzision steht bei Serienfertigung insbesondere die Möglichkeit zur Automatisierung im Vordergrund. Bei den Anlagen sieht Schwarze zwei Trends: Einerseits zu sehr spezialisierten Systemen etwa zur Fertigung von Zahnimplantaten, andererseits zu sehr universell einsetzbaren Anlagen mit hoher Leistungsfähigkeit.

Das sagt die Redaktion

Noch viele Hausaufgaben
Die generativen Fertigungsverfahren stehen an der Schwelle zur Serienfertigung – einzelne Anwender wie Festo beweisen bereits, dass sich für bestimmte Werkstücke auch Serien im fünfstelligen Bereich lohnen. Zumindest im Kunststoffbereich. Im Metallbereich beschränkt die noch sehr niedrige Baugeschwindigkeit die wirtschaftlichen Einsatzmöglichkeiten auf sehr geringe Losgrößen. Ein Haupthindernis für den Einsatz in der Serienfertigung ist derzeit noch die Prozessstabilität. Hier ist von Anlagenbauern wie Anwendern derzeit noch sehr viel Pionierarbeit zu leisten. Ein sinnvoller Weg, um breite Forschungsansätze zu ermöglichen, wären offene Systeme. Leider scheint der Trend bei den Anlagenherstellern zur Zeit nicht in diese Richtung zu führen – hier wird viel Potenzial verschenkt.
Richard Pergler

Korngrößen im µ-Bereich
Generative Fertigung in kleinsten Dimensionen präsentierte Horst Exner vom Laserinstitut Mittelsachsen in Mittweida: „Beim Laserstrahl-Mikrosintern ist Ziel, mit Korngrößen im Sub-µ-Bereich Schichten zu erstellen, deren Stärke im einstelligen µm-Bereich liegt“, erklärt er. „So wird Stufenbildung wirksam verhindert.“ Die Arbeit in diesem Größenbereich erfordert freilich eine ganz eigene Anlagentechnik: „Wir arbeiten mit sehr kurzen, intensiven Laserpulsen und müssen extrem dünne Schichten gleichmäßig auftragen“, erläutert er. „Das erfordert eine vergleichsweise lange Bauzeit.“ Es lassen sich nahezu alle gängigen Metalle verwenden, auch in Kombination – so lassen sich dünnste Schichten in Werkstücken realisieren.

Die Festigkeitsmöglichkeiten Metallischer Werkstoffe in der generativen Fertigung beleuchtete Frank Palm von EADS Deutschland Bereich Forschung (Innovation Works) in München. „Wie schon beim Aufkommen der Pulvermetallurgie bei der Herstellung von Werkzeugstählen lassen sich auch hier im Pulverbett-basierten Werkstoffaufbau noch enorme Potenziale erschließen“, erklärte Palm. „Allerdings ist es noch sinnvoller, Werkstoffe gezielt für die direkte Fertigungskette neu zu entwickeln.“ Sich allein auf vorhandene Serienwerkstoffe und deren Chemie zu beschränken, ist seiner Meinung nach nicht ausreichend. „Für die zerspanende Werkzeugfertigung sind die Werkstoffe exakt definiert – bis hin zur Festlegung, wie das Material erschmolzen werden muss“, erläuterte Palm. „Ein per generativer Fertigung zu einem Bauteil verschmolzener, schichtweise aufgebauter Werkzeugstahl aber hat ein ganz anderes Gefüge als der gleiche Werkstoff als Schmiedematerial.“

Auch Jan T. Sehrt von der Universität Duisburg-Essen bestätigte, dass beim Thema Werkstoffe noch deutlicher Nachholbedarf herrscht. „Im Vergleich zur konventionellen urformenden oder spangebenden Fertigung sind für generative Fertigungsverfahren nur wenige qualifizierte Werkstoffe verfügbar“, erklärte er. „Hier muss jeder Werkstoff zunächst in die gewünschte Pulverform gebracht und anschließend das optimale Prozessfenster für seine Verarbeitung bestimmt werden.“ In langen Versuchsreihen wurden im RTC der Universität Duisburg-Essen Parameter wie Scangeschwindigkeit, Spurabstand oder Fokuslage beim Strahlschmelzen variiert, um für einzelne Materialien wie Hastelloy X die optimalen Werte zu ermitteln. Selbst der Wechsel von einer Anlage auf die eines anderen Herstellers bei sonst gleichbleibenden Parametern kann völlig unterschiedliche Ergebnisse erzielen.

In langen Versuchsreihen werden an der Universität Duisburg-Essen die optimalen Parameter ermittelt. Während das Gefüge oben links nicht optimal ist, zeigt der Versuch unten deutlich verbesserte Strukturen. Auch verschiedene Materialien lassen sich beim Laserstrahl-Mikrosintern problemlos miteinander verbinden.

Generative Technologien sind in Bezug auf Verformungen und Eigenspannungen eine Herausforderung: „Im Prinzip gibt es in jedem Werkstück eine Vielzahl von kleinen Schweißnähten, die sich gegenseitig beeinflussen“, erklärt Gregor Branner vom iwb der TU München. „Wegen der hohen Abkühlraten entsteht ein überwiegend martensitisches Gefüge.“ Erkenntnisse zum Prozess werden bislang überwiegend in Versuchen gewonnen. „Für eine hinreichend genaue Simulation zur Prozessauslegung müssen sehr viele Faktoren untersucht werden“, erläutert Branner. „Im Verbundprojekt SimuSint werden Vorhersagen über die erreichbare Prozesssicherheit und die Bauteilqualität getroffen.“ So wurden beispielsweise unterschiedliche Scanstrategien untersucht – regelmäßig versus stochastisch verteilt: „Hier ergibt die Simulation für die stochastische Strategie deutlich geringere Spannungen“, erklärte Branner. „Die Validierung der Simulationsergebnisse mit Versuchen zeigte eine hohe Übereinstimmung.“

Zahlreiche Faktoren sind zu beachten
Professor Peter Köhler von der Universität Duisburg-Essen untersuchte Anforderungen an funktions- und fertigungsgerechte Produktionsmodelle für generative Herstellungsverfahren. „Zahlreiche Faktoren und Randbedingungen sind zu beachten –  so werden Form- und Lagetoleranzen, Oberflächeneigenschaften, Maßhaltigkeit von unterschiedlichsten Parametern beeinflusst“, erklärt er. „Die Fertigungsplanung erledigt bisher oft der Maschinenbediener nebenher – und dabei wird viel Poten­zial verschenkt.“ Denn Veränderungen bei der Lage oder der Orientierung im Bauraum können ebenso nachhaltige Folgen haben wie Veränderungen in der Supportstruktur. „Deshalb“, so Köhler, „ist eine weitere Qualifizierung der Fertigungsplanung und der Aufbau durchgängiger Prozessketten unerlässlich.“

Mit dem oft als „schwierig“ empfundenen Feld der Normung befasste sich Sabine Sändig, Geschäftsführerin des Günther-Köhler-Institutes für Fügetechnik und Werkstoffprüfung in Jena. „Derzeit existiert eine große Vielzahl an unterschiedlichen Verfahren, Prozessen und Prozessketten nebeneinander, es gibt zahlreiche einsetzbare Fertigungsverfahren und Materialien, die kaum eine Vergleichbarkeit zulassen“, erklärte sie. „Der Übergang von der Prototypen- zur Serienfertigung stellt ganz neue Anforderungen. In der Serienfertigung sind Normen unerlässlich.“

Nachdem im Dezember 2009 die VDI-Richtlinie 3404 zu generativen Fertigungsverfahren vorgelegt werden konnte, wird derzeit an den Entwürfen zweier neuer Richtlinien zum Lasersintern von Kunststoffen und Strahlschmelzen von Metallen gearbeitet. Ziel ist außerdem, die VDI 3404 in eine DIN EN ISO Norm zu überführen und so den Internationalen Normungsprozess aktiv zu gestalten.

In der Ausbildung nur Insellösungen

Was aber nutzen all die schönen neuen Technologien, wenn niemand sie optimal nutzen kann? Professor Claus Emmelmann von der TU Hamburg-Harburg verweist darauf, dass es in Deutschland bislang an keiner Hochschule einen Schwerpunkt-Studiengang zum Thema gibt. „Bislang existieren nur Insellösungen in diversen Bachelor- und Masterstudiengängen“, betont er. „Die Umsetzung der neuen Fertigungsketten in der Industrie basiert derzeit meist auf der Weiterbildung von Mitarbeitern, beispielsweise bei den Schulungen der Hersteller.“ Hier gilt es, entsprechende Schulungs- und Ausbildungskonzepte zu entwickeln und dem Einsatz generativer Verfahren so den Weg zu ebnen. Eine lebhafte Diskussion zu Impulsen für die Weiterentwicklung des Technologiefeldes rundete die gelungene Veranstaltung ab.

