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Ausgabe 11/2017, 10.11.2017

Aufblühendes Leben in der Nische

Hybride Werkzeugmaschinen, welche die Kombination von additiven und abtragenden Fertigungsverfahren in einer Aufspannung ermöglichen, beginnen schön langsam ihr Terrain zu erobern. Noch ist der Anbietermarkt überschaubar, denn die Technologie dahinter ist erklärungsbedürftig. Die EMO in Hannover war in diesem Jahr die ideale Spielwiese für neue Anbieter und alte Bekannte, um ihre Innovationen zu zeigen. Die «Technische Rundschau» hat sich umgesehen und versucht eine Orientierung.

Autor: Wolfgang Pittrich

Sie gelten als Nische in der Nische. Und doch haben die hybriden Werkzeugmaschinen auf der diesjährigen EMO Hannover (16. bis 21. September) deutliche Lebenszeichen von sich gegeben. Vor allem die japanischen Hersteller scheinen Gefallen an diesem Konzept zu finden. Gleich drei grosse Anbieter aus dem Land der Kirschblüten und des Lächelns haben auf der EMO ihre Neuheiten und Weiterentwicklungen präsentiert, nämlich Matsuura, Mazak und Okuma. Trotzdem bleibt das Angebot an Hybridmaschinen (noch) überschaubar.

Weshalb sich dem Beobachter sofort die Frage aufdrängt: Macht diese Verfahrenskombination überhaupt Sinn? Bereits hier scheiden sich die Geister. Während die Befürworter darin die einzige Chance sehen, Werkstücke wirtschaftlich und schnell herzustellen, die sonst gar nicht oder nur sehr aufwendig gefertigt werden können, wähnen die Skeptiker gerade in der Wirtschaftlichkeit das grösste Problem: Man investiert in eine teure Maschine, die zwar zwei Technologien bietet, von denen eine aber immer ungenutzt ist, während die andere arbeitet. Das heisst: Hoher Maschinenstundensatz mit ungewisser Rendite.

Wie immer bei innovativen Verfahren hilft diese reine Schwarz-Weiss-Betrachtung nicht weiter. Denn die Wahrheit hat auch mit persönlichen Befindlichkeiten zu tun. So betrachten 3D-Printing-Pioniere, die bereits vor ein paar Jahren in die additive Fertigung eingestiegen sind, die Verfahrenstrennung, also hier das 3D-Drucken, dort die Fräsbearbeitung, als Mittel der Wahl; vor allem dann, wenn sie aus der Zerspanungsecke kommen. Ein Grund dafür ist sicherlich, dass die additiven Verfahren inklusive CAM-Aufbereitung per se schon komplex genug sind und daher die volle Aufmerksamkeit des Bedienpersonals verlangen. Die für den Grossteil der additiv gefertigten Werkstücke notwendige Nachbehandlung verlagert man einfach und bequem auf die sich bereits im Hause befindliche Zerspanungsabteilung. (Siehe auch Interview auf Seite 8.)

Anders agiert die mittlerweile zweite 3D-Printing-Generation, die in den hybriden Maschinen ein Alleinstellungsmerkmal für sich und die Kunden reklamieren. «Für uns war es wichtig, wenn wir schon in die additive Fertigung einsteigen, dann mit etwas völlig Neuem. Und mit der Lumex-Technologie von Matsuura sind wir in der Schweiz der erste und einzige Dienstleister auf dem Markt», sagt Pietro Pignatiello von der Pi2 Process AG, die als erster Schweizer Zulieferer die hybride Verfahrenstechnologie offeriert.

Wiewohl Pi2 Process eine eigene Zerspanungsabteilung im Hause hat, sieht man in der Prozesskombination die bessere Alternative, wie Pascal Jenni, im Unternehmen für die additive Fertigung zuständig, bestätigt: «Diese Technologie bewegt sich ähnlich einer konventionellen Fräsmaschine in einem linearen Koordinatensystem. Wir besitzen also eine einfache Möglichkeit, gewissen Abweichungen zu kompensieren. In Verbindung mit dem Nachfräsen bekommen wir daher ganz andere Oberflächenqualitäten von der Maschine als bei den sonst üblichen additiven Verfahren.»

