Hybride Fertigung (CNC + AM)

Die hybride Fertigung – die Integration von additiver Fertigung (AM) und subtraktiver Fertigung (CNC) innerhalb einer einzigen Prozesskette – stellt eine der bedeutendsten Entwicklungen in der modernen Fertigung dar. Anstatt traditionelle Methoden zu ersetzen, werden additive Technologien jetzt mit der maschinellen Bearbeitung kombiniert, um das Beste aus beiden Welten zu nutzen: die Designfreiheit und geometrische Komplexität des 3D-Drucks und die Präzision und Oberflächenqualität der CNC-Bearbeitung.

Diese Synergie ist besonders stark in Branchen, die enge Toleranzen, interne Merkmale und Hochleistungsmaterialien verlangen – wie z.B. Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Automobilbau und Werkzeugbau. Aber es öffnet auch die Tür zu breiteren Anwendungsfällen, in denen Fertigungsflexibilität, Teilekonsolidierung und schnelle Iteration entscheidend sind.

Was macht die Hybridfertigung anders?

Im Gegensatz zu sequentiellen Prozessen, bei denen die Teile zuerst 3D-gedruckt und später in einer separaten Anlage bearbeitet werden, können bei echten Hybridsystemen sowohl additive als auch subtraktive Verfahren auf derselben Maschine durchgeführt werden, oft ohne erneutes Einspannen. Dies beseitigt Ausrichtungsprobleme, verbessert die Wiederholbarkeit und verkürzt die Produktionszeit erheblich.

In den meisten Hybridsystemen wird die additive Fertigung von Metallen – in der Regel die gerichtete Energieabscheidung (DED), da die PBF aufgrund ihrer Architektur seltener in Hybridmaschinen integriert wird – mit dem mehrachsigen CNC-Fräsen kombiniert. Das Teil wird schichtweise mit Draht- oder Pulver-DED-Verfahren aufgebaut, während wichtige Oberflächen, Merkmale oder Schnittstellen in kritischen Phasen des Aufbaus bearbeitet werden. Dies ermöglicht:

hohe Maßgenauigkeit auf wichtigen Oberflächen, wie z.B. Dichtflächen oder Gewinden,
bessere Oberflächenbeschaffenheit von Funktions- oder Verbindungsteilen,
Tool Zugang zu internen Funktionen, die sonst nach dem Druck unzugänglich wären,
integrierte Teilereparaturen, bei denen verschlissene Teile wiederhergestellt und nachbearbeitet werden können,
verbessertes Wärmemanagement während der Abscheidung, wodurch Verformungen und Eigenspannungen reduziert werden.

Das Ergebnis ist ein Teil, das von der Designfreiheit der additiven Methoden profitiert – wie z.B. Topologieoptimierung oder interne Kühlkanäle – und gleichzeitig die Anforderungen an Oberfläche und Präzision der Endanwendungen erfüllt.

Wichtige Anwendungsfälle und Anwendungen

Die hybride Fertigung ist nicht nur ein Proof of Concept – sie wird aktiv in hochwertigen Sektoren eingesetzt, in denen Materialkosten, Leistung und Betriebszeit von größter Bedeutung sind.

Luft- und Raumfahrtunternehmen verwenden beispielsweise Hybridsysteme zur Herstellung von Titan- oder Inconel-Komponenten mit integrierten Kühlkanälen, die nach Spezifikation bearbeitet werden, ohne die Maschine jemals zu verlassen. Diese Werkstoffe profitieren vom DED aufgrund seiner Eignung für große Strukturen und Reparaturanwendungen. Im Energiesektor werden Turbinenschaufeln und Kompressorgehäuse durch additiven Aufbau und subtraktive Veredelung repariert. Werkzeugbaubetriebe verwenden auch Hybridsysteme zur Herstellung von Formen mit konformer Kühlung, um die Effizienz des Spritzgusses zu erhöhen.

Vorteile und technische Überlegungen

Der Hauptvorteil der hybriden Fertigung ist die Prozesskonsolidierung. Es reduziert die Anzahl der erforderlichen Maschinen, Rüstvorgänge und manuellen Eingriffe – was zu kürzeren Lieferzeiten und weniger Fehlerquellen führt. In einigen Fällen können ganze Baugruppen durch ein einziges optimiertes Teil ersetzt werden, wodurch das Gewicht reduziert und die Leistung verbessert wird. DED-abgeschiedenes Material hat in der Regel eine andere Mikrostruktur und andere mechanische Eigenschaften als geschmiedetes Material, so dass die Qualifikation für sicherheitskritische Teile entscheidend ist.

Diese Systeme sind jedoch technisch komplex. Hybride Systeme erfordern außerdem eine sorgfältige Abstimmung zwischen den Abscheidungsparametern und den Bearbeitungskräften, um Delamination oder Oberflächenfehler zu vermeiden. Die Synchronisierung der thermischen Zyklen, der Werkzeugwegstrategien und des Materialverhaltens in den additiven und subtraktiven Bereichen erfordert tiefgreifende Prozesskenntnisse und robuste Software. Nicht jedes Material oder jede Teilegeometrie ist für die Hybridproduktion geeignet, und die Kosteneffizienz muss je nach Losgröße und kritischen Merkmalen sorgfältig bewertet werden.

Die Zukunft der hybriden Fertigung

Da sich die Maschinenarchitekturen weiterentwickeln und die Software immer besser in der Lage ist, Multiprozess-Workflows zu handhaben, wird die hybride Fertigung voraussichtlich leichter zugänglich werden. Innovationen in der Regelungstechnik, der Sensorintegration und der KI-gesteuerten Werkzeugwegplanung werden den Übergang zwischen additiven und subtraktiven Arbeitsschritten weiter vereinfachen. Zukünftige Entwicklungen werden sich voraussichtlich auf die Prozessüberwachung in Echtzeit, adaptive Werkzeugwege und digitale Zwillinge für hybride Arbeitsabläufe konzentrieren.

Letztlich geht es bei der hybriden Fertigung um die Entwicklung von Leistung, nicht nur um die Herstellbarkeit. Es bricht alte Prozesssilos auf und ermöglicht es Ingenieuren, Teile zu entwickeln, die stärker, leichter und funktioneller sind – ohne die Kompromisse herkömmlicher Methoden.

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