3D Druck : Additives Werkzeugrüsten: Wie sich Mapal und Komet gegenseitig befeuern

Das Werkzeug ist das Nadelöhr im Fertigungsprozess: Komplexe Werkzeuge und Bauteile anfertigen zu lassen, kostet Zeit und Geld. Kein Wunder also, dass sich der 3D-Druck-Hype schnell um die Frage drehte, ob Fräser, Bohrer & Co additiv hergestellt werden könnte. In den ersten Jahren scheiterte dies vor allem an der Technologie – und es ist nach wie vor eine Herausforderung, hochpräzise Teile aus Metall additiv herzustellen. Neben der Präzision geht es vor allem um den Kostenfaktor. Da wären einerseits die Kosten, die durch die oft nötige Nachbearbeitung der Teile in der Herstellung entstehen. Und andererseits sind die Kosten für Pulverpreise und Verfahren (noch) kostenintensiver als bei konventionellen Verfahren.

Es gibt aber eine ganze Reihe von Unternehmen, die sich dem Thema stellen und bereits marktreife Lösungen auf den Markt gebracht haben. Eine davon ist der deutsche Präzisionswerkzeug-Hersteller Komet. Der Durchbruch gelang vor drei Jahren in Form der additiven Fertigung per Laserschmelzen. Und zwar setzt man auf das Verfahren des selektiven Laserschmelzens unter Argon-Schutzgasatmosphäre. Dazu werden in einem extrem dünnen Bett aus Metallpulver – zwischen 20 und 60 µm – mit einem hochleistungsfähigen Ytterbium-Faserlaser gezielt jene Bereiche geschmolzen und dann beim Abkühlen verfestigt, die das Bauteil ergeben sollen. Mit immer neuen Metallpulverschichten wird dieser Vorgang so oft wiederholt, bis das Teil fertig ist. „Das Gefüge der auf diese Weise erzeugten Werkstücke erreicht eine zu 99,9 Prozent gleiche Struktur wie gewalzte oder gegossene Metallteile“, sagt Reinhard Durst, Entwicklungsleiter Hartmetallwerkzeuge bei Komet.

Und die Konkurrenz schläft nicht. Bei Mapal, ebenfalls Präzisionswerkzeug-Hersteller aus Deutschland, wird auch seit einigen Jahren an dem Thema geforscht. Auch hier wird mit dem selektiven Laserschmelzen gearbeitet. „Wir haben als einer der ersten Hersteller von Zerspanungswerkzeugen in einen 3D-Drucker investiert, um mittels Selective Laser Melting ganz neue Wege zu beschreiten. Er wird bei der Herstellung von Werkzeugen, die auf konventionellem Weg nicht oder nicht optimal hergestellt werden können, eingesetzt“, erklärt Dirk Sellmer, Leiter Forschung und Entwicklung bei Mapal. Das erste additiv gefertigte Produkt, das Mapal zur Serienreife gebracht hat, war 2014 der Schneidplattenbohrer QTD im Durchmesserbereich von 8 bis 13 Millimeter. „Seitdem haben wir zahlreiche weitere additiv gefertigte Werkzeuge und Spannfutter auf den Markt gebracht, beispielsweise Außenreibahlen, die durch eine speziell entwickelte Rippenstruktur im Inneren des Werkzeugs deutlich leichter sind als konventionell gefertigte“, so Sellmer. Weiters werden unter anderem Feinbohrwerkzeuge, Senkwerkzeuge und Aufsatzwerkzeuge für das mechatronische Aussteuerwerkzeug von Mapal additiv gefertigt. „Ein weiteres Feld, in dem wir die additive Fertigung nutzen, ist die Spanntechnik. Neben Serienprodukten, wie unserem Hydrodehnspannfutter mit schlanker Kontur, können wir heute – dank der additiven Fertigung – Hydrodehnspannfutter individuell auf die jeweilige Bearbeitung hin anpassen“, erklärt er.

Bei Komet war das erste marktreife Produkt ein PKD-Einschraubfräser. Sein Grundkörper wurde additiv gefertigt, mit PKD-Schneiden bestückt und auf einen Werkzeughalter aufgeschraubt. Der große Vorteil: Durch eine veränderte Anordnung der Schneiden und größerem Achswinkel konnten mehr PKD-Schneiden auf dem Werkzeug untergebracht werden. „Eine enorme Produktivitätssteigerung ist die Folge. Bei einem 32 mm-Einschraubkopf beispielsweise wurde die Zahl der Nuten und Schneiden von sechs auf zehn gesteigert. Entsprechend ermöglicht das Werkzeug einen in diesem Verhältnis erhöhten Vorschub“, so Durst. Zusätzlich wurde der Verlauf der Kühlkanäle im Inneren des Werkzeugs optimiert, erklärt er: „Während sich zerspanend nur gerade Kanäle einbringen lassen, kann der Verlauf bei additiven Verfahren weitgehend frei gewählt werden. Geschwungene Kanalführungen sind nun exakt so platziert, dass jede Schneide optimal von einem separaten Kühlkanal versorgt wird.“

Mittlerweile fertigt man bei Komet mehrere Fräswerkzeuge additiv. Auch Bohrwerkzeuge mit additiv erzeugten Komponenten werden angeboten, darunter ein neues PKD-Werkzeug für Wasserstopfenbohrungen in Zylinderkurbelgehäusen. Es enthält spezielle Spänespoiler, die Spanablagerungen im Bauteil verhindern. Durch die additive Fertigung können die Spänespoiler besonders filigran gebaut und mit geschwungenen Kühlkanälen ausgestattet werden. „Während der Spanraum eines konventionellen Aufbohrwerkzeugs zur Seite und nach vorne offen ist, deckt der an jeder Schneide vorhandene Spänespoiler die Nut frontal und radial ab. Er lässt zwischen sich und der Werkzeugschneide nur einen engen Spalt von wenigen Zehntel Millimetern offen, durch den der entstehende Span abfließt“, erklärt Entwicklungsleiter Reinhard Durst. Der Spoilerkanal leitet den Span dann sicher aus der Bohrung, wodurch zurückbleibende Späne vermieden werden.

Viele weitere Werkzeuge sind derzeit in der Forschungspipeline. Welche genau, wollen die beiden Unternehmen nicht verraten. Nur so viel: Es wird mit Sicherheit weiter in Richtung additiver Fertigung gehen. „Allein die Möglichkeit, die Werkzeuggeometrie innen und außen frei zu gestalten, macht die generativen Verfahren für uns zu einem Zukunftsthema. Denn damit lässt sich die Leistungsfähigkeit und Produktivität der Werkzeuge enorm steigen“, so Durst.