CNC-Bearbeitung und 3D-Druck für Metallteile
Wie subtraktive und additive Fertigung die ideale Gleichung für die Metallfertigung bilden.
Entwickeln Sie Metallteile? Wenn Sie die CNC-Bearbeitung und den 3D-Druck mit Metall in Ihr Repertoire an Fertigungswerkzeugen aufnehmen, sind Sie nicht nur beim Design der Teile flexibler. Sie können diese nämlich außerdem in kürzerer Zeit und kostengünstiger als je zuvor zu beschaffen. Um davon zu profitieren, ist es jedoch wichtig zu verstehen, welches die gemeinsamen Stärken und inhärenten Unterschiede der Verfahren sind und wie Sie diese am besten für sich nutzen.
Machen Sie sich das Yin und Yang der Metallfertigung zu eigen!
In keinem anderen Bereich ist der Zusammenhang so signifikant wie zwischen der CNC-Bearbeitung und dem direkten Metall-Lasersintern (DMLS), der führenden Technologie für den 3D-Druck komplexer Metallteile. Beim DMLS lässt sich mit nicht mehr als einem Laserstrahl und einem Haufen Metallpulver praktisch jede Form abbilden. Das Verfahren kann jedoch einige Zeit in Anspruch nehmen. Die Maschinenbearbeitung hingegen ist in Bezug auf die Geometrie eingeschränkter, bietet jedoch weitaus schnellere Produktionsgeschwindigkeiten. Die Entscheidung über das jeweils richtige Verfahren hängt vor allem von zwei Fragen ab: A) Lassen sich die Teile mittels Maschinenbearbeitung herstellen?, und B) Wie viele Teile werden benötigt?
In vielen Fällen können sich die beiden Fertigungsverfahren ergänzen. Hier ein paar Beispiele. Häufig ist die metallbasierte additive Fertigung auf deren subtraktives Alter Ego angewiesen, um den Auftrag ausführen zu können. Löcher müssen gebohrt oder aufgerieben, Gewinde geschnitten oder gefräst und kritische Oberflächen gefräst, gedreht oder auf Maß geschliffen werden. Zumindest jedoch brauchen 3D-Druckteile ein paar Streicheleinheiten in Form von Reinigen, Strahlen und Entfernen der Stützstrukturen, wodurch der Besuch einer Maschinenwerkstatt ziemlich sicher sein dürfte.
1. DIE METALLFERTIGUNG IM GRIFF
3D-Druck und Maschinenbearbeitung mit Metall bilden ein gutes Paar zur:
- Verbesserung der Teilegenauigkeit
- Oberflächenveredelung
- maschinellen Beseitigung von Stützstrukturen
- Aufspannung von Komponenten, falls erforderlich
Was bedeutet all dies für Sie oder alle, die nach der effizientesten Lösung zur Fertigung funktionsfähiger Prototypen und kleiner Stückzahlen von Metallteilen für die Endanwendung suchen? Viel. Mit einer Strategie, bei der der 3D-Druck und die Maschinenbearbeitung mit Metall verschiedene Schritte im selben Fertigungsprozess bilden, können Sie das Beste aus beiden Welten nutzen und dabei böse Überraschungen vermeiden, die Kosten reduzieren und das Teiledesign optimieren. Hier ein paar Überlegungen, die Sie anstellen sollten, bevor Sie Ihr nächstes Designprojekt zur Herstellung von Metallteilen in Angriff nehmen.
2. Metallteile bauen oder zerspanen?
Wie am Anfang dieses Design-Tipps erwähnt, ist ein guter Überblick über die einzelnen Verfahren wichtig. Wir wissen, dass dies für viele Ingenieure zum Allgemeinwissen gehört. Lassen Sie uns aber trotzdem kurz darauf eingehen.
Von den fünf additiven Fertigungstechnologien, die bei Protolabs zum Einsatz kommen (und den Löwenanteil aller 3D-Druckverfahren weltweit stellen), ist DMLS das einzige Verfahren zum Drucken von Metall. Wie bei jedem anderen pulverbettbasierten Druckverfahren, werden hierbei mit einem Laser (oder mehreren Lasern) pulvergroße Metallkörnchen in der Prozesskammer der Maschine verschmolzen. Von unten nach oben verschmilzt die Maschine nacheinander die papierdünnen Schichten des Werkstücks. Dabei zieht ein Rakel das frische Pulver nach jedem Schritt über die Oberfläche, bis das Teil komplett ist.
