Entdecken Sie die Vorteile von hybride CNC-Systeme die additive und subtraktive Fertigung nahtlos integrieren. Erkunden Sie Anwendungen, Vorteile und zukünftige Trends in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik. Erfahren Sie, wie führende Hersteller diese innovative Technologie vorantreiben.
Hybride CNC-Systeme: Die Kombination von additiver und subtraktiver Fertigung
Dieser Artikel gibt einen umfassenden Überblick über die hybride Fertigung. Er beginnt mit einer Einführung in hybride Systeme und ihre historische Entwicklung. Er stellt die additive und die subtraktive Fertigung einander gegenüber und erörtert ihre Definitionen, Verfahren und jeweiligen Vor- und Nachteile. Die Notwendigkeit hybrider Systeme wird erforscht, wobei die Grenzen von Einzeltechnologien und die Vorteile der Integration beider Methoden hervorgehoben werden. Die wichtigsten Vorteile hybrider Systeme werden untersucht, darunter die höhere Komplexität und Designfreiheit, die lokalisierte Materialabscheidung, die Möglichkeit zur Reparatur von Teilen, die Reduzierung von Abfall sowie Anwendungen im Werkzeugbau und in der Kleinserienfertigung. Der Artikel geht auch auf den CNC-3D-Druck ein und beschreibt die Integration von additiven Verfahren in CNC-Maschinen und den modernen hybriden Arbeitsablauf. Außerdem werden die Merkmale führender additiv-subtraktiver Systeme erörtert, wobei die wichtigsten Technologien und Komponenten hervorgehoben werden. Die hybride Reparaturtechnologie wird vorgestellt und ihre Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und bei hochwertigen Teilen gezeigt. Das Konzept der Multiprozess-Bearbeitung wird ebenfalls untersucht, insbesondere die Integration von FDM in Fräsmaschinen und das Design von modularen Hybridplattformen. Mit Blick auf die Zukunft beleuchtet der Artikel aufkommende Anwendungen und Innovationen in der Hybridfertigung sowie Trends bei Software und Automatisierung. Die Schlussfolgerung fasst die Auswirkungen der hybriden Fertigung zusammen und bietet Einblicke in zukünftige Entwicklungen. In einem Abschnitt mit häufig gestellten Fragen (FAQs) werden häufig gestellte Fragen zur hybriden Fertigung beantwortet und geklärt.
Die hybride Fertigung entwickelt sich zu einem hochmodernen Verfahren, das die Planbarkeit der additiven Fertigung mit der Genauigkeit und hohen Effizienz der subtraktiven Bearbeitungsprozesse verbindet. Indem koordinierte Energieaussageverfahren, wie z.B. das Laserplattieren, direkt auf PC-mathematisch gesteuerte (CNC) Maschinengeräte abgestimmt werden, können Hersteller die beiden Fortschritte auf eine vollständig integrierte Weise nutzen. Frühe Versuche der hybriden Fertigung bestanden in der Nachrüstung bestehender CNC-Maschinen mit Additivfunktionen. Echte Synergie wird jedoch durch speziell entwickelte Systeme erzielt, die von Grund auf für die nahtlose Integration von additiven und subtraktiven Fertigungsabläufen konzipiert wurden. Führende OEMs wie Mitsui Seiki und DMG Mori haben ausgeklügelte Hybridplattformen entwickelt, die Laserköpfe und Pulverzufuhrdüsen ähnlich wie normale Schneidwerkzeuge an Maschinenspindeln befestigen. Wenn additive und subtraktive Verfahren auf einer optimierten Hybridplattform kombiniert werden, ergeben sich neue Möglichkeiten. Komplexe Innengeometrien können unter Beibehaltung enger Toleranzen durch anschließende Bearbeitung hergestellt werden. Auch die lokale Abscheidung mehrerer Materialien und Anwendungen zur Reparatur von Teilen werden möglich. Dieser Artikel befasst sich mit den technischen Aspekten und der industriellen Umsetzung der Hybridfertigung. Er behandelt das integrierte Systemdesign, die Integration von additiven und subtraktiven Prozessen, Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie einen Ausblick auf die Zukunft der Multiprozessfertigung.