In das gleiche Horn stösst Patrick Diederich, der bei DMG Mori für den Bereich Advanced Technologies verantwortlich ist. Der Konzern bietet eine Reihe von additiven Stand-alone- und hybriden Werkzeugmaschinen. Diederich sieht für sein Unternehmen in den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Kombi-Maschinenreihe «Lasertec 3D hybrid» die eigentliche Revolution fürs 3D-Printen: «Gerade bei komplexen Geometrien lassen sich so Bereiche fräsen, die am fertigen Bauteil später nicht mehr zu erreichen wären.» Vor allem in den Geschäftsfeldern Aerospace, Energietechnik sowie Werkzeug- und Formenbau habe man mit solchen Applikationen zu tun. «Hinzu kommt die Option, mithilfe unterschiedlicher Pulverdüsen innovative Bauteile aus zwei oder mehreren Materialien und sogar mit gradierten Materialien zu fertigen.»

Wobei wir schon den Blick auf mögliche Anwendungsfelder wenden. Wie beim reinrassigen 3D-Printing auch, öffnet sich den hybriden Maschinen ein weites Feld, wenn die Einzigartigkeit des Verfahrens sticht. Bis dato allerdings sind die Anwendungen mangels Masse recht begrenzt. So gehen die Lumex-Maschinen von Matsuura im Heimatmarkt Japan «hauptsächlich in den Werkzeug- und Formenbau», beobachtet Rolf Jauch, Leitung Verkauf Additive Fertigung beim Schweizer Matsuura-Partner Newemag.

Dort bietet das kombinierte Auf- und Abtragen von Material wie es Matsuura praktiziert auch die sinnfälligsten Vorteile. Denn im Gegensatz zum reinen additiv gefertigten Teil, können die in die Formeinsätze eingebrachten innenliegenden Kühlkanäle quasi in einem Durchgang durch Fräsen veredelt werden; sprich: Die Oberflächenqualität wird deutlich besser. Folge: Das Fliessverhalten der Kunststoffe lässt sich im Werkzeug sehr genau steuern und die Schusszeiten dadurch minimieren.

Das Lumex-Verfahren von Matsuura dürfte die genaueste Hybridtechnologie sein, die zur Zeit kommerziell angeboten wird. Basis ist ein Pulverbettverfahren: Metallpulver wird auf eine Platte in einer Schichtdicke von rund 0,05 mm aufgetragen und anschliessend mit einem Laserstrahl CNC-gesteuert verschmolzen (selektives Lasersintern, SLS). Nachdem durch wiederholten Auftrag eine Schichtdicke von etwa 0,5 mm erreicht wurde, kommt das Fräswerkzeug zum Einsatz. Diese HSC-Bearbeitung geschieht meist mit hohen Drehzahlen und Werkzeugdurchmessern ab 0,6 mm. Je nach Material und Baugrösse können Teilegenauigkeiten von ±0,025 mm erzielt werden.

Matsuura gehört zu den Pionieren der hybriden Bearbeitung. Erste Maschinen waren bereits 2002 in Japan zu sehen; 2016 erfolgte die Europa-Einführung mit der «Lumex Avance-25». Zur EMO kam die inzwischen 5. Generation zur Aufführung. Die Maschine hat sich dabei nicht nur äusserlich verändert, sondern wurde auch in ihren Eigenschaften optimiert. Sie verfügt nun über einen stärkeren YB-Faserlaser mit einer Leistung von 1000 W und verbesserte Bearbeitungsstrategien. Dazu gehören unter anderem die selektive Pulverabsaugung vor dem Fräsen, wodurch eine Zeitersparnis von rund 50 Prozent realisiert werden soll. Zudem wird bei der neuen Generation das Pulver automatisch aufbereitet und auch die Pulverzuführung wurde optimiert.

Ebenfalls in Hannover war mit der «Avance-60» die grosse Schwester zu sehen. Sie besitzt mit 610 × 610 × 100 mm (X, Y, Z) einen wesentlich grösseren Bauraum (Avance-25: 260 × 260 × 100 mm). Beide Typen werden übrigens von hochgenauen Linearmotoren bewegt.

Seit Mitte der 2000-er Jahre beschäftigt sich die Hermle AG mit der Kombination von additivem und subtrahierendem Bearbeiten. Ihr sogenanntes MPA-Verfahren («Metall-Pulver-Auftrag») ist eine eigenständige Technologie, die nicht auf dem Laser basiert. Bei diesem Verfahren wird Metallpulver mithilfe eines Trägergases unter hoher Beschleunigung durch eine Düse auf ein Trägermaterial aufgebracht. Die hohe Aufprallgeschwindigkeit – an den Grenzflächen mit Überschall – lassen die Pulverpartikel zu einem massiven Körper verschmelzen.

