Die Werkzeugmaschinenbau Ziegenhain GmbH (WMZ) beschäftigt sich seit einiger Zeit mit der Zukunftstechnologie der additiven Fertigung (3D-Druck). Ziel ist es, die Möglichkeiten dieser neuen Technologie sowohl für die eigenen Bedürfnisse einzusetzen als auch als Ansprechpartner innerhalb des Unternehmensverbandes DVS Technology Group für entsprechende Projekte zur Verfügung zu stehen und bei deren Umsetzung zu unterstützen.

Die additive Fertigung unterscheidet sich grundlegend von den subtraktiven Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Fräsen oder Drehen. Bei den subtraktiven Verfahren wird ein Werkstück durch das Abtragen von Material von einem Rohteil gefertigt. Im Gegensatz dazu wird in der additiven Fertigung das Werkstück durch schichtweises Auftragen von Material hergestellt.

Unabhängig vom späteren additiven Verfahren, wird zunächst das digitale 3D-Modell (z. B. aus dem 3D-CAD-Programm SolidWorks) mit einer Slicing-Software bearbeitet. Die Slicing-Software ist eine Computersoftware, welche das 3D-Modell aus dem  STL-Format in ein G-Code-Format konvertiert. Dabei wird das Modell in 2D-Ebenen geschnitten und mit den entsprechenden Druck-Parametern wie zum Beispiel Schichthöhe, Füllgrad, Druckgeschwindigkeit, Extruder-Temperatur bzw. Laserpower versehen und anschließend an den Drucker gesendet. Dieser fertigt das Werkstück Schicht für Schicht auf einer Bauplattform und so bildet sich aus diesen übereinandergelegten 2D-Ebenen das 3D-Modell.

Durch dieses Verfahren sind keine Bearbeitungswerkzeuge notwendig und der Konstrukteur erhält große Designfreiheiten. Dies ermöglicht die Realisierung von sehr komplexen Strukturen, welche mit herkömmlichen Verfahren nicht umsetzbar sind.

Im Bereich Kunststoff nutz WMZ seit März 2018 das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling / Schmelzschichtung). Beim FDM-Verfahren wird ein Kunststoffdraht (PLA) aufgeschmolzen und mit dem Extruder (Druckkopf) auf der Bauplattform platziert. Es stehen Bauräume von 295x195x165 mm bzw. 305x305x300 mm zur Verfügung. Folgende Anwendungen wurden beispielsweise umgesetzt:

• Sensorabdeckungen, die an die jeweilige Einbausituation angepasst sind
• Greifbacken-Tests: Das konstruierte 3D Modell der Greifbacken wurde über Nacht gedruckt und am nächsten Morgen in die Maschine eingesetzt, um die Funktionalität des Spannmittels zu testen
• Teile-Handling auf Paletten-System: die Ablageteile wurden mittels 3D-Drucker als Negativform gedruckt, wodurch ein definierter Transport zur Übergabe an die Greifbacken möglich ist
• Medienführung, definierte Führung von Pneumatik- oder Hydraulikschläuchen entlang bewegter Teile

In der additiven Fertigung ist seit März 2019 der Metalldrucker Creator RA der Firma O. R. Lasertechnologie GmbH aus Dieburg im Einsatz. Hierbei werden die Schichten erzeugt, indem ein Laserstrahl das in einer dünnen Schicht (20 - 100 µm) auf der Bauplattform ausgebrachte Pulver an den entsprechenden Stellen verschmilzt. Danach senkt sich die Bauplattform ab und die nächste Pulverschicht wird ausgebracht und verschmolzen, bis das 3D-Modell vollständig aufgebaut ist. Das Bauvolumen der Bauplattform beträgt Ø 100 mm x 100 mm. Neben Werkzeug- und Edelstahllegierungen können auch Co-, Ni- und Cu- sowie Al- und Ti-Legierungen verarbeitet werden.

Bereits jetzt werden bei Mitgliedern der DVS-Gruppe erste Druckteile aus Metall eingesetzt. Als Beispiel können hier die Prozessdüsen beim Innenrundschleifen auf einer CNC 235 von der Schwesterfirma Buderus Schleiftechnik GmbH mit Sitz in Aßlar genannt werden. Durch die Designfreiheit bei der Fertigung mittels Pulverbettverfahren können die Düsen mit „gebogenen Bohrungen“ gefertigt werden. Dies ermöglicht die Einbringung des Kühlschmierstoffes (KSS) an der gewünschten Stelle. Somit wird verhindert, dass die gesamte Bohrung mit KSS geflutet werden muss, um sicherzustellen, dass an den notwendigen Bereichen KSS eindringt. Folglich können die entsprechenden Bereiche gezielt benetzt werden, was zu einer höheren Fertigungs- und Prozessqualität und voraussichtlich auch der Reduktion von KSS-Verbrauch führt.

Eine Herstellung der Düsen mittels eines herkömmlichen Fertigungsverfahrens ist aufgrund der Geometrie und des Designs nicht möglich. Durch die gebogenen KSS-Kanäle im Inneren besitzt die Düse einen Mehrwert, der nur mittels additiver Fertigung realisierbar ist. Der Einsatz der additiven Fertigung macht nicht nur die Schleif- und Schälprozesse durch die optimierten Düsen effektiver, sondern ermöglicht auch den Einsatz neuartiger Materialien im Maschinenbau. Die additive Fertigung als „Zukunftstechnologie“ steigert die Wettbewerbsfähigkeit der DVS-Gruppe und lässt sie aus der großen Masse hervorstechen. Es lassen sich neue Kundengruppen sowohl innerhalb als auch außerhalb der DVS-Gruppe erschließen. Durch die additive Fertigung besteht nun die Möglichkeit Bauteile mit noch größerer Komplexität zu fertigen und dadurch nicht nur bestehende Produkte bzw. Prozesse zu verbessern sondern auch völlig neue Produktlösungen zu entwickeln.

Für die additive Fertigung hat WMZ eigens einen neuen Bereich hergerichtet, welcher aus einem Büro- und Fertigungsraum besteht. Im Büroraum werden die Druckteile konstruiert und die Druckaufträge vorbereitet, im Fertigungsraum erfolgt der „Druckprozess“ aus Kunststoff oder Metall, sowie die entsprechenden Nachbearbeitungen der Bauteile. Der Fertigungsraum beinhaltet aktuell zwei Kunststoffdrucker sowie einen Metalldruck und bietet ausreichend Platz für weitere Drucker.

Philipp Rausch

M.Sc. Maschinenbau

Werkzeugmaschinenbau Ziegenhain GmbH