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Auf so manche Prototypenbauer kommen schwere Zeiten zu. Davon ist Carl Fruth, Inhaber und Kopf der FIT GmbH in Parsberg, überzeugt: „In Zukunft wird es für versierte Hobbyisten kein Problem mehr sein, beispielsweise kleinere Anschauungsmuster in Kunststoff, aber auch in Metall zu fertigen“, ist er überzeugt. „Im Internet lassen sich heute schon für ein paar hundert Euro Bausätze für 3D-Drucker ordern – damit und mit der richtigen Software lassen sich schon ganz ordentliche Ergebnisse erzielen, die denen professioneller Systeme kaum nachstehen.“

Bei FIT haben die Verantwortlichen nicht zuletzt deshalb bereits sehr früh die Weichen auch in Richtung Fertigung größerer Stückzahlen gestellt. „Hier gelten deutlich andere Gesetze als im Prototypenbau“, betont er. „In der Serienfertigung muss eine stets gleichbleibend hohe Qualität über die gesamte Charge garantiert werden. Und das ist gerade bei generativen Technologien alles andere als trivial.“ Werkstücke aus Kunststoff, die als technische Bauteile Verwendung finden sollen, werden in der generativen Fertigung in erster Linie aus Thermoplasten erzeugt – die organischen Werkstoffe verhalten sich jedoch in der Verarbeitung sehr komplex. „Beim Spritzgießen ist in der Regel ein Zyklus wie der andere – und trotzdem ist der Prozess alles andere als trivial“, erklärt Fruth. „In der generativen Fertigung per Laser jedoch gibt es keine konstanten Prozessbedingungen: Jede Schicht dauert unterschiedlich lang, die Temperatur und Konsistenz der Schichten variiert sehr stark. Beim Auftrag einer neuen Schicht werden die Materialien großen und kaum kalkulierbaren Belastungen ausgesetzt. Diese Verarbeitung ist alles andere als optimal, eine Qualitätssicherung unter diesen Bedingungen eine gewaltige Herausforderung.“

Konstante Ergebnisse
Genau das ist indes die Krux: „Für den Serienfertiger sind exakt beherrschbare Materialeigenschaften, eine konstante Prozessführung über die gesamte Serie und die immer wieder gleichen nachprüfbaren Ergebnisse die Basis, auf der alles andere aufbaut. Das spielt im Prototypenbau indes nur eine untergeordnete Rolle“, betont Fruth. „Damit sind die heutigen Anlagen im Kunststoffbereich, die allesamt auf den Prototypenbau ausgerichtet sind, für eine Serienfertigung kaum geeignet.“

Deshalb entwickelt Fruth in seinem Tochter-Unternehmen Sintermask für die Serienfertigung in Kunststoff eine eigene Technologie – das Selective Mask Sintering (SMS). Dabei wird das Kunststoffpulver von einem „Powdershuttle“ kontrolliert aufgebracht und zusätzlich verdichtet. Um stets konstante Ausgangsbedingungen zu schaffen, bringt das Shuttle die Oberfläche zudem bei jedem Beschichtungsvorgang auf eine exakt definierte Temperatur. Das Aufschmelzen des Werkstoffs erfolgt dann nicht per Laser, sondern via Infrarotstrahler. Eine Maske, die für jede Schicht neu erstellt wird, bestimmt darüber, welche Partien belichtet werden und welche nicht.

Das sagt die Redaktion

Bald reif für die Serie?
„Rapid“ – das klingt ein bisschen nach „quick and dirty“. Nach empfindlichen Prototypen, nach stufigen Musterteilen, die nicht für Endkunden gedacht sind. Inzwischen bieten die Technolo­gien, speziell im Metall-Bereich, indes deutlich mehr. So werden generativ gefertigte Implantate längst in menschlichen Patienten „verbaut“ – oft auch auf Lebenszeit. Wenn es um kleine Serien geht, können Lasersintern und EBM klassische Verfahren wie beispielsweise Feinguss um Längen schlagen. Und so manches Teil lässt sich überhaupt nur generativ fertigen. Im Kunststoffbereich ist der Weg zur Großserienfertigung noch deutlich länger – Kunststoffe reagieren deutlich sensibler als Metalle, ihr Prozessfenster ist deutlich kleiner. Deshalb hat die SMS-Technologie durchaus Charme – man darf auf die ersten Maschinen gespannt sein.
Richard Pergler

Während der Werkstoff bei lasergestützten Technologien punktweise in Sekundenbruchteilen aufgeschmolzen wird und wieder erstarrt, lässt sich beim SMS die komplette Baufläche auf einmal aufschmelzen: „Statt Zeiten im Mikrosekundenbereich haben wir bis zu einer Sekunde zum langsamen Aufschmelzen – so lässt sich weit materialschonender arbeiten“, erklärt Fruth. „Und vor allem mit reproduzierbarer Qualität.“

Die ersten SMS-Vorserienmaschinen erwartet Fruth bereits gegen Ende dieses Jahres. „Per SMS lassen sich schnell, prozesssicher und präzise auch größere Stückzahlen an Kunststoffteilen herstellen“, erklärt Fruth. „Das Verfahren hat das Zeug dazu, ein ernsthafter Wettbewerber zum klassischen Spritzgießen zu werden.“ Und mehr: „Wir können auch problemlos mit Kunststoffbinder ummanteltes Metall- und Keramikpulver verarbeiten“, ergänzt Fruth. „So lassen sich über Entbindern und Sintern auch Metall- und Keramikwerkstücke mit diesem Verfahren herstellen.“ Deutlich näher an der Serienfertigung sind generative Technologien im Metallbereich: „Hier sind die Verfahren inzwischen weit prozesssicherer und damit auch für Serienwerkstücke besser geeignet“, erklärt Fruth. „Das Metallgefüge steht dem bei Guss oder auch Schmiedematerial nicht nach. Eine Herausforderung ist indes, die Prozesse so auszulegen, dass in den Werkstücken keine Spannungen auftreten.“ Konventionelle Laser-Maschinen kranken an ihrem relativ kalten Bauraum: Der Laser erhitzt das Material nur punktuell, so können unkontrolliert Spannungen entstehen. „Nicht zuletzt deshalb ist für uns das Elektronenstrahl-Verfahren (EBM) vielversprechender – da ist der gesamte Bauraum aufgeheizt.“

Zudem werden EBM-Anlagen immer präziser, die schlechte Oberflächenqualität ist inzwischen Vergangenheit. Und dank aufgeteilter Elektronenstrahlen lassen sich sehr viele Punkte gleichzeitig bearbeiten, was die Baugeschwindigkeit drastisch erhöht. „Wir bauen auf unseren EBM-Anlagen unter anderem auch Implantate für die Wirbelsäule in Serien bis zu 200 Teile pro Jahr“, erklärt Fruth. „Gerade in kleineren Stückzahlen ist hier inzwischen die generative Fertigung auch in der Serie wettbewerbsfähig und kann dem Feinguss durchaus Paroli bieten. Ich erwarte mir insbesondere aus dem EBM-Bereich in den kommenden Jahren noch einen deutlichen Entwicklungsschub. Das Verfahren hat jedenfalls enormes Potenzial.“

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Das größte Tiefbohrzentrum in Mitteldeutschland soll bis 2011 in Leimbach entstehen: Das Unternehmen Vario-Metall wurde vor drei Jahren als Dienstleister für Tiefbohrungen gründete. Dort sind seit kurzem die zwei Tiefbohr-Fräszentren von Samag im Einsatz in der 4-Seiten-Komplettbearbeitung, das erste seit April 2009. Im September 2009 kam die zweite Maschine hinzu, das neu entwickelte TFZ 3-1500 für Bohrtiefen bis 1800 mm. Mit diesen Bearbeitungszentren ist die 4-Seiten-Komplettbearbeitung mit Konturen- und Taschenfräsen sowie Gewindebohrungen möglich.

„Etwas Risiko ist beim Kauf einer Neuentwicklung sicher dabei“, erklärt Thomas Müller, Geschäftsführer bei Vario-Metall. Für ihn überwiegen die Vorteile allerdings deutlich: „Eine Neuentwicklung macht nur dann Sinn, wenn sie die beste am Markt verfügbare Lösung als Ergebnis hat. Da ich bereits Erfahrungen mit der Arbeit des Entwicklerteams hatte und deren Qualität kannte, war für mich auch das Risiko kalkulierbar. Mit den TFZ haben wir nun den ,State of the Art‘ der Tiefbohrtechnik in unserem Maschinenpark.“

Aufgrund der bestehenden Kontakte fand bereits bei den Entwicklungsschritten ein intensiver Dialog statt, etwa bei den statischen und dynamischen FEM-Berechnungen, die an allen im Kraftfluss befindlichen Teilen ausgeführt wurden. Die so erzielte höhere Stabilität führt zu besserer Seitenbearbeitung und gesteigerter Fräsqualität, was sich besonders bei hohen Werkstücken zeigt. Samag hat hier eine spezielle Stützkonstruktion des Bohrarms verwendet, die auch bei höheren Werkstücken das sichere Fräsen ermöglicht.

