Seit Jahrzehnten stützt sich die Feinmechanik auf eine streng subtraktive Arbeitsweise. Um ein großes Metallbauteil herzustellen, beschafft sich ein Maschinenbauunternehmen einen massiven Rohmaterialblock, spannt diesen in einer hochbelastbaren CNC-Maschine ein und fräst langsam das überschüssige Material ab, bis die endgültige Form erreicht ist. Dieser Prozess gewährleistet zwar strenge Maßtoleranzen, ist jedoch für großformatige Industrieteile grundsätzlich ineffizient.
Heutzutage stehen Produktionsleiter unter zunehmendem Druck, die Spindelverfügbarkeit zu erhöhen, Rohstoffverschwendung zu reduzieren und Lieferzeiten zu verkürzen. Die Lösung für diesen industriellen Engpass ist die hybride Metallfertigung, eine strategische Integration auf Systemebene von additiver Fertigung – insbesondere der Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung (WAAM) – und subtraktiver CNC-Bearbeitung. Durch die gezielte Kombination dieser Verfahren in einem koordinierten Arbeitsablauf können Fabriken eine hohe geometrische Freiheit und einen schnellen Materialauftrag erzielen und gleichzeitig die unübertroffene Präzision einer Fräsmaschine beibehalten.
Wir werden die technischen und wirtschaftlichen Vorteile der hybriden Fertigung untersuchen und dabei detailliert darlegen, wie Maschinenbauunternehmen herkömmliche Verfahren übertreffen können.
Der subtraktive Engpass in der Schwerindustrie
Um den Wert eines hybriden Arbeitsablaufs zu verstehen, muss man zunächst die versteckten Kosten der rein subtraktiven Fertigung beziffern. Wenn eine Maschinenwerkstatt einen Auftrag für ein großes, maßgefertigtes Laufrad, eine Halterung oder eine schwere Schmiedeform annimmt, führt die Bearbeitung eines massiven Rohstücks zu erheblichen betrieblichen Reibungsverlusten.
- Geringe Materialausnutzung: Bei der herkömmlichen subtraktiven Fertigung kann das Verhältnis von Materialaufwand zu Endproduktgewicht 10:1 übersteigen. Das bedeutet, dass ein Betrieb beispielsweise einen 100 Kilogramm schweren Rohling aus teurem Titan kauft, um dann 90 Kilogramm davon abzutragen, um ein 10 Kilogramm schweres Bauteil herzustellen.
- Übermäßige Spindelzeit: CNC-Maschinen generieren nur dann Umsatz, wenn sie Aufträge ausführen. Das Aushöhlen großer Mengen an Rohmaterial bindet eine mehrere Millionen Pfund teure Maschine tagelang oder sogar wochenlang für ein einziges Bauteil.
- Beschleunigter Werkzeugverschleiß: Starke Schruppbearbeitungsdurchgänge erzeugen enorme Hitze und Reibung. Bei der Bearbeitung von gehärteten Legierungen wie Inconel oder Werkzeugstahl verschleißen die Schneidwerkzeuge schnell, was die Endkosten des Bauteils durch hohe Betriebskosten für Verbrauchsmaterialien erheblich erhöht.
- Verzögerungen in der Lieferkette: Die Beschaffung von übergroßen Knüppeln oder Sonderformteilen erfordert oft monatelange Wartezeiten, wodurch Maschinenbauunternehmen vollständig von den Zeitplänen externer Gießereien abhängig sind.
Zwei Paradigmen der hybriden Fertigung
Die hybride Fertigung ist nicht nur ein einzelner Prozess, sondern eine gezielte Verknüpfung zweier unterschiedlicher physikalischer Umwandlungsprozesse. In der Praxis erfolgt diese Integration über zwei Hauptabläufe.
Erst ausführen, dann abschließen
Dies ist der gängigste Ansatz für große Bauteile. Ein robotergestütztes WAAM-System trägt einen Rohling in nahezu endgültiger Form auf und formt das Bauteil bis auf wenige Millimeter an seine endgültigen Abmessungen heran. Nach Abschluss des Auftragschweißens wird das Bauteil einer Spannungsentlastung unterzogen und anschließend zur endgültigen Präzisionsbearbeitung auf eine hochsteife CNC-Werkzeugmaschine überführt.
Iterative Bearbeitung innerhalb der Hüllkurve
Bei hochkomplexen Bauteilen mit internen Kühlkanälen oder schwer zugänglichen Passflächen setzen Hersteller auf eine prozessorientierte Abfolge. Anstatt das gesamte Bauteil vor der Bearbeitung zu drucken, trägt das System zunächst einen bestimmten Bereich auf, hält dann an, damit die CNC-Spindel die kritischen Innenflächen bearbeiten kann, und setzt anschließend den Aufbauprozess fort. Dadurch wird die falsche Wahl zwischen additiver und subtraktiver Fertigung vermieden, da sichergestellt wird, dass die Bezugspunktkontrolle und feine Oberflächengüten während des gesamten Bauprozesses gewährleistet sind.
