Welche Lösung eignet sich für komplexe Bauteile mit hochpräzisen Passflächen?
Aus fertigungstechnischer und ingenieurtechnischer Sicht ist die optimale Lösung für komplexe Bauteile mit hochpräzisen Passflächen selten ein Einzelverfahren, sondern vielmehr eine hybride Fertigungsstrategie, die die Stärken additiver und subtraktiver Technologien kombiniert. Dieser Ansatz vereint die geometrische Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks mit der Präzision und Genauigkeit der spanenden Bearbeitung.
Empfohlene Lösung: Hybride additive-subtraktive Fertigung
Bei dieser Methodik wird die Metall-Additive-Fertigung (AM) genutzt, um ein komplexes, nahezu endkonturnahes Bauteil herzustellen, das anschließend auf einem CNC-Bearbeitungszentrum fertigbearbeitet wird, um kritische Toleranzen und Oberflächengüten an definierten Passflächen zu erreichen.
1. Primärfertigung: AM für Komplexität
Verfahrensauswahl: Für Metallteile ist DMLS ideal, um komplexe Innenkanäle, leichte Gitterstrukturen und organische, topologieoptimierte Geometrien zu erzeugen, die mit herkömmlicher Bearbeitung unmöglich herzustellen wären. Für Prototypen oder nicht-strukturelle Bauteile kann hochauflösender 3D-Druck wie SLA oder MJF geeignet sein.
Konstruktive Freiheit: In dieser Phase können mehrere Komponenten zu einem einzigen Bauteil konsolidiert, konforme Kühlkanäle integriert und Material entlang der Lastpfade optimal verteilt werden.
2. Sekundärfertigung: CNC-Bearbeitung für Präzision
Kritische Oberflächenbearbeitung: Die im AM-Verfahren erzeugte Oberfläche (typischerweise Ra 10–25 μm) ist für Dicht-, Lager- oder Montageflächen ungeeignet. Kritische Passflächen (z. B. Flanschflächen, Dichtnuten, Gewindebohrungen, Passstiftbohrungen) werden spanend bearbeitet, um eine as-machined-Oberfläche von Ra 0,4–1,6 μm oder besser zu erzielen.
Toleranzsicherung: Während AM typischerweise ±0,1 mm erreicht, kann die CNC-Präzisionsbearbeitung zuverlässig Toleranzen von ±0,012 mm bis ±0,025 mm einhalten und damit eine einwandfreie Passung sicherstellen.
Eingesetzte Prozesse: Dazu zählen CNC-Fräsen für ebene und komplexe Flächen, CNC-Drehen für zylindrische Merkmale und bei höchster Präzision CNC-Schleifen.
Integrierter Nachbearbeitungs-Workflow
Ein erfolgreiches Hybridbauteil erfordert eine sorgfältig abgestimmte Abfolge von Nachbearbeitungsschritten:
Spannungsarmglühen: Eine obligatorische Wärmebehandlung, um innere Spannungen aus dem AM-Prozess abzubauen und Verzug bei der CNC-Bearbeitung zu vermeiden.
Stützstrukturentfernung & Grobreinigung: Abtrennen des Teils von der Bauplatte (oft mittels Draht-EDM) und Entfernen der Stützstrukturen.
HIP (falls erforderlich): Für kritische Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik wird das Heißisostatische Pressen eingesetzt, um innere Porositäten zu eliminieren.
Präzise CNC-Bearbeitung: Das Bauteil wird exakt gespannt, und die Passflächen werden gemäß Zeichnungstoleranzen bearbeitet.
Endoberflächenbehandlung: Anwendung spezifischer Verfahren:
Für Korrosionsbeständigkeit und Härte: Eloxieren (Aluminium), Passivieren (Edelstahl).
Für Verschleißschutz: PVD-Beschichtung oder Nitrieren.
Für Oberflächenglätte: Elektropolieren.
Wichtige Anwendungen und Vorteile
Luft- und Raumfahrt: Brennstoffdüsen mit komplexen Innenkanälen und präzisen Befestigungsflanschen.
Medizintechnik: Orthopädische Implantate mit porösen, knochenintegrierenden Strukturen und präzisionsbearbeiteten Konusverbindungen.
Automobil & Robotik: Leichte, optimierte Strukturhalterungen mit bearbeiteten Schraubbohrungen und Passflächen.
Fluidtechnik: Ventilblöcke mit komplexen Innenkanälen und präzise bearbeiteten Ventilsitzen und Schnittstellen.
Vergleich mit alternativen Verfahren
Fertigungsverfahren | Optimale Anwendung | Einschränkungen in diesem Szenario |
|---|---|---|
Nur CNC-Bearbeitung | Teile mit zugänglicher Geometrie und hoher Präzision. | Keine Herstellung komplexer Innenkanäle oder organischer Leichtbaustrukturen möglich. |
Nur 3D-Druck | Extrem komplexe Geometrien und schnelle Prototypen. | Keine hohe Maßhaltigkeit oder glatte Passflächen erreichbar. |
Gießen + Bearbeitung | Großserien komplexer Formen. | Hohe Werkzeugkosten für Kleinserien; geringere geometrische Freiheit als AM. |
Hybrid (AM + CNC) | Kleinserien mit hoher Komplexität und kritischer Präzision. | Höhere Kosten und längere Durchlaufzeit als Einzelverfahren; erfordert fortgeschrittene Fertigungskompetenz. |
Ingenieurtechnische Richtlinien für die Umsetzung
Kritische Merkmale früh definieren: Im CAD-Modell und auf Zeichnungen klar kennzeichnen, welche Flächen Pass- oder Funktionsflächen sind. Auf diesen Flächen eine Bearbeitungszugabe (z. B. 0,5–1 mm) für die spätere CNC-Bearbeitung vorsehen.
Fertigungspartner früh einbeziehen: Bereits in der Entwurfsphase mit einem Anbieter zusammenarbeiten, der One-Stop-Services anbietet, um das Bauteil für den hybriden Workflow zu optimieren und sowohl für den Druck als auch für die spätere Spannungsauslegung zu gestalten.
Funktion priorisieren: AM für funktionale Komplexität (Innenkanäle, Gewichtsreduzierung) und CNC für funktionale Präzision (Dichtungen, Lager, Gewinde) nutzen. AM nicht für Merkmale einsetzen, die durch Zerspanung wirtschaftlicher gefertigt werden können.