Diese Ergebnisse zeigen sich selbst im Dauereinsatz, nicht zuletzt aufgrund der großen Spindelaufnahme in SK 50. Die Stabilität der Konstruktion bleibt so auch bei größeren Bohrdurchmessern erhalten, so dass die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung auch hier möglich ist. Das Fräsen wird quasi als weiterer Arbeitsgang per Werkzeugwechsel an das Bohren angeschlossen.

Extrem steife Maschinenstruktur
Mit der TFZ-Baureihe sind aufgrund der extrem steifen Maschinenstruktur Bohrtiefen bis 2800 mm und Bohrdurchmesser bis 65 mm möglich. Mit der neuesten Maschine, der TFZ 3-1500, werden Bohrtiefen bis 1800 mm und Bohrdurchmesser bis 40 mm erreicht. Die Spindelantriebsleistung beträgt 17  kW im Dauerbetrieb und 20 kW bei 40 Prozent Einschaltdauer; so sind Spindeldrehzahlen bis 6000 min-1 und das für gute Fräsleistungen benötigte hohe Drehmoment von 210 beziehungsweise 310 Nm (S1- und S6-Betrieb) erreichbar. Im Unterschied zur kleineren TFZ2-1000 ist optional für die TFZ3-1500 ein 2-Gang-Schaltgetriebe erhältlich, das im S1-Betrieb (100 Prozent Einschaltdauer) ein Drehmoment von 648 Nm bereitstellt.

Für die Fräsbearbeitung wird die Späneschleusenpatrone via Schnellwechselsystem entfernt, die Kombinationsspindel taucht in eine zusätzliche Abstützung am vorderen Ende der Bohr-Fräseinheit. Diese Abstützung nimmt die beim Fräsen entstehenden Querkräfte auf.

Drehbare Achse im Rundtisch
Die Eilgänge der vier Linearachsen erreichen 20 m/min. Mit der TFZ 3-1500 lassen sich Gewinde bis M 30 bohren, mittels Zirkularfräsen sind auch größere Gewinde möglich. Im Fräsbetrieb werden pro Minute 300 cm3 abgetragen. Zur Bearbeitung mehrerer Seiten wird eine drehbare Achse benötigt. Bei den TFZ ist dies ein um 360° schwenkbarer Rundtisch: Er misst in der TFZ3-1500 1800 x 1800 mm und ist mittig mit bis zu 15 t belastbar. Die Software für den reibungslosen Prozess bietet neben der Prozessüberwachung die Tiefbohr-Technologieprogramme, Fräszyklen und die Koordinatentransformation.

Für die TFZ gibt es optionale schwenkbare Bohr-/Fräseinheiten mit einem Schwenkbereich von –25° bis +15°. Die Reichweite der Bohrbuchse respektive der Spindelnase beträgt rund 800 mm über der Tischkante. In Kombination mit dem NC-Rundtisch ermöglicht sie die Bearbeitung unter zwei Winkeln; die TFZ wird damit universell verwendbar. Für noch mehr Stabilität sind zwei mitfahrende Stützlünetten möglich. Zusätzlich kann ein Wechsler für konventionelle Werkzeuge eingesetzt werden. Als Kontrollfunktionen stehen eine Überwachung auf Werkzeugbruch sowie die Kontrolle von Kühlmitteldruck und -fluss zur Verfügung. Im Kühlkreislauf fließen bei der TFZ3-1500 pro Minute 115 l Kühlmittel mit bis zu 90 bar Druck.

Demonstration im Echtbetrieb
Die räumliche Nähe zwischen Samag und Vario-Metall ermöglicht Synergien: „So können Samag-Interessenten die Tiefbohr-Fräszentren bei uns im Echtbetrieb vor Ort besichtigen“, erklärt Müller. Der Bereich Tiefbohrtechnik umfasst bei Samag neben der TFZ-Baureihe für kubische Werkstücke auch Maschinen für rotationssymmetrische Werkstücke in 1- bis 6-spindliger Ausführung als Einzelmaschine oder mit automatisierter Be- und Entladung.

„Mit der jetzigen Lösung können wir unseren Kunden zuverlässige Angaben zur Auftragsabwicklung machen, ohne dabei von anderen abhängig zu sein“, betont Müller. „Auf diese Verlässlichkeit, zu der auch die Erstellung eines Angebots inklusive verbindlicher Termine und Preise innerhalb eines Tages gehört, legen wir größten Wert.“

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Ein wunder Punkt bei der Herstellung von Werkzeugen für das Kunststoff-Spritzgießen ist stets die Temperierung der Kavitäten. Sie entscheidet mit über Zykluszeit und Ausschuss und damit letztlich über die Produktivität einer Serie. Traditionell gefertigte Kühlsysteme zeigen hier die bekannten Schwachstellen: Die Abstände zwischen formgebender Kontur und meist linear gebohrten Kühlkanälen schwanken, die Energieableitung erfolgt ungleichmäßig, die dabei verursachten internen Spannungen im Spritzling schaden seiner Stabilität. Außerdem ist der Durchfluss in konventionellen Kanalsystemen selten harmonisch, da sich in fertigungsbedingten Tot-Zonen rasch Schmutz absetzt, der zu Engstellen oder gar Staus führt

Beim Einsatz lasergesinterter Werkzeugeinsätze lassen sich solche Negativfaktoren weitgehend ausschließen. Denn das Schichtbauverfahren erlaubt es dem Werkzeug-Konstrukteur, die Kühlkanäle konturnah – also im idealen Abstand zur formgebenden Kontur – zu verlegen, ihre Querschnitte abschnittsweise anzupassen und ihren Verlauf mit Blick auf die Formteilung oder Entlüftung zu optimieren.

Optimierte Temperierung
Beim Tooling-Dienstleister FKM Sintertechnik weiß man um diese Vorteile. Nicht zuletzt um der wachsenden Nachfrage nach Werkzeugen mit optimierter Temperierung nachzukommen, hat das Unternehmen nun seine Kapazitäten um eine weitere Lasersinter-Anlage vom Typ EOS M 270 erweitert.

„Wir verfügen jetzt über drei leistungsfähige Sinteranlagen mit Bauräumen von bis zu 220 x 220 x 280 mm, mit denen wir kleine und mittelgroße Spritzgieß-Werkzeuge aus Edelstahl, vergütetem Werkzeugstahl und Aluminium vollautomatisch fertigen können“, erläutert Jürgen Blöcher, der FKM seit 1994 gemeinsam mit Harald Henkel leitet. Mit den lasergesinterten Einsätzen lassen sich auch Großserien von mehreren Millionen Kunststoffteilen produzieren.

Über die nahezu freie Auslegung der Temperierkanäle in den lasergesinterten Werkzeugeinsätzen erschließt der Werkzeugbauer dem Spritzgieß-Anwender eine ganze Reihe weiterer Vorteile. Denn die konturnahe Kanalführung erhöht nicht nur die mechanische Qualität des Spritzlings, sondern führt darüber hinaus auch zu einer verbesserten Produktivität in der Serienfertigung: Der Spritzgieß-Prozess wird dank der harmonisierten Energieableitung präziser kontrollierbar, und die Zykluszeiten lassen sich verkürzen. Außerdem erhöht sich die Standzeit des Werkzeugs und die Ausschussquote sinkt.