Die hybride Fertigung ist ein sich entwickelndes Muster gemäß der Informationsprüfung. Die Suchanfragen für "Hybridfertigung" begannen 2016 zu steigen und sind seither kontinuierlich weiter gestiegen. Dies passt zu den bedeutenden Herstellern von Maschineninstrumenten wie Mitsui Seiki und DMG Mori, die um 2015-2016 ihre bemerkenswertesten, wirtschaftlich zugänglichen Crossover-Geräte vorstellten. Verwandte Suchbegriffe wie "additiv-subtraktive Fertigung" und "CNC 3D-Druck" haben im Laufe der letzten Jahre einen vergleichbaren Anstieg des Suchvolumens erfahren. Das Interesse der Provinzen zeigt außerdem, dass die Herstellung von Halbrassen weltweit Beachtung findet. Die USA, Deutschland und Japan haben das Suchvolumen bisher im Großen und Ganzen vorangetrieben, was möglicherweise auf den Zuspruch der Flugzeug- und Automobilhersteller und ihrer Lagerketten in diesen Ländern zurückzuführen ist. Indien hat sich ebenfalls zu einem schnell wachsenden Markt für Crossover-Innovationen entwickelt. Auf bundesstaatlicher/örtlicher Ebene in den größeren Ländern stehen die Suchdesigns im Einklang mit den großen modernen Produktionszentren. In den USA stehen Kalifornien, Washington und Michigan an der Spitze der Bestrebungen. In Deutschland konzentriert sich das Interesse auf Baden-Württemberg, Niedersachsen und Nordrhein-Westfalen. Dies deckt sich mit der Gruppierung von Luftfahrt-, Design- und Produktionsunternehmen, die sich für die neue halbe Rasse interessieren und offene Türen einrennen. Die Gesamtanalyse bestätigt, dass das Interesse an und die Akzeptanz von hybriden Fertigungstechnologien in den letzten Jahren weltweit gestiegen ist. Ein breiterer Zugang zu den Systemen lässt eine weitere Expansion erwarten, da mehr Anwendungen in allen Sektoren auftauchen.
Hybride Fertigung
Additive vs. Subtraktive Fertigung
Bei der additiven Fertigung, z.B. dem Lasersintern, werden Teile Schicht für Schicht hergestellt, indem Materialien wie Kunststoff- oder Metallpulver miteinander verschmolzen werden. Interessanterweise werden bei der subtraktiven Fertigung Methoden wie die CNC-Bearbeitung eingesetzt, um Material aus einem festen Block oder einer Vorform zu entfernen oder zu zerkleinern, um ein Formteil herzustellen. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile. Die additive Fertigung ermöglicht komplexe innere Merkmale und Designfreiheit, da sie durch schrittweises Hinzufügen von Material funktioniert. Die Oberfläche ist jedoch eher rau und weist sichtbare Schichtlinien auf. Außerdem ist sie langsamer als subtraktive Verfahren. Die subtraktive Fertigung bietet eine gute Maßgenauigkeit und Oberflächengüte bei der Bearbeitung von Vorformlingen. Sie hat jedoch mit hoher geometrischer Komplexität zu kämpfen und es geht mehr Material verloren.
Der Bedarf an hybriden Systemen
Um die Beschränkungen der additiven und subtraktiven Einzelfertigung zu überwinden, bringen hybride Systeme die beiden Ansätze zusammen. So können Sie die Vorteile beider Verfahren innerhalb eines einzigen Fertigungsprozesses und einer einzigen Maschine nutzen. Hybride Systeme integrieren verschiedene Optionen für das Hinzufügen und Entfernen von Material und ermöglichen so neue Funktionalitäten. Durch die Kombination der Verfahren löst die hybride Fertigung Probleme wie die schlechte Oberflächengüte der additiven Fertigung. Sie löst auch die Schwierigkeiten der subtraktiven Fertigung mit komplizierten internen Strukturen. Auf einer hybriden Plattform können Merkmale je nach Bedarf abwechselnd hinzugefügt und bearbeitet werden, um Geschwindigkeit, Präzision oder Materialeigenschaften zu verbessern.
