Neues Denken in Metall mit dem CoroMill® 390 LightWeight

Der CoroMill® 390 Lightweight ist für das Planfräsen mit langer Auskragung, Eckfräsen mit großen Schnitttiefen sowie Besäumen, Taschenfräsen und Nutenfräsen entwickelt worden.

„Additive Fertigung bietet neue Designfreiheiten für Ingenieure, um die Produkte für die Zukunft zu entwickeln“, sagt Thomas Wikgren, Manager Product Application Management bei Sandvik Coromant. „Durch die Additive Fertigung müssen Ingenieure ihren Job vollkommen neu denken. Das hört sich zwar extrem an – aber schaut man auf die Freiheiten, die diese schnell wachsende Technologie bietet, ist doch gerade das sehr realistisch.“

Spannend am additiven Prozess ist seine transformative Natur. Denn etwas zu drucken oder zu addieren, anstatt von einem Vollmaterial zu subtrahieren, bedeutet, dass Innenstrukturen mit einer höheren Komplexität herstellbar sind. Endprodukte und Komponenten können so noch besser für ihren jeweiligen Einsatz optimiert werden. Beispielsweise ist es möglich, Zerspanungswerkzeuge mit aufwendigen Innenhohlräumen und Kühlkanälen zu fertigen – das reduziert das Gewicht und erhöht die Leistung. Dasselbe gilt für viele andere metallische Teile, sodass die Additive Fertigung eine bisher unerreichte Topologieoptimierung ermöglicht.

„Tatsächlich ist die Additive Fertigung eine derart einschneidende Entwicklung, dass ihre Weiterentwicklung nur an den Grenzen der Vorstellungskraft enden kann. Allerdings haben Ingenieure bisher vor allem gelernt, in subtraktiven Technologien zu denken und zu planen. Und es kann einige Zeit dauern, bis sich dieses Denken ändert und Wissenschaft sowie Industrie in die neuen Tools investieren“, weiß Wikgren.

Durch die Volumenreduzierung ist der Fräskörper kompakter und wesentlich leichter als ein herkömmlicher Fräser.

Ein sich gegenseitig ergänzender Prozess

Beim Thema Additive Fertigung muss man vor allem verstehen, dass sie nicht einfach die subtraktiven Verfahren ablöst. Vielmehr ist die Additive Fertigung als ergänzende Technologie anzusehen, die für ganz bestimmte Anwendungen in Frage kommt. Wie kann ein Unternehmen also entscheiden, ob dieses Verfahren für sie geeignet ist? Eine Checkliste ist zumindest ein guter Anfang: Hat die Komponente, die gefertigt werden soll, eine komplexe Form? Hat das benötigte Material einen hohen Preis? Ist ein geringes Gewicht eine wichtige Anforderung des fertigen Bauteils? Wenn ja, könnte die Komponente ein Kandidat für die Additive Fertigung sein.

Andere Fragen lauten: Wird die Komponente aufgrund kundenindividueller Massenproduktion voraussichtlich in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich sein? Ist es möglich, dass Teilkomponenten zu einer Komponente zusammengeführt werden? Ist es wichtig, dass die Montagezeit verkürzt und die Produktivität gesteigert oder Lagerbestände reduziert werden? Auch hier gilt: Trifft dies zu, könnte Additive Fertigung die Lösung sein.

„Die Wahl des richtigen Pulvers spielt ebenfalls eine wichtige Rolle, da dessen Qualität und Eigenschaften die Beschaffenheit des Bauteils stark beeinflussen. Dabei müssen drei Hauptaspekte berücksichtigt werden: die Auswahl des Rohmaterials, die Partikelgröße und die Morphologie. Derzeit gibt es fünf große Legierungsgruppen, die in additiven Verfahren zum Einsatz kommen: Stahl, Kobalt-Chrom, Nickel, Aluminium und Titan. Als ein weltweit führender Hersteller von Metallpulvern für die Additive Fertigung bietet Sandvik hier ein breites Legierungsprogramm – inklusive kundenindividueller Materialien“, geht der Produktmanager ins Detail.

Bei der Bearbeitung mit großen Überhängen kann der Einsatz von Silent Tools™ Adaptern durch den verringerten Abstand zwischen Schneidkante und Dämpfungssystem sowie das reduzierte Werkzeuggewicht zu erheblichen Produktivitätszuwächsen führen.