„Aus Beobachtungen wissen wir, dass sich die Zykluszeiten um bis zu 60 Prozent reduzieren lassen und ein Ausschuss von fast Null durchaus erreichbar ist“, erklärt FKM-Unternhemens-leiter Jürgen Blöcher. „Im konkreten Fall eines Werkzeugeinsatzes für eine Kunststoff-Rolle konnte die Zykluszeit von 27 auf 14s gesenkt werden. Daraus lässt sich eine erhebliche Kosten­erspar-nis ableiten.“

Typische Beispiele für die erfolgreiche Anwendung lasergesinterter Metall­einsätze mit optimierter Temperierung sind Spritzgieß-Werkzeuge für die Serienproduktion von Pkw-Interieur-Teilen oder Bauteilen für Küchengeräte. „Bis auf die Größe setzt uns das Lasersintern derzeit kaum geometrische Grenzen“, erläutert Jürgen Blöcher. „Eine Ausschussquote von nahezu Null ist nicht mehr unmöglich.“

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Beim BMW-Werk Berlin werden vier Motorradbaureihen mit insgesamt 14 verschiedenen Modellen gebaut. Rund 96.000 Motorräder rollen pro Jahr vom Band. Neue Entwicklungen im Bereich Fahrwerk werden vom Prototypenbau realisiert. Während jedoch in der abschließenden Serienfertigung der Maschinen die Qualitätskon­trolle von ausgewiesenen Prüfspezialisten in einem speziellen Messraum durchgeführt wird, nehmen im Fahrwerk-Prototypenbau die Fertigungsmitarbeiter die Prüfung während der Herstellung der Bauteile selbst vor.

Der 6-Achsen-Messgelenkarm ­AMPG von Zett Mess in den Ausführungen 36 und 24 wird in Kombination mit dem Prüfsystem PowerInspect bei der Prüfung der Fahrwerk-Prototypenteile wie beispielsweise Rahmen, Tanks, Kickständer und Verkleidungshalter eingesetzt.

Bis zu fünf Prüfdurchgänge nötig
Die von der BMW-Entwicklungsabteilung in Auftrag gegebenen Prototypen werden geschweißt. Schweißverzüge von 3 mm sind dabei die Regel und müssen in einem sich stetig wiederholenden Prozess aus Schweißen – Prüfen – Korrigieren – Prüfen eliminiert werden. Die Toleranzen im Fahrwerk-Prototypenbau liegen im Zehntelmillimeter-Bereich. Hinzu kommt, dass die BMW-Entwicklungsingenieure während der Bauphase Modifizierungen vornehmen, die von der Fertigung realisiert und anschließend geprüft werden müssen.

Bis zu fünf Prüfdurchgänge sind für ein Prototypenbauteil erforderlich. Jeder Arbeitsschritt wird in PowerInspect gespeichert. Die Messprotokolle der Prüfsoftware dokumentieren dabei jede Modifikation. So ist klar erkennbar, in welche Richtung ein Punkt verschoben werden muss, um eine bestimmte Änderung zu realisieren. Die Prüfberichte in PowerInspect können vom Benutzer nach eigenen Maßgaben definiert und in Echtzeit als Tabelle, Diagramm oder Grafik ausgegeben werden. Auf Wunsch lassen sich in den Protokollen transparente oder schattierte Modelle einsetzen und so die Aussagekraft der Prüfergebnisse erhöhen.

Ausgangspunkt jedes neuen BMW-Fahrwerk-Prototyps ist die Zeichnung des Bauteils in Form einer CAD-Datei. Auf Basis dieser CAD-Daten schweißt die Fertigung den ersten Entwurf und führt inklusive sämtlicher Prüfdurchgänge den gesamten Produktionsprozess bis zum fertigen Prototypen durch. Liegt ein Entwurf als CAD-Daten vor, ist es sinnvoll, dass die eingesetzte Prüfsoftware einen Vergleich des Teils mit den zugrunde liegenden CAD-Daten ermöglicht, da so der Prüfprozess erheblich beschleunigt und deutlich effizienter wird. Mit PowerInspect wird ein solcher CAD-Daten-Abgleich Wirklichkeit, so dass die Software auch im Prototypenbau der BMW Group signifikante Zeitersparnisse realisierte. Erforderte dort der Prüfprozess für bestimmte Teile vormals zwei Stunden, so sind dafür nunmehr nur noch fünf Minuten notwendig – bei bis zu fünf Prüfdurchgängen pro Bauteil ein durchaus beachtlicher Zeitgewinn.

Verbesserung der Messgenauigkeit’
Ein Vergleich mit den CAD-Daten hat darüber hinaus eine Verbesserung der Messgenauigkeit zur Folge. Die Mitarbeiter im Prototypenbau der BMW Group konnten früher lediglich an die Masterkoordinaten heranmessen. Mit PowerInspect lässt sich nun jeder Messpunkt mit den CAD-Daten abgleichen. Die Prüfsoftware ermittelt präzise und sekundenschnell die vorliegende Abweichung des Ist-Werts vom Soll-Wert.

PowerInspect ist nicht nur auf eine umfangreiche Funktionalität hin entwickelt, sondern auch auf eine möglichst einfache Bedienung. Viele Prüfsoftware-Module sind kompliziert in der Anwendung. Deshalb wurde bei der Entwicklung von PowerInspect der Fokus drauf gelegt, dass die Software trotz umfassender Funktionalität einfach anzuwenden ist. Schließlich sollen nicht nur Messtechniker die Software benutzen, sondern auch Fertigungsexperten, die in der Messtechnik keine spezielle Ausbildung genossen haben. Wie etwa im Fahrwerk-Prototypenbau der BMW Group in Berlin.

Die einfache Bedienbarkeit und eine möglichst niedrige Lernkurve beim Umgang mit der Software sind daher dringliches Erfordernis, um auch dem gelegentlichen Anwender die effiziente und fehlerfreie Arbeit mit dem Messequipment zu ermöglichen. Nach lediglich zwei Schulungstagen konnten die BMW-Mitarbeiter PowerInspect in Kombination mit dem Zett Mess AMPG bei aktuellen Prototypen-Projekten einsetzen.

Unterstützend wirken dabei die von Delcam während des Trainings mitgeschnittenen Videos des Programmie-rungsablaufs, so dass die einzelnen Programmierungsschritte wann immer notwendig nochmals nachvollzogen werden können. Damit sind die geschulten BMW-Fertigungsspezialisten in der Lage, alle erforderlichen Messprogramme zu schreiben. Wer nur die Arbeit mit dem Messarm verrichtet, kommt sogar ganz ohne Training aus.

Gemeinsamer Einsatz bringt Vorteile
Auch in puncto Flexibilität und Komfort bringt der gemeinsame Einsatz von Zett Mess AMPG und PowerInspect Vorteile. Wurde früher das zu prüfende Bauteil, beispielsweise ein Rahmen, in ein Netz gelegt, um von dort die Messung in X, Y und Z vorzunehmen, so wird mittlerweile das Teil nach Belieben des Bedieners positioniert. Die Daten ändern sich nicht. Zudem ermöglichen es Arm und Software, zwei Teile gleichzeitig auf einem Tisch zu prüfen. Ist eine feste Ausrichtung vorhanden, schaltet der Anwender einfach zwischen den beiden Prüfprogrammen um.

Ebenso hilfreich ist es, in einer Ausrichtung von verschiedenen Messpunkten ausgehen zu können. Um von einer anderen Position neu anmessen zu können, musste vor dem Einsatz von Po­wer­Inspect neu ausgerichtet werden. Dies konnte einen Tag in Anspruch nehmen. Jetzt wird in PowerInspect einfach die Basis auf einen anderen Punkt verlegt, und sofort ist das Ergebnis sichtbar. Nochmaliges Messen ist nicht nötig.

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Titan-Aluminium-Legierungen gelten mit ihrer geringen Dichte (3,8 g/cm³) als interessante Alternative zu Stahl und nickelbasierten Legierungen (8,5 g/cm³): Sie weisen je nach Zusammensetzung sehr gute Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften (bis 160 GPa) auf und sind bei Temperaturen bis zu 850°C kriechfest. Damit sind Titan-Aluminium-Werkstoffe prädestiniert als Leichtbauwerkstoff beispielsweise in Turboladern oder als Ventilstößel im Motor – Projekte, in denen Access eng unter anderem mit den OEMs der Automobilindustrie zusammenarbeitet.