Vorteile von Hybridsystemen
Erhöhte Komplexität
Interne Kanäle, Gitter- oder Zellstrukturen werden möglich, da Schichten mit Hilfe additiver Techniken im Inneren von Vorformlingen platziert werden können.
Lokale Materialablagerung
Unterschiedliche Materialien können in maßgeschneiderten Mustern aufgetragen werden, was die Herstellung von Teilen aus mehreren Materialien oder mit unterschiedlichen Funktionen ermöglicht.
Teil Reparatur
Beschädigte Komponenten können durch den Wiederaufbau verschlissener Bereiche durch additive Abscheidung und anschließende Bearbeitung wiederhergestellt werden.
Abfallreduzierung
Im Vergleich zur Bearbeitung von massiven Rohlingen geht weniger Rohmaterial verloren, da nur die benötigte Materialmenge verwendet wird.
Anwendungen im Werkzeugbau
Formen, Matrizen und Vorrichtungen können mit billigeren Metallpulvern hergestellt werden, während eingebaute Fräser für die erforderliche Oberflächengüte sorgen.
Produktion kleiner Mengen
Hybride Systeme steigern die Effizienz komplexer, kundenspezifischer oder in kleinen Stückzahlen gefertigter Teile, die bei herkömmlicher Bearbeitung lange Vorlaufzeiten haben.
Medizinische Implantate
Die Integration additiver/subtraktiver biokompatibler Materialien ermöglicht die Herstellung komplizierter, personalisierter medizinischer Implantate und Prothesen.
CNC 3D-Druck
Integration von Additiven in CNC-Maschinen
Bei den ersten Versuchen mit Hybridsystemen wurden vorhandene CNC-Fräs- oder Drehmaschinen mit additiven Fertigungsmöglichkeiten nachgerüstet. Dies geschah durch die Montage von Beschichtungsgeräten wie Lasern und Pulverzuführungen direkt auf die Maschinenspindeln. Diese ersten Nachrüstungen waren jedoch aufgrund der nicht optimalen Integration der additiven Hardware problematisch. Außerdem fehlte ihnen eine echte Prozessintegration, bei der sich Druck und Bearbeitung unter koordinierter Steuerung nahtlos abwechseln. Moderne Hybridsysteme haben elegantere Lösungen. Hersteller wie Mitsui Seiki entwickeln Maschinen von Grund auf für vollständig integrierte additiv-subtraktive Arbeitsabläufe. Laser und Düsen sind so konstruiert, dass sie genau wie normale Fräswerkzeuge montiert und ausgetauscht werden können. Pulver- und Energiezufuhr können automatisch und schnell an den Kopf gekoppelt werden, um den Materialauftrag zu optimieren.
Hybrider Prozess-Workflow
Ein digitaler Zwilling oder ein virtuelles Simulationsmodell bildet die Grundlage für einen hybriden Fertigungsprozess auf diesen integrierten Maschinen. Ein Teil wird zunächst mit einem Laserscanner gescannt, und die Scandaten werden digital mit einer CAD-Modellversion verglichen. Die Prozessplanungssoftware erzeugt dann automatisch additive Werkzeugwege für die Abscheidung sowie subtraktive Werkzeugwege für alle nachfolgenden Bearbeitungsschritte. Diese Werkzeugwege speisen eine zentrale Steuerung, die die automatisierte Ausrüstung überwacht. Das Teil durchläuft eine sequentielle Fertigung, die die Materialabscheidung, die Bearbeitung von Merkmalen, eine weitere additive Materialabscheidung und weitere Bearbeitungsiterationen bis zur vollständigen Fertigstellung umfasst. Die Prozessüberwachung mit Sensoren gewährleistet die Maßhaltigkeit und die thermische Kontrolle während des gesamten Prozesses.
