Prototypen binnen Tagesfrist

In wenigen Stunden vom 3D-CAD-Datensatz zum kleinserientauglichen Blech-Umformwerkzeug

Zeit ist Geld! Das gilt vor allem im Prototypenbau. Dort entscheidet Schnelligkeit bei der Umsetzung innovativer Konstruktionen und Designs maßgeblich über das time-to-market und somit über Markterfolg, Margen und Marktanteile neuer Produkte. Zeitkritisch sind stets Bauteile für deren Herstellung spezielle Werkzeuge oder Formen benötigt werden. So benötigt zum Beispiel die Herstellung von Umformwerkzeugen für Blechteile zumeist mehrere Tage oder gar Wochen. Geschichte! Denn: Mit dem SLM-Verfahren lässt sich die Zeit von der Idee zum einbaufertigen Blechteil drastisch verkürzen. Sofern ein 3D-Datenmodell existiert, benötigt die Herstellung von Stempel und Matrize mit Hilfe des MCP Realizer nur ein paar Stunden. Die durch Selective-Laser-Melting hergestellten Umformwerkzeuge sind geometrisch nicht nur auf 0,1 mm genau, überdies ist die Widerstandsfähigkeit der verfügbaren Werkstoffe absolut Praxis-proofed. So erzielte einer der ersten Anwender, Lohnfertiger OTNI in Borchen, Westfalen, mit SLM-generierten Formen bei der Herstellung von Blechteilen mit immerhin 3 mm Materialstärke Stückzahlen von rund 3.000, ohne dass die Werkzeuge sichtbaren Verschleiß zeigen.

Technologisch gesehen ist das SLM-Verfahren eine kleine Revolution. Freilich: Bislang waren Theorie und Praxis zweierlei. Waren! Denn: Mit dem MCP-Realizer offeriert MCP-HEK eine Komplettlösung, mit der sich die sensationellen Vorteile des Selektive Laser Melting konsequent nutzen lassen. Der MCP Realizer generiert gleichermaßen zuverlässig wie zeitsparend beliebige Bauteile aus nahezu allen handelsüblichen Metallpulvern oder Keramiken auf Metallbasis in hoher Präzision. Obschon der Arbeitsraum des MCP Realizer mit seinem Volumen von 250x250x250 mm³ die maximal herstellbare Bauteilgröße vorgibt, lassen sich durch Segmentierung durchaus auch größere Teile realisieren - und zwar "in Rekordzeit sowie sehr wirtschaftlich", wie OTNI-Geschäftsführer Jürgen Gerold mit der Erfahrung aus zwischenzeitig rund 40 SLM-gefertigten Werkzeugsätzen für die Blechumformung bestätigt.

Dass der im Hauptgeschäft auf Blechzuschnitte und Blechbiegeteile spezialisierte Lohnfertiger trotz der "durch die Bank überzeugenden Ergebnisse" noch keinen eigenen MCP Realizer einsetzt, liegt einzig am "Return on Invest". Gerold: "380.000,-- € für ein System ist für uns natürlich eine Menge Geld. Zur Zeit könnten wir eine eigene SLM-Maschine nicht auslasten. Die Möglichkeiten dieser neuen Technologie müssen sich erst noch herumsprechen." Aber das kann sehr schnell gehen!

Im Vergleich zu einer CNC-Fräsmaschine ist der Preis für einen MCP Realizer zwar deutlich höher, dafür aber bietet das Selective-Laser-Melting eine ganze Reihe handfester Vorteile: So arbeitet der MCP Realizer mit einer mittleren Baugeschwindigkeit von 5 cm³ automatisch und sehr prozesssicher, was einen weitgehend unbeaufsichtigten Einsatz quasi rund um die Uhr ermöglicht. Für die Programmierung des MCP Realizer genügt ein 3D-CAD-Modell im STL-Format. Dieses Datenformat wird von jedem gängigen 3D-CAD-System unterstützt. Die erforderliche Qualifikation zur Bedienung des Gerätes ist deutlich niedriger als beim NC-Fräsen. Insbesondere komplexe Fräsbearbeitungen erfordern einen sehr hohen Vorbereitungsaufwand, wie NC-Programmerstellung und -simulation, Auswahl und Voreinstellung geeigneter Werkzeuge, Aufbau der Aufspannvorrichtung, Ermitteln der Werkstücknullpunkte sowie Einfahren der Maschine. Beim SLM-Verfahren entfällt dieser aufwändige Rüstaufwand komplett. Es kommt sogar noch besser: Als Substratplatte zum Aufbau des gewünschen Bauteils kann direkt eine Maschinenaufnahme verwendet werden. In Konsequenz kann ein mittels SLM generierter Werkzeugsatz direkt auf der Presse eingebaut und eingesetzt werden. Als weiteres Plus lassen sich mit dem SLM-Verfahren auch solche Werkstoffe verarbeiten, die sich nur schwer oder überhaupt nicht prozesssicher zerspanen lassen. Kühlschmiermittel braucht es natürlich auch nicht. Der Realizer von MCP-HEK verarbeitet alle handelsüblichen Metallpulver und Keramiken, wie Zink, Bronze, Werkzeug- und Edelstähle, Titan, Chrom-Kobaltlegierungen, Siliziumkarbid und Aluminiumoxyd. Auch Pulver aus der Familie der MCP-Legierungen eignen sich zum Beispiel für den Aufbau von Schmelzkernen, womit sich der MCP-Realizer künftig auch noch ganz andere Anwendungsgebiete erschließen dürfte - zumal SLM 3D-CAD-Daten selbstredend auch in (be-greifbare Ansichts- und Funktionsmodelle mit Endprodukt-ähnlichen Eigenschaften verwandelt.)

