Die additive Fertigung mittels Lichtbogenschweißen hat die Herangehensweise der Schwerindustrie an die Herstellung großformatiger Metallbauteile grundlegend verändert. Durch den Einsatz von Industrieroboterarmen und handelsüblichem Schweißdraht können Hersteller massive Bauteile für die Energie-, Schifffahrts- und Luftfahrtindustrie in einem Bruchteil der Zeit fertigen, die beim herkömmlichen Schmieden oder Gießen erforderlich wäre. Allerdings werden die Bauteile mit dieser Technologie in einem „Near-Net-Shape“-Zustand hergestellt. Um die strengen Endtoleranzen und glatten Oberflächen zu erreichen, die von den Normen für den Hoch- und Tiefbau gefordert werden, müssen diese gedruckten Teile einer subtraktiven CNC-Bearbeitung unterzogen werden.
Die entscheidende Schnittstelle zwischen der gedruckten Rohgeometrie und dem fertigen Präzisionsbauteil ist die Bearbeitungszugabe. Diese Zugabe ist das spezifische Volumen an Übermaterial, das dem digitalen Entwurf bewusst hinzugefügt wird und als Puffer dient, um sicherzustellen, dass die endgültige bearbeitete Oberfläche vollkommen sauber, präzise und völlig frei von Wellungen aus dem Druckprozess ist. Der richtige Umgang mit diesem Aufmaß ist eine wesentliche Kompetenz für jedes Fertigungsteam. Dieser Leitfaden erläutert die physikalischen Grundlagen von Oberflächenwelligkeit, untersucht Befestigungsstrategien für unregelmäßige Drucke, vergleicht Aufmaße bei verschiedenen Materialien und erklärt, wie fortschrittliche Software den Übergang von der additiven zur subtraktiven Fertigung optimiert.
Was ist ein Bearbeitungszuschlag und warum ist er so wichtig?
Im Zusammenhang mit der Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung ist das Bearbeitungszugabe die zusätzliche Metallschicht, die über die angestrebte Endgeometrie hinaus aufgebracht wird. Wenn der Roboterarm den Druckvorgang beendet hat, ist das Bauteil bewusst überdimensioniert. Eine CNC-Fräsmaschine oder -Drehmaschine entfernt dann diese zusätzliche Schicht, um die exakten Endmaße freizulegen.
Die Berechnung des perfekten Taschengeldes ist ein heikler Balanceakt.
Ist die Aufmaßhöhe zu gering, kann das Schneidwerkzeug die tiefsten Vertiefungen der rohen Schweißnahtoberfläche nicht erreichen. Dadurch bleiben sichtbare, unbearbeitete Schweißnähte am Endprodukt zurück, die als Spannungskonzentratoren wirken und letztendlich zum Ausschuss des Bauteils führen.
Ist der Aufmaß hingegen zu groß, verschwendet der Hersteller wertvolles Rohmaterial, übermäßig viel Schutzgas und wichtige Roboter-Druckzeit. Darüber hinaus führt das Abtragen einer zu großen Menge an Metall in der Nachbearbeitungsphase zu einem drastischen Anstieg der CNC-Bearbeitungszeit und beschleunigt den Verschleiß teurer Schneidwerkzeuge. Die Optimierung dieses überschüssigen Materials ist der Schlüssel zur Maximierung des wirtschaftlichen Nutzens des großformatigen Metall-3D-Drucks.
Die Physik der Oberflächenwelligkeit
Um den korrekten Materialzuschlag zu berechnen, müssen Ingenieure zunächst verstehen, warum die Rohoberfläche eines Drahtlichtbogendrucks uneben ist. Beim Auftragschweißverfahren trägt ein Schweißbrenner Schicht für Schicht durchgehende Schweißraupen aus geschmolzenem Metall auf.
Wenn sich ein zylindrischer Tropfen aus flüssigem Metall verfestigt, bildet er eine abgerundete Kante. Wird die nächste Schicht direkt darauf aufgebracht, lagern sich die beiden abgerundeten Tropfen übereinander und bilden so ein wellenförmiges Profil entlang der vertikalen Wand des Bauteils. Die Tiefe dieser Welle, gemessen vom höchsten Punkt des Tropfens bis zum tiefsten Punkt zwischen den Schichten, wird als Oberflächenwelligkeit bezeichnet.
