Widerstandsfähige Zerspanungswerkzeuge additiv fertigen

Hohe Performance, lange Standzeiten und schnelle Werkzeugwechsel bilden die zentralen Anforderungen an moderne Werkzeugkonzepte. Bei der Suche nach neuen Lösungen für die Metallbearbeitung setzt Mapal jetzt erstmals auch auf additive Werkzeuglösungen und Laserschmelzanlagen von Concept Laser.
Die neuen Bohrer haben es insbesondere im Detail in sich. Bedingt durch eine generative Fertigung aus Metallpulver ergeben sich völlig neue Ansätze in der Konstruktion. Die Schneidplattenbohrer der QTD-Serie waren bisher erst ab einem Durchmesser von 13 Millimetern erhältlich. Dafür war unter anderem die Kühlkanalführung des Grundkörpers verantwortlich. Je kleiner der Grundkörper, desto mehr beeinträchtigt die übliche zentrale Kühlmittelführung die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs. Zudem schwächt die zentrale Führung den Kern des Bohrers und macht ihn instabil. Stahl-Grundkörper mit gewendelten Kühlkanälen sind in kleinen Durchmessern bislang nicht üblich. Die neue Konstruktion erlaubt nun auch Vollbohrer mit Durchmessern ab 8 bis 12 Millimetern.

Gewendeltes Kühlkonzept

Bei den neuen Schneidplattenbohrern handelt es sich genau genommen um hybrid gefertigte Teile: Der Schaft wird konventionell zerspant und der Bohrer generativ lasergeschmolzen. Dies erlaubt es, die Wirtschaftlichkeit im Herstellprozess signifikant zu verbessern. Dr. Dirk Sellmer, Leiter Versuch und Entwicklung bei Mapal, erläutert: „Hybride Strategien bieten sich als Methode der Wahl an: Einfache Bereiche eines Bauteils werden zerspant und komplexere Bereiche werden dann additiv aufgebaut.“ Zudem verbessern mannlose Fertigung und Reduktion von Rüstzeiten und Nacharbeiten beim Laserschmelzen die Wirtschaftlichkeit. Der Übergang von einer konventionellen Fertigung zu einer additiven erlaubt aber vor allem eine völlig neue Geometrie zur Leistungssteigerung der Werkzeuge.
„Im Vergleich zur bisherigen zentralen Kühlmittelführung mit Ypsilon-Umlenkung erzielt eine gewendelte Kühlmittelführung einen um 100 Prozent gesteigerten Kühlmitteldurchfluss“, erläutert Dr. Sellmer. Es ergibt sich zudem eine erhöhte Kernstabilität durch parallel zur Spannut verlaufende Kühlmittelkanäle. Die verbesserte Kühlung entsteht auch durch die neuen Kühlkanalprofile, die von der üblichen Kreisform abweichen und „leicht“ dreieckig ausgeführt sind. Flächenträgheitsmoment und Durchflussrate ließen sich auf diese Weise optimieren. In Versuchen wurde ermittelt, dass die Wahl eines solchen Querschnitts die Durchflussmenge um 30 Prozent steigert. Konventionell sind solche Kühlmittelprofile nicht herstellbar. Das optimierte Kühlkonzept ermöglicht eine längere Standzeit.

Plus an Leistung

Dr. Sellmer kalkuliert den Pulverbedarf mit den effektiven Baugewichten plus 10 Prozent, wobei das Restmaterial, Warm-arbeitsstahl 1.2709, leicht zu recyceln ist. Ein wichtiger Punkt für rotative Werkzeuglösungen sind Spannungen im Bauteil. Konventionell hergestellte Teile muss man nach der Zerspanung wegen enormer Krafteinwirkungen entspannen. Das ist beim Laserschmelzen anders. Durch den ständigen Wechsel von Belichtungsorten der Geometrie ist das Bauteil in sich bereits während des Aufbaus entspannt.