Pulverbettverfahren im Detail

Alle additiven Fertigungsprozesse zeichnen sich durch eine schichtweise Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus, aber die Produktionstechniken unterscheiden sich. Dabei lassen sich die Druckverfahren entweder nach ihrer Energiequelle oder nach der Art, wie das Material zusammengefügt wird, klassifizieren – beispielsweise per Laser oder Bindemittel. Sandvik verfügt über alle relevanten Druckverfahren für Metalle im eigenen Haus.

Das Powderbedfusion (PBF) nutzt entweder einen Laser- oder Elektronenstrahl, um das Pulver zu schmelzen und zu verbinden. Der Vorgang wird solange Schicht für Schicht wiederholt, bis die letzte Schicht geschmolzen und die Bauteile komplett sind. Diese werden daraufhin von der Bauplatte abgetrennt und nach Bedarf nachbearbeitet. Powderbedfusionverfahren eignen sich für eine Vielzahl an Materialien und Anwendungen, da die Teile in der Regel eine hohe Festigkeit aufweisen und es zahlreiche Methoden der Nachbearbeitung gibt.

Beim Bindemittelverfahren werden ein pulverbasiertes Material und ein meist flüssiges Bindemittel verwendet, das als Klebstoff zwischen den Pulverschichten wirkt. Ein Druckkopf bewegt sich horizontal und bringt abwechselnd Schichten des Baumaterials und des Bindemittels auf. Nach jeder Schicht wird das zu druckende Objekt mitsamt seiner Bauplattform abgesenkt. Das so entstehende Objekt ist in einem Grünzustand und erfordert eine Nachbearbeitung, bei der der Grünkörper in einem Ofen ausgehärtet wird, um das Lösungsmittel aus dem Bindemittel zu entfernen. Schließlich wird das Teil entbindert und in einem Sinterofen auf annähernd vollständige Dichte gesintert.

Um die passenden Merkmale wie Oberflächengüte, geometrische Genauigkeit und mechanische Eigenschaften zu erreichen, benötigen fast alle additiv gefertigten Komponenten eine Form der Nachbearbeitung. Zum Beispiel eine Wärmebehandlung, die Trennung der Komponente von der Tragkonstruktion und der Bauplatte, Zerspanung, Oberflächenbehandlung sowie Prüfung und Zertifizierung. Währenddessen können Innenflächen, zum Beispiel Innenkühlkanäle, per abrasiver Strömungsbearbeitung poliert werden.

Produkte von morgen

Dank des umfassenden Wissens entlang der Wertschöpfungskette – von der Topologie über das Pulver bis zu Druck und Verarbeitung – konnte Sandvik Coromant seinen ersten additiv gefertigten Werkzeugkörper auf den Markt bringen. Der CoroMill® 390 LightWeight ist das beste Beispiel dafür, wie dieses Verfahren in Kombination mit einer optimierten Materialauswahl eingesetzt werden kann, um komplexe Formen und innenliegende Bauteilmerkmale zu erzeugen. In diesem Fall wurde ein Werkzeug realisiert, das 80 Prozent leichter ist als subtraktive Methoden es erlauben würden. Dies ermöglicht ein kompakteres Design, wodurch in Kombination mit einem Silent Tools™ Fräsadapter der Abstand zwischen Dämpfer und Schneide verkürzt und die Prozesssicherheit beim Fräsen mit langen Überlängen verbessert werden kann.

Das Werkzeugdesign ist das Ergebnis zahlreicher Durchläufe, bei denen erneut die Stärken des additiven Fertigungsprozesses zum Tragen kommen. Unterschiedliche Topologien und Materialien – letztendlich mit einem Wechsel von einer Stahl- zu einer Titanlegierung – konnten mittels des PBF-Verfahrens schnell hergestellt und so das Gewicht auf ein Minimum reduziert werden.

„Insgesamt stehen wir am Anfang einer spannenden Entwicklung, weil wir lernen, Produkte auf eine ganz neue Art und Weise zu entwerfen und zu bauen. Doch es wird nie Technologie um der Technologie willen sein. Vielmehr werden wir uns bei jedem neuen Schritt fragen, wie die Additive Fertigung einen Mehrwert für unsere Kunden schaffen kann. Und wo es keinen Sinn macht, werden wir es auch nicht verfolgen. Ganz sicher wird die Additive Fertigung zu neuartigen Produkten führen, die wir uns heute noch nicht einmal vorstellen können. Für ein Unternehmen mit einer echten Innovationshistorie verspricht das eine wirklich spannende Zukunft“, fasst Wikgren zusammen.