Das Ausmaß dieser Welligkeit hängt von drei Hauptvariablen ab:
- Drahtdurchmesser und Abscheidungsrate
- Schichthöhe und Raupenbreite
- Zusammensetzung des Schutzgases und Oberflächenspannung des Materials
Bei einer hohen Abscheidungsrate, die darauf ausgelegt ist, ein großes Bauteil schnell zu fertigen, werden in der Regel ein dickerer Draht und eine größere Schichthöhe verwendet, was zu einer sehr ausgeprägten Oberflächenwelligkeit führt. Bei einer Strategie mit feiner Abscheidung kommen ein dünnerer Draht und geringere Schichthöhen zum Einsatz, was zu einem wesentlich glatteren Oberflächenprofil führt. Die Bearbeitungszugabe muss stets deutlich größer sein als die maximale Tiefe der tiefsten Vertiefung der Wellenform.
Wichtige Faktoren, die die Berechnung der Zulagen beeinflussen
Abgesehen von einfachen Oberflächenwelligkeiten bestimmen verschiedene komplexe metallurgische und thermische Faktoren, wie viel zusätzliches Material in das digitale Modell einkalkuliert werden muss.
Thermische Verformung und Schrumpfung
Wenn flüssiges Metall auf Raumtemperatur abkühlt, zieht es sich zusammen. Bei Teilen mit einer Größe von mehreren Metern kann sich diese thermische Schrumpfung über Tausende von Schichten hinweg verstärken, was dazu führt, dass sich die Gesamtgeometrie nach innen zieht oder sich leicht verzieht. Wenn das Konstruktionsteam diese globale Verformung nicht berücksichtigt, kann das fertige Teil außerhalb des Solltoleranzbereichs liegen. Ingenieure müssen an Stellen, die zu starker Verformung neigen, großzügige Aufmaße einplanen, um sicherzustellen, dass das CNC-Werkzeug trotz der zugrunde liegenden Krümmung des Rohteils noch genügend Material hat, um eine perfekt gerade Linie zu schneiden.
Oberflächenoxidation und Alpha-Fall
Bestimmte Hochleistungslegierungen reagieren bei erhöhten Temperaturen mit Sauerstoff. Titan beispielsweise bildet an seiner Oberfläche eine spröde, sauerstoffangereicherte Schicht, die als Alpha-Schicht bezeichnet wird, wenn es beim Abkühlen atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt ist. Diese spröde Schicht weist äußerst schlechte mechanische Eigenschaften auf und muss vollständig entfernt werden. Bei Titan-Druckteilen muss die Zerspanungszugabe dick genug sein, um die vollständige Beseitigung dieser verunreinigten Oberflächenzone zu gewährleisten, bis hin zum reinen, duktilen Grundmetall darunter.
Eckenradien und Werkzeugzugang
Innenecken stellen eine besondere Herausforderung dar. Ein Roboterschweißbrenner benötigt einen bestimmten Mindestwenderadius und kann keine perfekt scharfen rechten Innenwinkel aufbringen. Auch CNC-Schneidwerkzeuge weisen bestimmte Radien auf. Der digitale Aufmaß muss die physische Größe der Schweißbrennerdüse berücksichtigen, um sicherzustellen, dass der Roboter den Bereich tatsächlich erreichen kann, um das zusätzliche Material aufzubringen, und gleichzeitig zu gewährleisten, dass die CNC-Spindel später in die Aussparung gelangen kann, um es zu entfernen.
Vergleich der Toleranzen: Werkstoffe und Verfahren
Verschiedene Metalle verhalten sich unter der intensiven Hitze eines Lichtbogens unterschiedlich. Manche fließen gleichmäßig und bilden flache Schweißraupen, während andere sich steil auftürmen. Die folgende Tabelle bietet einen Vergleichsrahmen für typische Toleranzen, basierend auf verschiedenen WAAM-Werkstoffen und der Komplexität der Bauteile.
| Materialart | Strömungseigenschaften | Risiko thermischer Verformung | Empfohlene Mindestdicke |
| Kohlenstoffstahl | Sehr flüssiges, reibungsloses Stapeln | Mäßig | 2 bis 4 Millimeter |
| Edelstahl | Zähflüssig, ausgeprägte Wellenbildung | Hoch | 3 bis 5 Millimeter |
| Super-Duplex-Edelstahl | Sehr zähflüssig, steile Tropfen | Hoch | 4 bis 6 Millimeter |
| Aluminiumlegierungen | Sehr flüssige, breite, flache Perlen | Sehr hoch | 3 bis 5 Millimeter |
| Titanlegierungen | Sauberes Stapeln unter Schutzgas | Mäßig | 4 bis 6 Millimeter Abstand zum Alpha-Gehäuse |
Es ist wichtig, die „Near-Net-Shape“-Fähigkeiten der Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung mit den traditionellen Verfahren der Schwerindustrie zu vergleichen.