Bei der maschinellen Bearbeitung hingegen wird Metall mithilfe von superhartem Schneidwerkzeug entfernt, entweder durch Drehen des Werkzeugs gegen und um ein aufgespanntes Werkstück (Fräsen) oder durch Bewegen eines feststehenden Schneidwerkzeugs gegen und um ein sich drehendes Werkstück (Drehen). Es gäbe noch viel mehr über das Bearbeitungsverfahren zu sagen. Zunächst ist es jedoch wichtig zu wissen, dass die maschinelle Bearbeitung dort weitermacht, wo DMLS aufhört. Anders ausgedrückt: Während beim DMLS-Verfahren Material in einzelnen Schichten hinzugefügt wird, wird bei der Bearbeitung Material entfernt – manchmal große Brocken, manchmal jedoch nur sehr wenig – um feine Oberflächen zu erhalten.
Wenn Sie Metallteile entwerfen, sollten Sie darüber nachdenken, sowohl die CNC-Bearbeitung als auch den 3D-Druck (direktes Metall-Lasersintern oder DMLS) in Ihr Repertoire an Fertigungswerkzeugen aufzunehmen. Dabei geht es nicht mehr um ein Entweder-oder, denn die Kombination aus subtraktiver und additiver Methode kann dazu beitragen, dass die Fertigung mit Metall erfolgreich verläuft.
3.Überlegungen zur Genauigkeit bei Metallteilen
Obwohl sich mittels DMLS extrem komplexe Formen herstellen lassen, die auf andere Weise nicht machbar wären, hat auch dieses Verfahren seine Grenzen. Kurze Info für Neueinsteiger: Bei der Arbeit mit dem Laser wird das Metall zunächst stark erhitzt und kühlt danach ab, was Eigenspannungen verursacht, die nach dem 3D-Druck mittels Wärmebehandlung beseitigt werden müssen. Dies sagt den Designern des Teils wenig, außer, dass der Spannungsabbau mit einer gewissen Teilebewegung und daher einem Genauigkeitsverlust verbunden ist. Dies ist ein Grund – wenn auch nicht der einzige – warum sogar die Merkmale gut konzipierter DMLS-Teile maschinell bearbeitet werden müssen, wenn Toleranzen von weniger als ±0,1 mm einzuhalten sind.
4. Dort weitermachen, wo DMLS aufhört
Ein weiterer Grund dafür, DMLS und maschinelle Bearbeitung miteinander zu kombinieren, ist die Oberflächenveredelung. Auf einer vertikalen oder horizontalen Fläche produziert das DMLS-Verfahren Teile, deren Rauheit in etwa der beim Sandguss entspricht. Bei allen anderen Oberflächen ist ein gewisser Stufeneffekt sichtbar, der maßgeblich von der Lage des Teils in der Prozesskammer abhängt. Wenn Sie für Ihr Design eine glatte Oberfläche benötigen, muss das Teil gestrahlt, geschliffen oder möglicherweise maschinell bearbeitet werden. Dieser letzte Schritt stellt kein großes Problem dar, sofern Ihr Design nicht an Stellen, die mit dem Schaftfräser, dem Bohrer oder dem Drehwerkzeug nicht zu erreichen sind, eine feine Oberfläche verlangt. In jedem Fall sollten Sie auf solche kritischen Merkmale hinweisen, wenn Sie Protolabs Ihr CAD-Modell vorlegen, damit Merkmale, die z. B. maschinell nachbearbeitet werden müssen, identifiziert werden können.
Auf einer vertikalen oder horizontalen Fläche produziert das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) Teile, deren Rauheit in etwa der beim Sandguss entspricht. Bei allen anderen Oberflächen ist ein gewisser Stufeneffekt sichtbar. Wenn Sie für Ihr Design eine glatte Oberfläche benötigen, muss dieser Stufeneffekt gestrahlt, geschliffen oder maschinell bearbeitet (siehe Abbildung rechts) werden.
5. Entfernen von DMLS-Stützkonstruktionen
Stützkonstruktionen sollten beim Entwickeln von Metallteilen in der additiven Fertigung ebenfalls in Betracht gezogen werden. DMLS ist in etwa mit dem Bau einer Sandburg zu vergleichen: Ohne ein paar Muscheln und Zweige, die das Ganze zusammenhalten, stürzen die Schutzwälle und Burgtore ein. Beim DMLS-Verfahren werden gerüstartige Strukturen benötigt, die verhindern, dass das halbgeschmolzene Metall durchhängt, sich kräuselt oder sich auf andere Weise unerwünscht verhält. Oft können diese Stützstrukturen mit einem Dremel entfernt werden. Die maschinelle Bearbeitung ist möglicherweise jedoch die bevorzugte Methode, wenn größere Teilemengen gebraucht werden oder das Werkstück für eine der zuvor genannten Dreh-, Bohr- oder Fräsarbeiten sowieso in die Maschinenwerkstatt muss.