Anwendungen des CNC 3D-Drucks
Zu den wichtigsten Anwendungen, die bisher von Hybridsystemen demonstriert wurden, gehört die Reparatur abgenutzter Komponenten in der Luft- und Raumfahrt, wie z.B. Gasturbinenschaufeln. Die Fähigkeit, beschädigte Bereiche durch lokale Ablagerung und anschließende Bearbeitung zu rekonstruieren, macht diese Anwendung sehr geeignet. Andere Anwendungen umfassen die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, die durch maschinelle Bearbeitung allein nicht möglich sind, wie z.B. ummantelte Merkmale mit porösen Gitterstrukturen. Teile aus mehreren Materialien nutzen auch die Möglichkeiten der hybriden additiven und subtraktiven Materialintegration. Indem sie die laserbasierte additive Fertigung direkt mit der hochpräzisen CNC-Bearbeitung verbinden, eröffnen Hybridmaschinen neue Designfreiheiten und Produktivitätsgewinne im Vergleich zu eigenständigen Systemen. Sie vereinen das Beste aus additiven und subtraktiven Fertigungstechnologien.
Additiv-Subtraktive Systeme
Integration der Deposition in Werkzeugmaschinen
Führende Werkzeugmaschinenhersteller haben ausgeklügelte Hybridsysteme entwickelt, die additive Fertigungsmöglichkeiten direkt in subtraktive Fertigungsanlagen integrieren. Anstatt Laser einfach nachzurüsten, sind diese Hybridmaschinen speziell für die nahtlose Integration von additiven und subtraktiven Verfahren konzipiert. Mitsui Seiki entwickelt seine Hybridsysteme von Grund auf neu. Laser und Pulverdüsen sind so konstruiert, dass sie genau wie normale Schneidwerkzeuge an den Maschinenspindeln befestigt werden können. Die Düsen werden automatisch über Schnellverbindungsschnittstellen mit den Teilen für die Laserenergie- und Pulverzufuhr verbunden. Durch die Integration auf dieser Ebene können sich additive und subtraktive Prozesse unter einem einheitlichen Kontrollfluss wirklich abwechseln. Andere namhafte Hersteller wie DMG Mori, Mazak und Trumpf bieten ebenfalls spezielle Hybridplattformen an. Einige von ihnen integrieren das selektive Laserschmelzen, während andere sich speziell auf die Fused-Filament-Fertigung oder auf Verfahren mit gerichteter Energieabscheidung wie das Laserauftragsschweißen konzentrieren. Es gibt auch Dreh-Fräsmaschinen für rotationssymmetrische Teile.
Wichtige Systemkomponenten
Zusätzlich zu den eng integrierten Lasern und Pulvergeräten vereinen die Hybridsysteme mehrere andere Kerntechnologien: Mehrachsige Spindeln und Bewegungssteuerung für 5-seitigen Teilezugang. Gehäuse zur Aufrechterhaltung inerter Atmosphären für reaktive Materialien. Scanner, die Teile digitalisieren und Oberflächensignaturen kodieren. Messtaster zur Überprüfung von Genauigkeit und Toleranzen. Modulare Software zur nahtlosen Programmierung additiv-subtraktiver Werkzeugwege. Prozessüberwachung mit Sensoren und integrierter Fehlererkennung. Alles zusammen ermöglicht es Hybridmaschinen, komplexe metallische Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, den Energiesektor und andere unternehmenskritische Anwendungen herzustellen.
Hybride Reparaturtechnik
Ein spezieller Einsatzbereich der Hybridtechnik ist die Reparatur und Rekonstruktion hochwertiger Teile. Komplexe Turbinenschaufeln, Laufräder und andere beschädigte Komponenten für die Luft- und Raumfahrt können jetzt durch lokale additive Abscheidung und subtraktive Nachbearbeitung der gefüllten Bereiche wiederhergestellt werden. Durch den Vergleich von Scans verschlissener Teile mit CAD-Modellen erzeugen Hybridsysteme automatisch Werkzeugwege, die fehlende Volumina Schicht für Schicht rekonstruieren. Durch die sofortige Nachbearbeitung werden die endgültigen Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheiten der reparierten Teile erzielt, ohne dass ein separates Einrichten erforderlich ist. Diese Anwendung, die als hybride Reparaturtechnologie bezeichnet wird, nutzt die Kombination aus Scannen, additiver Fertigung und CNC-Bearbeitung innerhalb spezieller Plattformen. Sie zeigt, dass die Industrie bereit ist für die hybride Fertigung, um ultrapräzise Komponenten zu retten, die andernfalls teuer ersetzt werden müssten.