| Herstellungsverfahren | Typische Rohmaßtoleranz | Erforderliche typische Bearbeitungszugabe | Lieferzeit |
| Additive Fertigung mittels Lichtbogen | plus/minus 1 bis 2 Millimeter | 2 bis 6 Millimeter | Tage bis Wochen |
| Sandguss | plus/minus 3 bis 5 Millimeter | 5 bis 15 Millimeter | Monate |
| Freiformschmieden | plus/minus 10 bis 20 Millimeter | 10 bis 30 Millimeter | Monate |
Dieser Vergleich verdeutlicht, warum der drahtbasierte 3D-Druck so bahnbrechend ist. Zwar erfordert er eine Nachbearbeitung, doch ist die Menge an überschüssigem Material, die entfernt werden muss, deutlich geringer als beim Freiformschmieden oder beim Schweren Sandguss.
Strategien zur Aufspannung großer, unregelmäßiger Geometrien
Bevor ein „Near-Net-Shape“-Bauteil bearbeitet werden kann, muss es fest auf dem CNC-Tisch eingespannt werden. Dies stellt eine enorme logistische Herausforderung dar. Im Gegensatz zu einem perfekt rechtwinkligen Rohstahlblock weist ein „Near-Net-Shape“-Druckteil wellige, organische und unregelmäßige Oberflächen auf. Herkömmliche CNC-Spannvorrichtungen können diese welligen Wände nicht sicher festhalten.
Um dieses Problem zu lösen, wenden Fertigungsingenieure verschiedene spezielle Spannvorrichtungsstrategien an:
- Drucken von Hilfslaschen: Während der digitalen Konstruktionsphase können Ingenieure künstlich quadratische Blöcke oder massive Laschen an der Außenkante des Modells anbringen. Der Drucker druckt diese Laschen gezielt so, dass die CNC-Spannvorrichtungen eine ebene, rechteckige Greiffläche vorfinden. Sobald die entscheidenden Merkmale bearbeitet sind, werden diese Laschen abgeschnitten und recycelt.
- Verwendung der ursprünglichen Trägerplatte: Die gängigste Vorgehensweise besteht darin, das gedruckte Teil fest auf seiner ursprünglichen Stahlträgerplatte zu belassen. Die Trägerplatte ist vollkommen eben und lässt sich problemlos auf dem CNC-Tisch befestigen. Die Maschine fräst die gesamte obere Geometrie, und anschließend trennt eine Bandsäge oder eine Drahterodiermaschine das fertige Teil von der Trägerplatte ab.
- Spezielle Stützvorrichtungen: Bei hochkomplexen Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt oder die Schifffahrt können Ingenieure eine maßgeschneiderte, an die Form angepasste Stützvorrichtung aus einem kostengünstigeren Material wie Polymer oder Kohlenstoffstahl drucken, die speziell dafür ausgelegt ist, das unregelmäßig geformte Metalldruckteil während der abschließenden Bearbeitungsphase zu stützen.
Verringerung von Werkzeugvibrationen und CNC-Verschleiß
Die Bearbeitung einer welligen Metalloberfläche stellt eine außerordentlich hohe Belastung für Schneidwerkzeuge dar. Da die Oberfläche aus Erhebungen und Vertiefungen besteht, greift das rotierende Schneidwerkzeug ständig in das Metall ein und löst sich wieder davon. Dieses Phänomen wird als unterbrochener Schnitt bezeichnet.
Unterbrochene Schnitte verursachen heftige Vibrationen, die als Werkzeugflattern bezeichnet werden und spröde Hartmetalleinsätze zerbrechen sowie die Lager der CNC-Spindel beschädigen können. Darüber hinaus können die dem Druckprozess innewohnenden schnellen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen zu einer lokalen Verhärtung in den Schweißnähten führen, wodurch harte Stellen entstehen, die Standardwerkzeuge sofort stumpf machen.