Die Fräsbearbeitung geschieht meist als vorbereitende Tätigkeit, um die für das Pulverspritzen notwendigen Oberflächen oder Konturen zu präparieren. Ein Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien wie Stahl und Kupfer in einer Form zu verbinden. Allerdings ist der MPA-Vorgang nicht ganz einfach zu beherrschen, weshalb man die Maschinen nicht im freien Verkauf anbietet, sondern nur die MPA-Dienstleistung über die Hermle Maschinenbau GmbH im deutschen Ottobrunn offeriert.

Laut Hermle sind mittlerweile drei MPA-Maschinen gut ausgelastet, vor allem mit Aufträgen aus dem Werkzeug- und Formenbau. So besteht unter anderem seit 2012 bei Volkswagen Interesse an dieser Technologie. Daraus entstand eine enge Zusammenarbeit mit dem Ziel, sie in der Grossserie einzusetzen. Nach mehreren Voruntersuchungen und Testreihen wird derzeit ein gesamtes Warmformwerkzeug mit generativ gefertigten Formbacken in Kooperation aufgebaut und erprobt.

Während die Hermle AG ihr additives Angebot auf der EMO nur mit einer Maschine dokumentierte, ging DMG Mori in die Vollen. Gezeigt wurde eine «einzigartige Prozesskette für die additive Komplettbearbeitung». Neben dem bereits erwähnten Pulverbettverfahren bietet das Unternehmen auch Maschinen auf Basis des Pulverdüseverfahrens, auch Laser Deposition Welding (LDW) oder Laser Metal Deposition (LMD) genannt; vulgo: Laserauftragsschweissen. Dabei wird Metallpulver über eine Düse auf ein Werkstück aufgetragen und mittels Laser aufgeschmolzen.

Die hybride Bearbeitung wird allerdings nur mit dem Pulverdüseverfahren der Baureihen «Lasertec 3D hybrid» praktiziert. Zur Verfügung stehen mit der «Lasertec 65 3D hybrid» und der «Lasertec 4300 3D hybrid» zwei Maschinen für die integrierte sechsachsige Dreh-Fräsbearbeitung. Die Maschinen bieten einen Arbeitsraum von Durchmesser 500 × 400 mm beziehungsweise Durchmesser 660 × 1300 mm, adressieren also eher grössere Werkstücke.

Wenn schon beide Verfahren im Konzern angeboten werden, stellt sich natürlich die Frage nach der Wertigkeit. Wie bereits erwähnt, schätzt DMG Mori-Bereichsleiter Patrick Diederich die hybride Bearbeitung durchaus als Möglichkeit, Werkstücke in Fertigteilqualität in einer Aufspannung herstellen zu können. Trotzdem sieht er das reine pulverbettbasierte 3D-Printing als Stand-alone-Variante aktuell ganz klar vorne: «Diese Technologie hat in der additiven Fertigung von Metallbauteilen einen Marktanteil von 80 Prozent.»

Dass die restlichen 20 Prozent für Werkzeugmaschinenhersteller durchaus interessant sind, zeigen die Aktivitäten von Yamazaki Mazak und Okuma. Dabei feierte die «Variaxis j-600/5X» von Mazak auf der EMO ihre Europapremiere. Das vertikale 5-Achsbearbeitungszentrum gehört mit dem Lichtbogenschweissprinzip zum Verfahrenstyp «additives Schweissen». Ein Beschichtungskopf am Spindelstock trägt CNC-gesteuert Schweissdraht auf ein Werkstück auf, bis eine endkonturnahe Form entstanden ist. Deutlicher Vorteil: der schnelle additive Prozess.

Mit einer Hauptspindel mit 12 000 min-1 Drehzahl und der B-Achse mit einem Drehbereich von + 90° bis - 120° verspricht die Maschine für die anschliessende Zerspanung die notwendige Genauigkeit und Produktivität mitzubringen. Über die Mazak-eigene «SmoothX-Steuerung» soll sich die Programmierung der Maschine recht einfach gestalten. Zielbranchen sind unter anderem Fertiger und Instandsetzer von Schiffsschraubenteilen, Formen, Matrizen und Bohrausrüstungsteilen für die Erdölindustrie.

Als zweite Hybride präsentierte der Hersteller mit der «Integrex i-300S AM» eine Pulverdüsemaschine auf Basis der Dreh-Fräszentren seiner erfolgreichen Integrex-Baueihe. Die Japaner garantieren bei diesem Verfahren die punktgenaue Pulverzuführung ohne schwerkraftbedingte Ablenkung des Pulverstrahls beim Schwenken des Beschichtungskopfes. Das Verfahren soll sich besonders für komplexe Konturen und die Feinmodellierung eignen, beispielsweise zum Beschichten eines Impellers oder zur Feinmodellierung einer Prägewalze. Um die dafür notwendigen Genauigkeiten realisieren zu können, wurde unter anderem der Beschichtungskopf neu konzipiert und verfügt nun über einen Gantry-Antrieb.