Anlagentechnik

Zum Einsatz kommen derzeit zwei M1-Cusing-Anlagen von Concept Laser mit einem zentralen Materialvorratsbehälter. Die Anlagen aus dem mittleren Anlagensegment verfügen über einen quadratischen Bauraum mit der Seitenlänge von 250 Millimetern. Die Schneidplattenbohrer entstehen in diesem Bauraum als 10-mal-10- beziehungsweise 11-mal-11-Stück-Lösungen. In einem Aufbau baut die Anlage auf diese Weise 100 bis 121 Bohrer auf. Die Bauraten des 400-Watt-Lasers liegen dabei zwischen 6 und 18 Kubikzentimeter pro Stunde. Um Kontaminierungen zu vermeiden, arbeitet die Anlage wie üblich unter Stickstoff-Schutzgasatmosphäre. Während der Verarbeitung erhitzt der Laser das Pulvermaterial auf 60 bis 70 Grad Celsius beim Aufschmelzen. Die Wärmedehnung beim Bauprozess sollte in der Konstruktion berücksichtigt werden. Nach den ersten Erfolgen mit Serienprodukten wächst allerdings auch die Nachfrage nach internen Kapazitäten, selbst wenn sich bei geschickter Organisation eine Produktionsverfügbarkeit von 24 Stunden an sieben Tagen in der mannlosen Fertigung ergibt. Optionen, so Dr. Dirk Sellmer, sind der Einsatz von mehreren Lasern in einer Anlage und/oder eine generelle Ausweitung der Kapazität. Dr. Dieter Kress, Inhaber von Mapal, sprach 2014 auf mittlere Sicht von einem Bedarf von mindestens fünf Anlagen.
Fragt man nach, warum das Unternehmen Concept Laser als Anlagenlieferant gewählt hat, nennt Matthias Schneider, Mitarbeiter aus der F&E-Abteilung bei Mapal Handling, Zugänglichkeit und Bedienfreundlichkeit. Auch die offene Variation von Parametern zur Prozessgestaltung bezeichnet Schneider als Stärke. Die Variation von Parametern ist insbesondere interessant bei Versuchen und neuen Produkten, um einen optionalen Prozess zu definieren.
Fragt man noch genauer, kommt das tiefe Anwenderwissen von Schneider zum Vorschein: Die Möglichkeiten der Topologiebeeinflussung beim Laserschmelzen gehört beispielsweise dazu. Die Besonderheit der Anlagen ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Durch diese Belichtungsstrategie werden die geringsten Spannungen im Bauteil induziert.

Innere Werte: Geometrie und Leichtbau

Die Veränderungen in der Konstruktion zeigen sich auch bei anderen Mapal-Produkten. Neu sind gewichtsoptimierte, lasergeschmolzene Außenreibahlen. Außenreibahlen funktionieren umso besser, je leichter sie sind. Das gilt insbesondere bei der Bearbeitung von Wellen mit kleinen Durchmessern. Konventionell hergestellte Außenreibahlen aus Stahl mit 8,5 Millimetern Durchmesser bringen beispielsweise bereits 400 Gramm auf die Waage. Dieses Gewicht und die daraus resultierende Massenträgheit schränken die maximal möglichen Schnittgeschwindigkeiten stark ein.
Eine additive Fertigung ermöglicht einen sogenannten „Leichtbau von Außenreibahlen mit Wuchtpotenzial“. Dr. Sellmer erläutert: „Die Massenverteilung der Wabenstruktur der Außenreibahlen verhält sich so ungefähr wie das Wuchten von Rädern. Die innenliegenden Hohlräume nennen wir Wuchtprofile. Wir erzielen mit den Wuchtprofilen einen nahezu perfekten Rundlauf der rotativen Werkzeuge.“
Eine speziell auf die Applikation hin entwickelte und zum Patent angemeldete Rippenstruktur verhilft der neuen 8,5-Millimeter-Außenreibahle zu einer Gewichtsreduktion auf 172 Gramm. Eine Gewichtsersparnis (57 Prozent), die sich bei diesem Bauteil in schnellerer und genauerer Bearbeitung ausprägt.

Produkte am Horizont

Fundiert angewandte additive Fertigung kann, wie gezeigt, die Wettbewerbsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Wertschöpfung drastisch erhöhen. „Im weitesten Sinn kann man davon sprechen, dass die Bauteile der Zukunft intelligenter oder komplexer sind und auch mehr Leistung bieten“, kommentiert Dr. Sellmer. „Zudem werden sich unsere konstruktiven Optionen verändern. Es werden sich neue Geometrien mit neuen Leistungsmerkmalen ergeben. Mit der additiven Fertigung eröffnen sich generell neue Produktlösungen, die konventionell nicht vorstellbar sind. Durch jedes umgesetzte Projekt lernt man dazu. Dieses Wissen fließt dann in künftige, neue Projekte ein.“ Neben der Optimierung der Qualität steht für Mapal die Optimierung der Prozessführung im Vordergrund, um mit besseren Oberflächen näher am präzisen Bauteil additiv fertigen zu können. Sowohl die kryogene Zerspanung als auch die Anfragen nach geschlossenen Kühlkreisläufen und Kammern stellen neue Anforderungen an die Technologie.“ jbi |

Guido Radig ist freier Journalist und Autor aus Bergkirchen.