Die Geometrien der SLM-Bauteile dürfen (fast) beliebig komplex sein. Dadurch können Anwender des MCP Realizer selbst Formen mit senkrecht fallenden, tiefen Senken und hochragenden schmalen Stegen quasi über Nacht herstellen. Außerdem ist es kein Problem, Kühlkanäle parallel zur Oberfläche einer Kavität (conformal cooling) einzubauen. Das Tiefbohren von Heiz- und Kühlkanälen wird verzichtbar. Das spart nicht nur jede Menge Zeit sowie erhebliche Kosten; die durch conformal cooling optimierte Temperaturführung verleiht den Formen überdies eine deutlich höhere Produktivität, was Formenbauern als auch Spritzgießern einen gewichtigen Wettbewerbsvorteil verschafft.

Fairerweise darf an dieser Stelle nicht unterschlagen werden, dass die Oberflächen und geometrischen Genauigkeiten der mit SLM hergestellten Formen nicht mit geschlichteten oder erodierten Formen konkurrieren können - zumindest nicht ohne Nacharbeit. Die geometrische Genauigkeit der SLM-Bauteile liegt bei 0,1 mm. Allerdings: Die Entwicklung geht weiter. Zusätzliche Metall- und Keramikpulver sind derzeit in der Testphase...

Aktueller Stand der Dinge ist: Egal um welche Bauteile es sich handelt, SLM- generierte Werkzeuge, Formen und Werkstücke haben stets ein homogenes Gefüge, wobei sich die Dichte je nach Anforderung auf bis zu 100% des verwendeten Grundmaterials einstellen lässt. Das eröffnet Konstrukteuren zahlreiche, völlig neue Gestaltungsspielräume. Einzige Restriktionen für den MCP Realizer sind die maximale Bauteilgröße sowie die derzeit erzielbaren Genauigkeiten in den drei Raumachsen. Der eingesetzte 100 W-IR-Laser fokussiert den Strahl (TEMoo) auf einen Durchmesser von 0.03 mm. Die minimale Dicke je Schicht misst 0,05 mm. Allerdings hat der Exklusivanbieter MCP-HEK in seinem Euro Tech Center in Kaarst bereits erfolgreiche Versuche mit der doppelten Auftragsstärke gefahren, was einer Halbierung der Bauzeit gleichkommt. Als kleiner aber feiner Nebeneffekt verbesserte sich durch optimale Synchronisation der Scan-Parameter bei den getesteten SLM-Materialien auch noch die Oberflächenqualität der Bauteile, was wiederum das Einsatzspektrum des MCP-Realizers nochmals deutlich erweitern dürfte. Außerdem sind bei MCP-HEK bereits SLM-Maschinen mit größeren Arbeitsbereichen in Planung. Auch beim Laser ist die technische Evolution vermutlich längst nicht am Ende.

Wie auch immer: Entwickler von Blechformteilen können die vorhandene SLM-Technologie schon jetzt zu ihrem eigenen Wettbewerbsvorteil nutzen. Zumal die Erfahrungen bei Lohnfertiger OTNI in Borchen zeigen, dass sich SLM-generierte Blechumformwerkzeuge nicht nur für die wieselflinke Prototypenherstellung, sondern ebenso gut für die Produktion kleiner Serien bestens eignen. Jürgen Gerold: "Mit einem Werkzeugsatz haben wir mittlerweile rund 3.000 Teile aus 3 mm dickem Blech produziert, ohne dass Stempel und Matrize einen bedenklichen Verschleiß zeigen." Die Standfestigkeit der Tools ermöglicht also Stückzahlen, die überall dort, wo es Bedarf an unterschiedlichsten Blechumformteilen in Kleinauflagen gibt, völlig ausreichen. Insofern ist das SLM-Verfahren allgemein und der MCP Realizer im Besonderen sicher nicht nur für Fahrzeughersteller und -zulieferer ein aktiver Beitrag zu mehr Wettbewerbsfähigkeit.

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