Ebenfalls als Europapremiere und ebenfalls als Pulverdüsemaschine präsentierte Okuma die «MU-6300V Laser EX». Das vertikale 5-Achs-BAZ fräst, dreht, schleift und fertigt additiv durch das Laserauftragsschweissen. Der Laser übernimmt zudem die Wärmebehandlung der Werkstücke. Das Härten auf der Maschine ist laut Okuma schneller und soll weniger Verformungen verursachen als konventionelle Verfahren. Zum Einsatz kommt übrigens ein Scheibenlaser von Trumpf.



((Bild: DMG Mori))


Fabian Graber, bei der BSF Bünter AG für 3D-Printing zuständig. (Bild: BSF Bünter)


Deutlicher Unterschied: Das linke Werkstück ist rein additiv gefertigt; das rechte Werkstück ist mit dem Lumex-Verfahren von Matsuura in einer Aufspannung komplett bearbeitet. (Bild: TR)

Vier Fragen an Fabian Graber, BSF Bünter AG

«Wir sind durch die Verfahrenstrennung flexibler»

Herr Graber, Ihr Unternehmen ist Lohnfertiger für komplexe Feinmechanikteile und beschäftigt sich seit einigen Jahren erfolgreich mit der additiven Fertigung. Sehen Sie in Hybridmaschinen für die metallische Fertigung, wie sie beispielsweise Matsuura mit der Lumex-Technologie anbietet, eine mögliche Erweiterung Ihres Angebotsspektrums?

Wir kennen diese Maschinen und haben auch in diese Richtung Überlegungen angestellt. Wir haben aber wieder Abstand davon genommen, da es zu viele offene Fragen gibt, unter anderem in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit: Denn wenn die Fräsmaschine in Aktion ist, steht die additive Fertigung und umgekehrt. Man muss sozusagen zwei Maschinen kaufen – mit dem entsprechenden Invest – kann aber immer nur eine Maschine betreiben. Zudem stellt sich auch noch die Frage nach der Wiederaufbereitung des Pulvers, das durch die Späne verunreinigt ist. Da wir beide Verfahren, also sowohl konventionelle Zerspanung wie auch 3D-Drucken, getrennt im eigenen Haus anbieten, sind wir flexibler, wenn die Bearbeitung der Teile auf getrennten Maschinen geschieht.

Sie könnten sich aber Konstellationen vorstellen, wo hybride Maschinen ihre Berechtigung haben?

Verstehen Sie mich nicht falsch, ich möchte diese Technologie nicht schlecht machen. Dazu kenne ich die Verfahren zu wenig und auch nicht aus erster Hand. Wenn das Produktespektrum passt und man beispielsweise hochwertige Oberflächen für innenliegende Konturen benötigt, hat das Lumex-Verfahren wahrscheinlich durchaus seine Berechtigung. Aber wir als Dienstleister müssen unser Angebot sehr breit anlegen, und da sehen wir in der Verfahrenstrennung, wie wir sie praktizieren, die bessere, da flexiblere Lösung.

Eine generelle Herausforderung beim 3D-Printing ist die richtige Aufbereitung der CAD/CAM-Daten. Wie beurteilen Sie die hybriden Maschinen in diesem Bereich?

Soweit ich bis jetzt gesehen habe, scheint die CAM-Seite bei diesen Maschinen durchaus zufriedenstellend gelöst. Man braucht allerdings entsprechend geschultes Personal, das sehen wir auch bei uns: Die Zerspaner beherrschen ihre Fräsmaschinen und die Drucker ihre 3D-Printing-Anlagen. Also nicht nur die hybriden Maschinen müssen beide Technologien beherrschen, sondern auch die Bediener.

Fakt ist, dass Sie nach wie vor die additiv gefertigten Metallteile konventionell veredeln müssen?

Ja, etwa 95 Prozent der gedruckten Teile werden noch mechanisch nachbearbeitet. Allerdings wird die additive Fertigungstechnologie immer besser und genauer, sodass dieser Anteil in ein paar Jahren auf vielleicht 75 Prozent sinken kann. Unser Weg ist ganz klar: Wir wollen weder reiner Zerspanungsbetrieb noch reiner 3D-Druck-Anbieter sein. Für uns liegt die Zukunft in der Kombination beider Welten.