6. Aufspannen von Druckteilen
Im Gegensatz zum DMLS-Verfahren, bei dem nur eine einfache Bauplattform benötigt wird, auf der das Werkstück bis zur Fertigstellung steht, müssen maschinell bearbeitete Teile festgeklemmt, verschraubt oder auf andere Weise sicher an der Maschine befestigt werden, um durch das Schneidwerkzeug verursachte Bewegungen zu verhindern. Wie kann der Zerspanungsmechaniker ein 3D-gedrucktes Werkstück, das ausschließlich aus geschwungenen, organischen Formen besteht (was den 3D-Druck besonders attraktiv macht), am besten für das Dreh- oder Fräsverfahren aufspannen? Halten Sie Rücksprache mit einem Anwendungstechniker von Protolabs. Möglicherweise müssen Sie ein paar parallele Flächen oder Montagebohrungen in Ihr Design aufnehmen, mit denen Sie das 3D-gedruckte Werkstück für die maschinelle Bearbeitung aufspannen können.
Häufig ist ein Aufspannen von Druckteilen notwendig. Hierfür muss eine Lasche oder eine andere Vorrichtung zum CAD-Modell hinzugefügt und diese direkt an das Teil gedruckt werden, wie hier zu sehen. Sie kann nach der Bearbeitung wieder entfernt werden.
7. Ein paar Gedanken zur Bearbeitbarkeit
Zu guter Letzt sollten Sie Überlegungen zum Metall anstellen. Die beim DMLS-Verfahren verwendeten Laser haben kein Problem mit harten oder robusten Metallen, Schneidwerkzeuge hingegen sehr wohl. Das DMLS-Verfahren ist bekannt dafür, dass sich damit Metalle drucken lassen, die sich für die Bereiche Medizin sowie Luft- und Raumfahrttechnik eignen, wie z. B. Titan, Inconel und andere, denn es kommt mit unterschiedlichen Laserparametern und Baugeschwindigkeiten relativ gut zurecht. Die maschinelle Bearbeitung dieser Metalle hingegen erfordert geringere Schnitttiefen, langsamere Drehzahlen und Vorschübe (und den Fachjargon zu gebrauchen), und geht mit einem höheren Werkzeugverschleiß und einer längeren Bearbeitungszeit einher. Alle Optionen von Protolabs für die maschinelle Bearbeitung und den 3D-Druck mit Metall finden Sie im Leitfaden zum Werkstoffvergleich. Neben einer Auflistung der Werkstoffe finden Sie in diesem Leitfaden weitere werkstoffbezogene Fragestellungen. Wenn z. B. Protolabs einen bestimmten Werkstoff nicht bearbeitet, bedeutet dies nicht unbedingt, dass wir für diesen Werkstoff beim 3D-Druck keine Nachbearbeitung anbieten. Kontaktieren Sie bei solchen spezifischen Fragen bitte einen unserer Anwendungstechniker unter +49 (0) 89 90 5002 0 oder unter [email protected].
8. Kombinieren komplexer Fertigungsprozesse mit Metall
Darauf kommt es an: Bei Metallteilen können Sie tatsächlich das Beste aus zwei Welten – 3D-Druck und maschinelle Bearbeitung – herausholen. Prüfen Sie jedoch sorgfältig die Optionen in diesem Design-Tipp. Die maschinelle Bearbeitung und der 3D-Druck mit Metall sind hochkomplexe Technologien. Erst wenn Sie verstehen, wie sie sich auf Ihr Designprojekt auswirken, erzielen Sie den gewünschten Erfolg. Stellen Sie Fragen, machen Sie sich die einzelnen Verfahren zu eigen und erkennen Sie, dass beide enge Partner in der Fertigung sind.
Wenn Sie einen Entwurf für ein Metallteil haben, der von der Kombination aus 3D-Druck und CNC-Bearbeitung profitieren könnte, sollten Sie dies beim Angebotsprozess für den 3D-Druck angeben. Wählen Sie beim Hochladen einer CAD-Datei die Option für kundenspezifische Oberflächen aus und geben Sie in Kommentaren an, welche Merkmale oder Oberflächen eine zusätzliche Oberflächenbehandlung benötigen. Sie können auch Dokumente, wie z. B. eine Zeichnung, anhängen, um Toleranzen, Oberflächenfinishes und andere Anforderungen an die Fertigung anzugeben.