„Die Legierungen bestehen in der Regel jeweils aus rund 50 Prozent Aluminium und 50 Prozent Titan, gegebenenfalls mit entsprechenden Beimischungen. Sie ermöglichen mit ihrer Gewichtsersparnis in vielen Fällen eine deutlich bessere Performance als konventionelle Werkstoffe“, erklärt Andre Schievenbusch, Mitglied der Geschäftsleitung bei Access. „Aufgrund der geringeren Masse können die Teile selbst, aber auch ihr Umfeld entsprechend leichter konstruiert werden als mit konventionellen Werkstoffen. Mit der Folge, dass etwa ein mit TiAl-Teilen gebautes Auto weit weniger Sprit benötigt und auch weniger Schadstoffe ausstößt.“

Nur eine Frage der Zeit
Ging früher der Trend dahin, Motoren über einen Turbolader immer leistungsstärker zu bauen, ist heute der Turbolader das Mittel, um die gleiche Leistung mit kleineren, leichteren und sparsameren Motoren zu erreichen. „Hier bietet insbesondere der Markt der Benziner noch gewaltiges Potenzial“, erläutert Schievenbusch. „Noch zögern die Automobilunternehmen, etwa für den Turbolader TiAl-Werkstoffe einzusetzen – die Verfahren sind, verglichen mit der Verarbeitung von Stahl, derzeit noch schlicht zu teuer und die Materialien offenbar noch zu exotisch. Das ist meiner Meinung aber nur eine Frage der Zeit: Wenn ein Hersteller anfängt, einen TiAl-Turbolader zu bauen, werden sehr schnell die anderen nachziehen.“

Den großen Vorteilen der TiAl-Materialien stehen indes insbesondere beim Bearbeiten auch gewaltige Herausforderungen gegenüber: „Die intermetallischen Werkstoffe sind quasi auf halbem Weg zur Keramik – und beim Bearbeiten verhalten sie sich regelrecht zickig und lassen Parameter oft nur in sehr schmalen Toleranzbändern zu. Bei Raumtemperatur verhalten sie sich beispielsweise sehr spröde, verkraften je nach Legierung nur eine sehr geringe Dehnung“, erklärt Schievenbusch. „Dazu kommt, dass jede kleine Veränderung in der Zusammensetzung oder auch bei der Gießtemperatur große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften haben kann. Deshalb befassen wir uns schon länger mit der Wasserstrahltechnik, die einen schonenden Umgang mit unseren Werkstücken erlaubt.“

Zunächst war eine Wasserstrahl-Anlage eines kleineren Herstellers installiert – mangelnde Präzision und Zuverlässigkeit, insbesondere aber auch die Lärm- und Schmutzemissionen des Überwasser-Schnitts veranlassten die Verantwortlichen, nach einem geeigneten Nachfolgesystem zu suchen. Schließlich fiel die Entscheidung zugunsten der Omax 55100.

Diese Anlage bietet Verfahrwege von 2500×1400x200mm. Die 30-kW-Direktpumpe bringt 3800bar an die Düse. Der Schwenkkopf Tilt-A-Jet ermöglicht das Unterwasser-Schneiden ohne Winkelfehler und das Erzeugen definiert kleiner Koni. Je nach Material und Werkstückdicke liegt die Genauigkeit bei ±0,02 bis 0,1 mm.

Schnelle Nullpunktbestimmung
Die eingängige Steuerung erlaubt ein zügiges Arbeiten, die windowsbasierte Steuersoftware Intellimax gestaltet mittels weniger Mausklicks nach DXF-Vorgabe, gewünschter Güte sowie Auswahl von Materialart und -dicke den Schneidprozess sehr einfach. Die integrierte Materialdatenbank kann vom Anwender selbst erweitert werden. Ein Kamerasystem erlaubt die schnelle Nullpunktbestimmung. Das Umfeld der Maschine bleibt dank Unterwasserschnitt sauber, und die Lärm­entwicklung hält sich in erträglichen Grenzen.

Bei Access werden die Titanaluminid-Werkstücke im Feinguss-Verfahren hergestellt. Beim Abtrennen der empfindlichen Bauteile vom Gießsystem setzen die Aachener inzwischen ausschließlich auf die Wasserstrahltechnik: „Der Wasserstrahl hat gegenüber der zerspanenden Trennung auf einem Bearbeitungszentrum gewaltige Vorteile“, erklärt Dirk Freudenberg, Leiter der mechanischen Werkstatt. „TiAl-Legierungen sind hoch abrasiv – bei zerspanender Bearbeitung haben HSS-Tools absolut keine Chance, auch VHM-Werkzeugen bleibt nur eine sehr geringe Standzeit. Zudem würde bei der Zerspanung Wärme ins Werkstück eingetragen werden, die möglicherweise das Gefüge des Materials verändert. Darüber hinaus ist die hohe Sprödigkeit des Werkstoffs ein Risiko beim Zerspanen – bei allen Versuchen mussten wir Mikrorisse feststellen.“

Der abrasive Wasserstrahl der Omax 55100 schneidet die Werkstücke kalt und ohne große Kräfte ins Bauteil einzubringen. „Das ist insbesondere bei unseren filigranen Bauteilen ein großer Vorteil, auch Mikrorisse sind kein Thema mehr“, erläutert Freudenberg. „Zudem benötigen die Werkstücke keine sehr aufwändigen Vorrichtungen, die wie bei der Zerspanung große Bearbeitungsdrücke aufnehmen müssten. Das Rüsten gestaltet sich so sehr einfach.“

Schonende Prozessgestaltung
Die Feinguss-Werkstücke werden in der Regel nach dem Abtrennen nur noch in sehr geringem Umfang nachbearbeitet – beispielsweise wird die Oberfläche per Gleitschleifen geglättet.

Diese fürs Materialgefüge der Werkstücke sehr schonende Prozessgestaltung erschließt auch die Luftfahrtindustrie für Teile aus TiAl – so verlangen die Airlines etwa nach Triebwerken, die mehr Leistung bei weniger Verbrauch und Schadstoffausstoß produzieren: In Zusammenarbeit mit Rolls-Royce etwa arbeiten die Aachener an Schaufeln für Flugturbinen – auch für die „heiße Seite“ des Triebwerks.

„Bei hohen Temperaturen dehnen sich die Legierungen – aber das ist inzwischen sehr gut beherrschbar“, erklärt Schievenbusch. „Neben Rolls-Royce arbeiten auch die anderen namhaften Turbinenhersteller an TiAl-Konzepten – im Flugzeug sind Leichtbauteile mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften ja ein Muss. Unser Werkstoff hat eine große Zukunft: An TiAl-Werkstoffen wird auf Dauer wohl kaum ein Turbinenhersteller vorbeikommen.“ Rw

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Warum setzen Sie in Ihrem Haus auf viele unterschiedliche Prototyping-Verfahren – wäre die Fokussierung auf nur eine Technologie oder vielleicht einige wenige Verfahren nicht sinnvoller?
Nein, die einzelnen Technologien haben jeweils ganz spezifische individuelle Stärken. Und auch negative Eigenschaften, je nachdem, in welchem Einsatzgebiet sie benötigt werden. Sehen Sie, Herr Pergler – Prototyp ist nicht gleich Prototyp. Wenn im einen Fall etwa für eine Design-Studie die perfekte Oberfläche im Vordergrund steht, ist in einem anderen Fall – bei einem Funktionsprototyp für die Automobilentwicklung – die hohe Hitze- und Medienbeständigkeit ausschlaggebend.

Mit der Stereolithographie (SLA), sie haben es bereits erwähnt, hat alles angefangen. Ist diese Technologie eigentlich noch up to date?
Aber ja – sie ist sogar ausgesprochen erfolgreich. Die Stereolithographie wurde schließlich kontinuierlich weiterentwickelt. Heute stehen eine Vielzahl von Werkstoffen mit unterschiedlichsten Eigenschaftsprofilen zur Verfügung, auch die Anlagentechnik hat große Fortschritte gemacht. Und diese SLA-Technologie ist nach wie vor für zahlreiche Prozesse und Bauteile erste Wahl. Etwa für Anschauungsmuster mit sehr guter Detailwiedergabe und Oberflächenqualität, für Funktionsteile mit einer niedrigen mechanischen oder thermischen Belastung oder für Urmodelle zur Herstellung von Silikon-, Epoxidharz- oder laminierten Formen.

Ein erfolgreiches und inzwischen weit verbreitetes Verfahren ist das Selektive Lasersintern, kurz SLS. Wo liegen hier die Vorteile?
Nun, diese Technologie erlaubt den Einsatz von seriennahen Werkstoffen wie Polyamid (PA12), Thermoplastischen Elastomeren (TPE) sowie Polystyrol (PS). Das ist insbesondere im Prototypenbau interessant: Diese Werkstoffe werden ihren Eigenschaften entsprechend in unterschiedlichste Entwick-lungs­prozesse eingebunden. So kommt Polyamid bei Funk-tionsprototypen mit hohen Anforderungen an mechanische und thermische Belastungen zum Einsatz. Elastomere werden für die Simulation von elastischen Funktionsprototypen eingesetzt. Und Polystyrol liefert Urmodelle.

Wenn es um die schnelle und kostengünstige Herstellung von Werkstücken aus Urmodellen geht, ist der Vakuum-Guss für Polyurethan (PU) wohl eines der am weitesten verbreiteten Verfahren. Wo setzen Sie diese Technologie ein?
Der Vakuum-Guss ist in Bezug auf die Stückzahl der Teile als Bindeglied zwischen Rapid Prototyping und Rapid Tooling zu sehen. Die Anfertigung der Teile erfolgt im Vakuum. Kleine bis mittelgroße Bauteile entstehen bei uns im „klassischen” Vakuum-Guss: Hier wird sowohl das Werkzeug als auch das Polyurethan evakuiert. Größere Bauteile werden in RIM Technik erstellt – hier befindet sich nur das Werkzeug im Vakuum; das Material wird von außen in die Form eingebracht.