Um diese Probleme zu mindern, müssen Zerspanungsfachkräfte bestimmte Strategien anwenden. Erstens setzen sie spezielle Fräser mit hochzähen, schlagfesten Hartmetallsorten anstelle von Standard-Hartmetallsorten mit hoher Härte ein. Zweitens muss der erste Schruppdurchgang so programmiert werden, dass tief genug eingetaucht wird, um kontinuierlich durch das massive Metall unterhalb der Täler zu schneiden, anstatt über die Spitzen der Rillen hinwegzugleiten. Eine großzügige Kühlmittelzufuhr ist ebenfalls unerlässlich, um Metallspäne abzutransportieren und die Wärme zu bewältigen, die beim Zerspanen zäher Legierungen wie Super-Duplex oder Inconel entsteht.
Optimierung der Zulagen mit der Software MetalXL
Der Übergang von der Roboter-Druckzelle zur subtraktiven CNC-Maschine ist traditionell die fehleranfälligste Phase des Fertigungsablaufs. MX3D optimiert diesen Übergang mithilfe der MetalXL-Software- Suite vollständig.
Mit dem MetalXL-CAM-Modul können Ingenieure die endgültige Zielgeometrie auf einfache Weise versetzen und so mathematisch die für das jeweilige Material erforderliche präzise Opferhaut generieren. Die Software berechnet automatisch die optimale Bahnplanung, um diese überdimensionierte Geometrie mit maximaler Effizienz zu fertigen und unnötigen Materialverlust zu vermeiden.
Darüber hinaus ist es branchenüblich, nach dem physischen Druck des Teils einen 3D-Laserscanner einzusetzen, um die physische Realität des verzogenen, welligen Teils zu erfassen. Der MetalXL-Workflow ermöglicht es Ingenieuren, diese Scandaten zu nutzen und sie mithilfe fortschrittlicher Best-Fit-Algorithmen perfekt mit dem digitalen Zwilling abzugleichen. Dieser digitale Abgleich stellt sicher, dass der CAM-Programmierer bei der Erstellung der CNC-Fräsbahnen genau weiß, wo sich das physische Metall im realen Raum befindet, wodurch das Risiko vermieden wird, dass das Schneidwerkzeug ins Leere trifft oder gefährlich tief in eine unerwartete Erhebung eindringt.
Häufig gestellte Fragen
Was bedeutet „Near-Net-Shape“ im Metalldruck?
„Near-Net-Shape“ bedeutet, dass bei diesem Fertigungsverfahren ein Bauteil entsteht, dessen Abmessungen bereits sehr nahe an den endgültigen Maßen liegen, das jedoch einen nachgelagerten subtraktiven Bearbeitungsschritt erfordert, um die endgültigen präzisen Toleranzen und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen.
Warum können wir Metallteile nicht vollkommen glatt drucken?
Beim additiven Fertigungsverfahren mittels Lichtbogen basieren die Strukturen auf dem Aufschichten von Schmelzperlen aus geschmolzenem Schweißdraht. Aufgrund der Oberflächenspannung nimmt flüssiges Metall physikalisch bedingt eine abgerundete, zylindrische Form an. Wenn sich diese abgerundeten Perlen Schicht für Schicht aufschichten, entsteht zwangsläufig eine leicht gerippte oder gewellte Oberflächenstruktur.
Wie viel Aufmaß sollte bei der Bearbeitung vorgesehen werden?
Die genaue Menge hängt stark vom gewählten Material, der gewählten Abscheidungsrate und der Gesamtgröße des Bauteils ab. Im Allgemeinen wird ein Mindestaufmaß von 3 bis 6 Millimetern empfohlen, um sicherzustellen, dass alle Vertiefungen in der Oberfläche und mögliche thermische Verformungen beim Fräsen sicher ausgeglichen werden.
Wie spannt man ein gewelltes Druckteil in einer CNC-Maschine ein?
In der Regel lassen Ingenieure das gedruckte Teil auf seiner flachen, ursprünglichen Ausgangsgrundplatte, die sich leicht am Maschinenbett festklemmen lässt. Alternativ können quadratische Haltelaschen gezielt direkt an den Seiten des Teils gedruckt werden, damit Standard-Schraubstöcke es festhalten können.
Macht das Drucken von überschüssigem Material die Kosteneinsparungen der additiven Fertigung zunichte?
Nein. Zwar geht dabei etwas Material verloren, doch erfordert die Draht-Lichtbogen-Additivfertigung immer noch deutlich weniger Aufmaß als herkömmliches Schwer-Sandgussverfahren oder Freiformschmieden. Die Einsparungen bei Rohmaterial und Gesamtdurchlaufzeit überwiegen bei weitem die Kosten für das Abfräsen von wenigen Millimetern überschüssigem Material.
