Geht es um die additive Fertigung, ist Hermle Dienstleister. Dazu nutzt das Unternehmen seine MPA 42, ein stark modifiziertes 5-Achs-Bearbeitungszentrum vom Typ C 42 U kombiniert mit dem Additiven Verfahren MPA – Metall-Pulver-Auftrag. Diese Maschine ist nicht käuflich.
Statt mit weniger verlassen die Rohlinge den Arbeitsraum der Zerspanungsmaschine mit deutlich mehr Masse. Wie das funktioniert, verrät das Kürzel MPA: Es steht für das Metall-Pulver-Auftrag-Verfahren, dass Hermle, Ottobrunn, vor rund sieben Jahren zur Marktreife gebracht hat. Mit der neuen Maschinengeneration gewinnt der generative Fertigungsprozess deutlich an Präzision und Schnelligkeit. Neben der Spindel des 5-Achs-Bearbeitungszentrums ragt eine Düse in den Arbeitsraum, eine Sprüheinheit für Kühlschmiermittel fehlt dagegen. Die Lavaldüse beschleunigt das Pulver und schießt es gezielt auf den aufgespannten Metallrohling. Überhitzter Wasserdampf und Stickstoff spielen eine ebenso wichtige Rolle wie die Düsengeometrie, damit das Pulver Überschallgeschwindigkeit erreicht und sich durch die Deformation beim Aufprall verbindet. Ein Dampferzeuger und fünf Pulverförderer finden im hinteren Teil der Anlage Platz. Allen Auftragsmaterialien und Rohlingen gleich ist ihre Duktilität: Es funktionieren sehr viele Metalle, da der Auftrag auf plastischer Verformung basiert. Demnach muss auch die Oberfläche der Halbzeuge duktil sein. Zum Einsatz kommen in der Regel neben im Werkzeugbau üblichen Warm- und Kaltarbeitsstählen mit hohem Kohlenstoffanteil auch Kupfer und Ampcoloy.
Nachdem die Kühlkanäle mit einem wasserlöslichen Metallpulver gefüllt sind, erfolgt der nächste Metallpulver-Auftrag. (Foto: Hermle)
Materialmix für Spritzgießformen
Kupfer leitet die Wärme deutlich schneller ab als die verarbeiteten Werkzeugstähle. Für die Konstruktion von Spritzgießformen hat daher die Materialkombination aus Stahl und Kupfer einen entscheidenden Vorteil. Mit der additiven Fertigung gelangt Kupfer an die Stellen des Werkzeuges, die für Kühlkanäle keinen Platz haben. Der Kupferkern leitet beim Spritzgießen die Wärme an den nächstgelegenen Kühlkanal deutlich schneller ab als Stahl. Der Anwender spart dadurch wertvolle Sekunden bei der Kühlzeit und die Oberflächenqualität der Kunststoffteile verbessert sich.
Die fünf Achsen des Bearbeitungszentrums erlauben eine nahezu beliebige Ausrichtung des Pulverstrahls zum Bauteil und sorgen dabei für hohe Gestaltungsfreiheit. Kühlkanäle können damit direkt auf den gekrümmten Oberflächen eines Rohlings aufgebaut werden. So erhalten auch größere Spritzgussformen eine konturnahe Kühlung, ohne das gesamte Bauteil additiv aufzubauen. Grenzen setzt lediglich der Arbeitsraum der C 42 U. Je nach Geometrie liegt das Größenlimit für den additiven Prozess bei je 600 mmin der Länge und Breite. In der Regel sind die Bauteile jedoch kleine. Besonders eignet sich die Maschine auch zur Herstellung zylindrischer oder konischer Bauteile wie zum Beispiel gekühlte Vorkammerbuchsen. Durch Materialauftrag bei rotierendem Bauteil werden Taschen und Kanäle effizient gefüllt und mit Werkzeugstahl eingeschlossen.
Ein Rohling mit gefüllten Kupfertaschen. Im nächsten Schritt werden diese durch Auftragen von Stahl verschlossen. (Foto: Hermle)
Neben der Realisierung effizienter Kühlungen bietet das MPA-Verfahren noch weitere interessante Anwendungsmöglichkeiten. Viele Materialien verdichten sich durch den Auftrag derart, dass sich die Bauteiloberflächen problemlos auf Hochglanz polieren lassen. Mit dem MPA-Verfahren können auch Funktionselemente wie Heizdrähte oder Sensoren zur Temperaturüberwachung der Kavität in Stahl oder Kupfer eingebettet und damit in das Werkzeug integriert werden – ideal für eine variotherme Temperaturführung.
Das Wissen, wo Materialkombinationen Sinn ergeben, wie Kühlkanäle und Funktionselemente am besten angelegt werden und die Möglichkeit, Formwerkzeuge einteilig zu bauen, ist die Stärke der HMG. Das Team aus Ottobrunn berät Konstrukteure von Spritzgießwerkzeugen, greift 3D-Modelle auf und optimiert durch Kühlkanal, Funktionselement oder Multimaterial-Kombination die später mit diesem Werkzeug gefertigten Spritzgussteile. Es geht um reduzierte Taktzeiten und höhere Bauteilqualitäten, die mit anderen Technologien sonst nur schwer zu erreichen sind.
Die MPA 42 verbindet den additiven Materialaufbau mit hochpräziser Zerspanung. (Foto: Hermle)
Mit einer eigenen CAM-Software generieren die Anwendungstechniker den Code für die Maschinensteuerung. Dies beinhaltet nicht nur die Bahnbewegungen, sondern auch die Pulvermengen, bestimmte Temperaturen und den Wechsel zwischen Materialaufbau und Fräsen. Da kein CAD/CAM-Hersteller den besonderen, alternierenden Prozess – fräsen, auftragen, fräsen – abbilden konnte, hat das Unternehmen die Software selber geschrieben. Zu 95 Prozent bauen die Werkzeuge auf einem Halbzeug auf, das der Kunde selbst auf seiner Fräsmaschine vorbereiten kann. So kommt das Bauteil schon mit gefrästen Kühlkanälen oder Taschen für den Kupferauftrag nach Ottobrunn.
Nun wird’s heiß
Vor Prozessbeginn kommt das Bauteil in die Heizstation und wird auf circa 300 °C gebracht. Denn auch wenn das Material nicht aufgeschweißt wird, geht es nicht ganz ohne Temperatur: sowohl Substrat als auch das Metallpulver müssen für eine bessere Duktilität erhitzt werden. Die Energie zur Beschleunigung des Pulvers kommt aus dem Wasserdampf. Beim Durchgang beider Komponenten durch die Düse erreicht das Pulver die notwendige Überschallgeschwindigkeit. Damit auch während der Bearbeitung die Temperatur konstant bleibt, beheizt die MPA 42 das Bauteil bis zum letzten Spanabtrag. So werden Temperaturgradienten, die Spannungen, Risse oder Verzug bedeuten, verhindert.
Im Fertigungsprozess wird abwechselnd Material aufgetragen und zerspant. Nach dem Pulverauftrag werden Details wie feine Rippen in das neue Material gefräst, Kühlkanäle werden mit einem wasserlöslichen, metallenen Material gefüllt und per MPA-Auftrag wieder mit einer Stahlschicht verschlossen. Das Füllmaterial lässt sich später im Wasserbad ausspülen und so entstehen die gewünschten Hohlräume. Mit dem Pulverstrahl werden Aufbauraten von 200 bis 400 cm³ pro Stunde erreicht, bei Kupfer sind nahezu 1.000 cm³ möglich.