Wo liegen die Vorteile beim Vakuumgießen?
Aufgrund der großen Auswahl und Verfügbarkeit unterschiedlichster Eigenschaftsprofile der PU-Werkstoffe können nahezu alle Kunst­stoff­teile und Baugruppen sehr schnell in Form und Funktion getestet werden. Die Stückzahlen hängen von der Art des Werkzeuges sowie von wirtschaftlichen Aspekten ab. In einer Silikonform können im Schnitt 30 Teile entstehen, in einer „festen” Form lassen sich mehrere hundert Teile fertigen. Die Bauteilkosten sind deutlich höher als im Spritzgießen – bei vergleichsweise sehr geringen Werkzeugkosten.

Neben dem Vakkumguss setzen Sie aber für kleine Spritzgieß-Serien und Prototypen inzwischen auch sehr stark auf Aluminium-Werkzeuge. Warum?
Hochfestes Aluminium hat sich inzwischen für solche Werkzeuge bestens bewährt. Zu den wesentlichen Vorteilen des Aluminiums gehört die – im Vergleich zum Stahl – deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit, die sich in kurzen Zykluszeiten niederschlägt. Mit Alu-Werkzeugen lassen sich heute Projektdurchlaufzeiten von zwei bis sechs Wochen standardgemäß realisieren – vom Dateneingang bis zu ersten werkzeugfallenden Teilen. Selbst die Realisierung von Mehrkomponententeilen, sowie von Gas- und Wasserinnendruck-Technik (GIT/WIT) ist damit problemlos machbar.

Für Prototypen und Kleinserien setzen Sie auch die Dosiertechnik ein – nicht gerade ein klassisches Prototyping-Verfahren …
Stimmt – eigentlich bietet sich die Dosiertechnik ja als interessante Alternative zum Verschrauben oder Verschweißen an, als Fügetechnik. Darüber hinaus können aber auch beispielsweise Dichtungen wirtschaftlich ab Stückzahl 1 direkt auf Bauteile dosiert werden. Aufgrund der extrem hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit dieser Technologie kann diese problemlos in die spätere Serienfertigung übertragen werden. Bei kleinen Losgrößen können 2K-Kunststoffteile mit der Dosiertechnik oft kostengünstiger als im Spritzgießen hergestellt werden.

Zurück zu den etablierten generativen Technologien – in Ihrem Haus kommen auch 3D-Drucker zum Einsatz, unter anderem die neue PolyJet-Matrix-Technologie von Objet. Hand aufs Herz, Herr Bayer – bringt die wirklich entscheidende Vorteile?
Aber ja, Herr Pergler. Diese neue Technologie eröffnet Entwicklern nämlich wirklich bislang ungeahnte Möglichkeiten. Wie bei einer Textdatei können den 3D-Daten digital Eigenschaftsprofile zugewiesen werden. Die Maschine bevorratet acht verschiedene Acrylate sowie ein Stützmaterial. Damit können dann unterschiedlichste Shorehärten und Farben beliebig miteinander kombiniert und quasi digital gemischt werden. Aufgrund der extrem dünnen Schichten von 0,016 mm bei einer Auflösung von 600 dpi stellt die PolyJet Matrix-Technologie das derzeit genaueste RP-Verfahren dar.

Sauer geht offenbar gern neue Wege – so hat Ihr Unternehmen für metallische Bauteile das Lasercusing ins Portfolio aufgenommen.
Ja. Das Lasercusing ist ein innovatives Verfahren zum Herstellen von metallischen Werkstücken. Im Gegensatz zu spanenden Bearbeitungsverfahren wird das Bauteil unmittelbar aus den 3D-CAD-Daten aufgebaut. Daher eignet sich das Lasercusing besonders für Werkstücke mit komplexer Geometrie in geringer Stückzahl. Das Verfahren eignet sich etwa zum Herstellen von uneingeschränkt belastbaren Funktionsprototypen, von komplizierten Teilen für spezielle Vorrichtungen oder von nicht mehr verfügbaren Ersatzteilen.

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Eine große Herausforderung für die Prototypenbauer war ein Projekt, das von einem britischen Autobauer an sie herangetragen wurde. Der Automobilhersteller benötigte eine Lösung für die Langausführung eines Standard-Automobils. Dabei ist die hintere Tür 25 cm länger, sodass auch eine verlängerte Türverkleidung erforderlich ist. Aufgrund der überschaubaren Stückzahl kam eine Großserienlösung nicht in Frage.

Habich & Martin erstellte ein komplett neues Konzept inklusive neuer Materialien, die zusammen mit den Zulieferpartnern des Prototypenfertigers in enger Zusammenarbeit entwickelt wurden. Auf diese Weise wurde ein neuer Prozess bei der Herstellung der Türverkleidung implementiert: Seitdem ist Habich & Martin bei den Briten Serienlieferant.

Für die HSC-Bearbeitung setzt Habich & Martin zwei Fräszentren von Huber & Grimme sowie eine CNC-Maschine von Witec ein. Die Qualitätskontrolle der gefertigten Teile erfolgt auf einer Messmaschine von Stiefelmeyer. Beste Qualität verlangt Geschäftsführer Peter Habich auch bei der verwendeten CAD/CAM-Software – und scheute sich daher nicht vor einem Umstieg, als die bislang eingesetzten Systeme eines renommierten deutschen Software-Entwicklers seinen hohen Anforderungen nicht mehr genügten. Seit Mitte 2007 sind nun Delcams CAD-Software PowerShape und CAM-System PowerMill bei Habich & Martin im Einsatz.

Sehr gut angenommen
„Die bislang eingesetzte Software war uns im Lauf der Zeit schlicht zu teuer geworden, und ich war auch mit dem Software-Support und der Upgrade-
Politik des Anbieters nicht einverstanden”, erklärt Habich. „Also haben wir kurzerhand den laufenden Software-Vertrag gekündigt und sind auf die
Suche nach einem neuen Anbieter gegangen, der unsere Ansprüche erfüllt.”

Mehr als zwei Jahre nahm die Sondierung des Markts in Anspruch, verbunden mit zahlreichen Vorführungen und Testinstallationen. Fündig wurde Peter Habich jedoch zunächst nicht. „Auf Delcam sind wir eher zufällig gestoßen”, berichtet er. Ein Delcam-Mitarbeiter hat PowerShape und PowerMill im Unternehmen ausführlich präsentiert. Parallel dazu war noch ein anderer Software-Anbieter im Rennen, der eigentlich auch favorisiert war. „Das Leistungsangebot von PowerShape und PowerMill haben letztlich den Ausschlag für Delcam gegeben”, erklärt Habich. Aktuell sind bei Habich & Martin drei PowerShape- und zwei PowerMill-Arbeitsplätze lizenziert.

„Die Entscheidung zugunsten von Delcams Software war mit Sicherheit richtig”, betont Peter Habich. „Vor allem sind die Mitarbeiter in der CAD/CAM-Abteilung mit den Systemen zufrieden, und das ist das Wichtigste. Denn es gibt drei Säulen in unserem Unternehmen – die Hardware, die Software und die Mitarbeiter: Ich kann nämlich noch so schöne Hard- und Software kaufen, wenn das Personal sie nicht akzeptiert, ist sie nichts wert.”

Er sieht seine Aufgabe als Unternehmensinhaber darin, seinen Mitarbeitern die besten Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sie effizient arbeiten können. Die Mitarbeiter müssen auch die Zeit haben, die Bedienung der Software zu erlernen.

Sicherer und besser
Tobias Prestele, Leiter der CAD/CAM-Abteilung, bestätigt die Einschätzung von Peter Habich: „PowerMill und PowerShape sind zwar deutlich komplexer als unsere bis dato eingesetzten Systeme, aber eben auch bedeutend sicherer und besser. Beide Programme bieten uns eine Vielzahl von Funk­tionen, die uns in der alten Software nicht zur Verfügung standen.” Funk­tionen, die Tobias Prestele auch bei einem aktuellen Projekt, der Konstruk­tion und Fertigung eines Modells des Eurofighters, zum Einsatz brachte.