Überwindung metallurgischer Grenzen
Eine seit langem bestehende Sorge unter traditionellen Zerspanern ist die Frage, ob 3D-gedrucktes Metall den hohen Belastungen bei der CNC-Bearbeitung standhalten kann. Bei unkontrollierten additiven Verfahren kann es aufgrund steiler Temperaturgradienten zu groben, säulenförmigen Körnern kommen, die entlang der Baurichtung ausgerichtet sind, was zu einer Richtungsschwäche führt.
Moderne hybride WAAM-Verfahren wirken diesen Fehlern jedoch aktiv entgegen. Durch die Integration einer strengen thermischen Überwachung und in einigen Fällen einer mechanischen Verformung zwischen den Durchläufen fördert das hybride WAAM-Verfahren einen Übergang von säulenförmigen zu gleichachsigen Körnern. Diese fortschrittliche metallurgische Steuerung reduziert die Anisotropie und verbessert die mechanischen Eigenschaften drastisch, was zu einer Steigerung der Streckgrenze um 20 bis 40 Prozent und einer Erhöhung der Dehnung bei Legierungen wie Titan, Aluminium und Duplexstahl führt. Folglich verhält sich das resultierende Material bei der Bearbeitung genau wie ein hochwertiger Schmiedeblock.
Die für die Nachbearbeitung erforderliche CNC-Infrastruktur
Um eine Endgenauigkeit von plus/minus 0,005 Millimetern zu erreichen, bedarf es mehr als nur eines additiven Systems; es erfordert eine robuste CNC-Infrastruktur.
Da WAAM-Teile in einer nahezu endkonturierten Form mit einer von Natur aus rauen Oberfläche hergestellt werden, müssen sie zunächst einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die beim Prozess mit hoher Wärmeeinbringung entstehenden inneren Eigenspannungen abzubauen. Nach der thermischen Stabilisierung erfordern die Teile hochsteife CNC-Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise 5-Achs-Bearbeitungszentren oder Fräsmaschinen mit beweglicher Säule, um den Aufmaßbereich effektiv abzutragen. Eine intelligente Software zur Werkzeugwegplanung ist hier entscheidend, da sie die Neufestlegung des Bezugspunkts durch Abtastung ermöglicht und die Kollisionsvermeidung mit der sich entwickelnden Ist-Geometrie gewährleistet.
Die wirtschaftlichen und betrieblichen Auswirkungen
Die Integration eines 3D-Roboterdruckers in eine herkömmliche CNC-Umgebung bringt erhebliche finanzielle Vorteile mit sich.
Durch die Umstellung auf eine „Near-Net-Shape“-Strategie vermeiden es die Einkaufsabteilungen, für Metall zu bezahlen, das für den Schrott bestimmt ist. Standard-Schweißdraht ist nicht nur äußerst kostengünstig, sondern wird zudem fast genau in der Menge gekauft und verbraucht, die dem Gewicht des Endteils entspricht.
Darüber hinaus führt der Wegfall der aufwendigen Schruppphase zu einer drastischen Verkürzung der gesamten CNC-Spindellaufzeit, wodurch enorme latente Kapazitäten in der Fertigungswerkstatt freigesetzt werden. Wirtschaftliche und ökologische Bewertungen hybrider additiver Fertigungsketten zeigen, dass die Integration von WAAM in Umform- und Zerspanungsprozesse zu einer außergewöhnlichen Senkung der Produktionskosten führt, die im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung von massiven Rohlingen oder Druckgussteilen zwischen 67,8 und 84,5 Prozent liegt.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die hybride Metallfertigung?
Es handelt sich um eine Integration auf Systemebene, bei der zwei oder mehr unterschiedliche Fertigungsprozesse – meist additive Fertigung und subtraktive CNC-Bearbeitung – in einem koordinierten Arbeitsablauf miteinander kombiniert werden.
Wie senkt die hybride Fertigung die Kosten?
Durch die additive Fertigung von Bauteilen in nahezu endkonturgetreuer Form vermeiden Hersteller den Kauf massiver, überdimensionierter Rohlinge. Dies senkt den Rohstoffverbrauch und reduziert den Zeitaufwand sowie den Werkzeugverschleiß, die mit der CNC-Grobbearbeitung verbunden sind, erheblich, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren Kosteneinsparungen von bis zu 84,5 Prozent erzielt werden.
Was sind die metallurgischen Vorteile des hybriden WAAM-Verfahrens?
Fortschrittliche Hybridverfahren können den Übergang von säulenförmigen zu gleichachsigen Kristallkörnern fördern. Dies verfeinert die Mikrostruktur, mindert Defekte und verbessert die Streckgrenze sowie die Dehnung, wodurch sichergestellt wird, dass sich das Bauteil vorhersehbar bearbeiten lässt und in anspruchsvollen industriellen Anwendungen zuverlässig funktioniert.
Welche Software wird für diesen Vorgang benötigt?
Für diesen Arbeitsablauf ist eine spezielle Prozesssteuerungssoftware wie MX3D MetalXL erforderlich, um den robotergestützten Schichtungsprozess und die thermodynamischen Abläufe zu steuern, sowie eine fortschrittliche CAM-Software zur Kollisionsvermeidung, zur Abtastung und zur Planung der abschließenden subtraktiven Bearbeitungsschritte.