Die umfassende Funktionspalette in PowerMill bietet den Modell- und Prototypenbauern bei der Abwicklung ihrer Projekte eine Menge Vorteile: „Neu waren für uns beispielsweise die Hinterschnittschattierung, die Kollisionsüberwachung oder das spiralförmige Schlichten”, erklärt Prestele. „Auch die Editiermöglichkeit der Fräswege ist von großem Nutzen. Bei unserer alten Software ließ sich ein einmal definierter Fräsweg im Nachhinein nicht mehr ändern. In PowerMill dagegen ist eine Modifikation mit anschließender Neuberechnung überhaupt kein Problem. Und in PowerMill 9 ist jetzt sogar das Konturfräsen implementiert.”

PowerMill bietet die Möglichkeit, Programmvorlagen – sogenannte Templates – zu erstellen und abzuspeichern. „Wenn ich ein Projekt öffne, lade ich einfach das zuvor konstruierte Modell und lege fest, auf welcher Werkzeugmaschine die Bearbeitung vorgenommen werden soll”, erklärt Prestele. „Unter den Vorlagen in PowerMill ist die Werkzeugbibliothek der Maschine enthalten. Dort sind alle Werkzeugwechsler sowie alle vorrätigen Werkzeuge dokumentiert, inklusive Halter, Fräser und Schnittwerten. Auch unsere Toleranzen, Aufmaße und Zustellbewegungen sind in den Vorlagen gespeichert. Zudem haben wir in PowerMill unsere am häufigsten verwendeten Fräswege als Vorlagen mit eigenen Bildern erstellt, damit der jeweilige Mitarbeiter bei seinem Projekt darauf unmittelbar zugreifen kann.”

Profil
Habich & Martin GmbH

Peter Habich und David Martin gründeten das Unternehmen zur Fertigung von Modellen und Prototypen Anfang 1994 in München. Im Jahr 2000 kam der Umzug nach Mammendorf. Derzeit beschäftigt der Betrieb insgesamt 17 Mitarbeiter, davon 14 in der Produktion. Das Kunden-Portfolio des Unternehmens umfasst im Moment etwas mehr als 60 Unternehmen unter anderem aus dem Automobilsegment, aus der Luft- und Raumfahrt, aus der Pharma- und Energieindustrie sowie aus dem Gießereisektor.

Trends µ-genau
Programme für Menschen
Einer der wichtigsten Faktoren für Erfolg oder Misserfolg einer neu eingeführten Software ist die Akzeptanz der Mitarbeiter. Und die hängt – neben der Beteiligung am Auswahlprozess für ein neues System – im Wesentlichen von der Praxistauglichkeit ab: Ist das System in sich schlüssig, ist die Benutzerführung adäquat? Sind alle wesentlichen Funktionen vorhanden und einfach zu bedienen? Deshalb ist es vorteilhaft, die künftigen Nutzer schon in den Entscheidungsprozess mit einzubinden. Denn in der Regel wissen sie am besten, welche Funktionen benötigt werden und ob ein System ihre Anforderungen hinsichtlich Bedienbarkeit erfüllt.

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Je komplexer ein Fertigungsteil und je geringer die Losgröße, desto höher in der Regel der Personalaufwand. Haller Präzision in Bermatingen wollte diese Wechselbeziehung durchbrechen: Um weitere Prozessschritte zu automatisieren, hat Unternehmenschef Oliver Haller gerade 1,2 Mio. Euro in die Erweiterung seines Maschinenparks investiert. Damit will das Unternehmen zum kostengünstigen Nischenanbieter für die Fertigung von Nullserien, Prototypen und Ersatzteilen avancieren.

„Wir setzen dabei auf die neueste Generation der Hermle-Bearbeitungszentren – davon erwarten wir uns auch bei höchst komplexer Fertigung eine weitgehende Produktionsautomatisierung”, erklärt Haller. Der Maschinenbauer Hermle und dessen Automatisierungstochter realisierten den Auftrag zur Erweiterung des Maschinenparks des badischen Mittelständlers.

Herzstück der Installation ist das flexible Fertigungssystem C40 U RS 2 des Gosheimer Herstellers. Konzipiert als vollautomatische Anlage, gehören ein 5-Achsen-Hochleistungsbearbeitungszentrum C 40 U, ein 6-Achsen-Roboter mit Schutzumhausung, mehrere Werkstückspeicherregale, ein Rüstplatz sowie Wechsel-Paletten und die Spanntechnik-Peripherie zum Gesamtsystem.

Praktisch keine Rüstzeiten
Das flexible Fertigungssystem ist für den Automatikmodus ausgelegt, wobei das Bearbeitungszentrum für manuelle Bearbeitungsvorgänge auch abgekoppelt werden kann, ohne dass der Zugang verbaut ist. „Die Robotertechnik soll dafür sorgen, dass die Rüstzeiten für die Maschine gegen null tendieren”, erläutert Haller. „Praktisch keine Rüstzeiten und verlängerte Laufzeiten bedeuten für uns eine insgesamt gesteigerte Produktivität bei gleichzeitiger Einhaltung von höchsten Qualitäts- und Präzisionsstandards der gefertigten Teile.” Alle Bearbeitungsprogramme für die CNC-Maschinen werden auf dem CAD/CAM-System AlphaCAM der Licom Systems GmbH erstellt.

In der rund 1000 m2 großen Werkshalle von Haller Präzision stehen nun insgesamt drei CNC-Bearbeitungszentren der C-Baureihe von Hermle. Komplexe Aufträge können von den zehn Mitarbeitern des Unternehmens auf diesen Maschinen bei einem hohen Maß an Prozesssicherheit bearbeitet werden. Nacharbeiten fallen aufgrund der sehr hohen Oberflächengenauigkeit so gut wie nicht an. Das spart zusätzlichen personellen Aufwand – also auch zusätzliche Kosten.

Neue Märkte erschließen
Mit dem weiter automatisierten technischen Equipment möchte sich der Dreh- und Frässpezialist neue Märkte erschließen: Im Blick hat Oliver Haller Auftraggeber, die die Fertigung entsprechend komplexer Teile in kleinen Losgrößen benötigen. „Für die Bereiche Forschung und Entwicklung, Prototyping und Ersatzteilproduktion sind wir optimal aufgestellt”, erklärt Haller. „Als spezialisierter Nischenanbieter können wir unsere Kompetenz hier voll ausspielen.” Ausgefeilte Messtechnik soll insbesondere beim Prototypenbau und in der Einzelteilfertigung ein Höchstmaß an Präzision und Qualität entlang der gesamten Produktionslinie garantieren.

Trotz des derzeit wirtschaftlich schwierigen Umfelds sieht Haller Bedarf an kleinen Losgrößen: „Wenn weniger Autos gekauft werden, gehen zwar die Produktionszahlen in der Teilefertigung zurück”, erklärt er. „Wer aber Autos und Maschinen der Zukunft plant und bauen will, muss die Prototypen und Nullserien schon heute fertigen lassen.”

Weiteres Potenzial gibt es auch in der Flugzeugbaubranche. Das Unternehmen bereitet sich deshalb auf die Zertifizierung nach Norm EN/AS 9100 vor.

Profil
Haller Präzision

Das Unternehmen Haller Präzision wurde im Jahr 2000 gegründet, Unternehmenssitz ist Bermatingen in Baden-Württemberg. Das Unternehmen fertigt mit zehn Mitarbeitern auf einer Produktionsfläche von knapp 1000 m2 Prototypen, Einzelstücke und kleine Serien. Das Unternehmen ist zertifiziert nach ISO 9000:2001 und strebt derzeit die Zertifizierung nach EN/AS 9100 Qualitätsmanagementsystem an, um sich als Zulieferer der Luftfahrtindustrie zu etablieren.

Trends µ-genau
Automatisierung auch bei kleinen Losgrößen
Was in der Großserie längst selbstverständlich ist, hält immer mehr auch im Werkzeug- und Formenbau Einzug: Um die teuren Maschinen optimal zu nutzen und so günstigere Stundensätze zu erzielen, werden Maschinen mit Automatisierungslösungen zu Flexiblen Fertigungszentren kombiniert. Dabei muss die Flexibilität nicht verloren gehen – im Gegenteil: Geschickte Automatisierung und etwa der Einsatz von Nullpunktspannsystemen lässt „spontane” Eilaufträge durchaus zu, schafft vielmehr oft erst die Voraussetzung, laufende Prozesse unterbrechen zu können, etwas Neues abzuarbeiten und dann die ursprüngliche Bearbeitung ohne Qualitätsverlust genau da wieder aufzunehmen, wo sie unterbrochen worden ist.

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Technik auf dem aktuellen Stand und schlanke, durchgängige Abläufe sind für Michael Englert, Geschäftsführer der Englert GmbH & Co. KG in Wertheim, ein absolutes Muss, um wettbewerbsfähig zu sein. Englert hat sich spezialisiert auf Einzelteile sowie kleine und mittlere Serien. Zerspant wird im Unternehmen laut Englert „nahezu alles – von Kunststoffen über Aluminium, Baustahl bis zu hochvergüteten Edelstählen”. Eine Schlüsselkomponente sind für ihn dabei innovative, leistungsfähige Werkzeuge, die optimal an die Bearbeitungsaufgaben angepasst sind.

Dass mit neuen Werkzeugen indes bewährte Strategien oft überholt sind, mussten die Wertheimer bei einem Auftrag für einen neuen Kunden erfahren: „Wenn es um das Zerspanen von Aluminium oder Kunststoff ging, waren wir absolut wettbewerbsfähig”, erklärt Englert. „Aber bei Stahl waren wir teilweise doppelt so teuer wie andere Anbieter – obwohl wir uns technologisch gut aufgestellt sahen.”

Mit welchen Parametern?
Optimale Ergebnisse erfordern indes auch optimale Parameter. „Und hier hatten wir eindeutig ein Defizit”, erläutert Englert. „Deshalb baten wir unseren Werkzeugpartner WNT um Rat.” Eine Schulung sollte das gesamte Team auf einen aktuellen Stand bringen. Und zwar praxisnah, mit Beispielen aus der aktuellen Bearbeitung – schließlich wurde hier einiges an Einsparpotenzial erwartet.

So benötigten die Zerspaner in Wertheim beispielsweise für ein bestimmtes Werkstück 2h 13min, „viel zu lange” für ihr Gefühl. Und damit auch deutlich zu teuer. Das Werkstück sollte ein erster Prüfstein für den WNT-Anwendungstechniker werden. Der änderte vor Ort die Bearbeitungsstrategie, setzte die Parameter neu – und deutlich progressiver – als das Englert-Team. Und der Erfolg gab ihm auf Anhieb Recht: Ohne Qualitätseinbußen und mit weit geringerem Verschleiß an den Werkzeugen konnte er die Zeit mit seinem Bearbeitungsvorschlag gleich beim ersten Versuch auf unter 45 min drücken. Damit war auch die Kalkulation des Werkstücks wieder in wettbewerbsfähige Regionen gerückt.

„Wir sind in den vergangenen Jahren stark gewachsen, haben zahlreiche neue Mitarbeiter – die von WNT angebotene Schulung war für uns eine attraktive Möglichkeit, aktuelles Bearbeitungswissen zu verallgemeinern und unseren Leuten nahezubringen”, erläutert Englert. „Und auch bei erfahrenen Bearbeitern haben sich Prozesse eingeschliffen – oft wird nicht mehr hinterfragt, warum man beispielsweise die Parameter reduziert oder warum man eine bestimmte Strategie wählt.”

Speziell bei kleinen Losen ist es wichtig, dass der Maschinenbediener genau weiß, was er tut: „Gerade jetzt bekommen wir sehr viele neue Teile zur Bearbeitung – da ist es ein großer Vorteil, wenn die Mitarbeiter mit den effizientesten Strategien vertraut sind”, betont Englert. „Deshalb holten wir uns das WNT-Team für einen Schulungstag ins Haus, um unsere Leute in Sachen Zerspanung auf den neuesten Stand zu bringen.”

Fatales Bauchgefühl
Verbesserungspotenziale waren sehr schnell lokalisiert. So wurden insbesondere beim Zerspanen von Stahl Werkzeuge oft nicht innerhalb ihrer optimalen Parameter verwendet. „Wenn es beispielsweise Probleme beim Fräsen gibt, ist die Hand schnell am Poti, die Leistung wird immer weiter zurückgenommen”, erklärt der erfahrene Praktiker Englert. „Unser Gefühl sagt uns schließlich, dass desto weniger schiefgehen kann, je vorsichtiger wir uns verhalten.”

Genau dies ist aber bei leistungsfähigen Werkzeugen fatal: „So ist es beispielsweise beim VHM-Bohren essentiell, dass man die Bohrer mit den richtigen Parametern fährt”, erläutert Englert. „Drehzahl und Vorschub müssen exakt auf die Bearbeitung abgestimmt sein, damit man einen optimalen Spanbruch bekommt. Und dafür gibt es nur ein relativ kleines Fenster.”

Eine Schulung umfasst einen halben Tag Theorie und einen halben Tag Praxis – die Mitarbeiter brachte das einen klaren Schritt nach vorn. Die Kombination aus Theorie und Praxis zeigte den Bedienern, dass sie den Vorgaben aus den Katalogen durchaus vertrauen können, dass sich eine „intuitive” Reduzierung der Parameter eher negativ auswirken kann. An den Maschinen stehen den Zerspanern heute Register mit den verbindlich für die Werkzeuge einzusetzenden Parametern zur Verfügung.

„Wir haben inzwischen die zweite Schulungseinheit bei uns im Haus abgeschlossen. Der Wissens­transfer geht gerade in der Einzelteilfertigung zu hundert Prozent an die Maschine”, betont Michael Englert. „Und das Ergebnis ist sofort spürbar.” Die Schulungen, die WNT übrigens kostenlos anbietet, will er daher in regelmäßigen Abständen wiederholen – zur Auffrischung, aber auch, um werkzeugtechnisch stets auf dem aktuellen Stand zu sein.

Stabilere Prozesse
Auch die Kunden von Englert profitieren – in erster Linie von höherer Prozesssicherheit und Termintreue. „Wenn schwierige, komplexe Werkstücke bearbeitet werden müssen, haben wir auch keine Scheu, bei unseren Werkzeugpartnern um Rat zu fragen”, erklärt Englert. „Das gestaltet die Bearbeitung schneller und effizienter und verschafft uns letztlich ein deutliches Plus an Wettbewerbsfähigkeit.”

Neben dem spürbaren Effekt, den die Weiterbildung bei der Produktivität erzielte, konnte Englert feststellen, dass die Motivation und die Zufriedenheit der Mitarbeiter gestiegen ist: „Die Schulungen waren ein wichtiges Zeichen, dass ihr Unternehmen sie wertschätzt und in die Menschen investiert, die letztlich für den Profit sorgen”, erläutert er. „Gerade die aktuelle Krise bietet die Chance und auch die Zeit, die Mitar-beiter weiterzuqualifizieren. Sie sind schließlich unser wichtigstes Kapital. Wenn nicht jetzt – wann dann?”

Profil
Englert GmbH & Co. KG
Vorrichtungen und Werkstücke in kleinen Stückzahlen sind das Metier des Unternehmens. Das Werkstückspektrum, das fünfachsig bearbeitet werden kann, reicht bis 3 m Baulänge. Baugruppenmontage, Schweißkonstruktion und Qualitätssicherung runden das Spektrum ab. Waren vor acht Jahren noch 85 Prozent der Arbeiten Zulieferungen für den Elektromaschinenbau, macht diese Branche inzwischen nur noch 20 Prozent der Aufträge aus – weitere 20 Prozent gehen in die Medizintechnik, der Rest kommt aus anderen Branchen. Derzeit stehen die Erweiterung des Fertigteile- und Materiallagers und der Umzug in eine neue Montagehalle mit Lager und Reinraumfertigung an. Englert beschäftigt 50 Mitarbeiter.

Trends µ-genau
Praxisnahe Schulung
Zugeschnitten auf die Bedürfnisse des Unternehmens Englert und seiner Mitarbeiter stand das Tehmenfeld mit den Schwerpunken VHM-Bohren, VHM-Fräsen, WSP-Fräsen, WSP-Eckfräsen 90°, Hochgeschwindigkeitsreiben und Gewindefräsen und -formen im Mittelpunkt der Schulung. Der Praxisteil zeigte, dass die im Theorieabschnitt besprochenen Werte tatsächlich auch optimale Ergebnisse erzielen und vermittelte den Maschinenbedienern die Sicherheit für ihr Tagesgeschäft.

Das sagt die Redaktion
Weg mit den Angstkorrekturen!
Werkzeuge zu unterfordern kann sich fatal auswirken. Drastisch sinkende Standzeiten und eine verlängerte Bearbeitungsdauer sind oft noch die harmloseren Varianten. Hightech-Werkzeuge sind auf ein sehr schmales Parameter-Fenster ausgelegt. In der Regel sind das die Werte, die der Hersteller im Katalog oder Datenblatt ausweist. Wer hier den Poti nach links dreht, wiegt sich in trügerische Sicherheit – zu wenig Vorschub, zu wenig Drehzahl kann für ein Werkzeug tödlich sein. Etwa, weil der Span nicht mehr optimal bricht. Hier ist weniger Intuition als vielmehr Vertrauen in die Werkzeugspezialisten der Hersteller gefragt. Wer sich nicht sicher ist, sollte seinen Werkzeugpartner in die Pflicht nehmen und nachfragen!

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