Beispiele für hybride Fähigkeiten
Spezielle Plattformen von Mitsui Seiki, DMG Mori und anderen demonstrieren Fähigkeiten wie die Herstellung von Turbinengehäusen mit integrierten Kühlkanälen. Es entstehen Gussstrukturen mit internen Kanälen, die sonst nur schwer maschinell bearbeitet werden können. Durch Laserbeschichtung und anschließendes Fräsen lassen sich in einem Arbeitsgang auch geflanschte Teile mit überhängenden Merkmalen herstellen. Mittels Drahtbeschichtung aufgebrachte Beschichtungen erhöhen die Widerstandsfähigkeit der Teile. Rotierende Bauteile entstehen aus innovativen Dreh-Fräs-Hybridkonstruktionen in einer einzigen Aufspannung. Dies alles sind Beispiele für die Vorteile der hybriden additiv-subtraktiven Materialintegration.
Multi-Prozess-Bearbeitung
Integration von FDM in Fräsmaschinen
Während sich die meisten Hybridsysteme auf metallische Werkstoffe konzentrieren, haben einige Hersteller Hybridplattformen entwickelt, die den 3D-Druck auf Polymerbasis (Fused Deposition Modeling - FDM) in CNC-Fräsmaschinen integrieren. FDM-Köpfe werden neben den Schneidwerkzeugen auf den Spindeln der Fräsmaschinen montiert. So können Sie zunächst thermoplastische Teile drucken und dann bei Bedarf direkt zur subtraktiven Bearbeitung übergehen. Schrumpfungskompensation und Spannungen werden inline und nicht als Nachbearbeitungsprozess möglich. Überhänge, die bisher Stützstrukturen erforderten, können additiv ohne Stützen hergestellt werden. Metalle wie Titan können auch in 3D-gedruckte Polymere eingebettet werden, indem die additiv-subtraktive Koordination genutzt wird, um die endgültigen Anwendungen zu stärken.
Entwurf einer modularen Hybrid-Plattform
Führende Maschinenbauer entwickeln Hybridplattformen der nächsten Generation als vollständig modulare, vielseitige Systeme. Die Bearbeitungsköpfe können schnell ausgetauscht werden, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Zu den alternativen Beschichtungstechniken, die zur Verfügung stehen, gehören das Laser-Pulverbettschmelzen, das Laserauftragschweißen mit geblasenem Pulver, die additive Fertigung mit Drahtbogen und andere. Variable Spotgrößen, Laserleistungen und Pulverzufuhr optimieren die Beschichtung für die jeweilige Aufgabe. Divergente oder eng fokussierte Laserstrahlen erfüllen Aufgaben, die über die einfache Materialbeschichtung hinausgehen. Inspektionsgeräte und Messtaster überprüfen die Ergebnisse direkt an der Maschine. Die Steuerungen planen nahtlos mehrstufige additive, scannende und subtraktive Abläufe. Die Modularität macht die Systeme zukunftssicher und ermöglicht die Einbindung neuer Technologien. Offene Ökosysteme ziehen innovative Drittanbieter an und erweitern die Reichweite der Hybridfertigung. Kernsteifigkeit gewährleistet Präzision bei modularer Flexibilität.
Zukünftige Hybrid-Entwicklung
Die fortgesetzte Hybridisierung wird zu bahnbrechenden Anwendungen führen. Die Mikrostruktur von Multi-Metall-Legierungen könnte sich Element für Element verändern. Es entstehen Diffusionsveränderungen und abgestufte Materialzusammensetzungen. Eingebettete Funktionselemente wie Miniatur-Kühlleitungen und proprietäre Elektronik werden auf der Maschine hergestellt. Die Serienproduktion vollbringt diese Kunststücke. Software automatisiert manuelle Aufgaben, um den menschlichen Einfallsreichtum zu maximieren. Maschinelles Lernen optimiert die Prozesse und spart Energie. Standardisierte Sicherheitsprotokolle schützen sensibles geistiges Eigentum in kollaborativen digitalen Ökosystemen. Mit einer engeren Integration von additiven, subtraktiven und verwandten digitalen Disziplinen zeichnet die hybride Multiprozessproduktion eine expansive Zukunft, die unsere Welt durch eine grenzenlos leistungsfähige Fertigung gestaltet.
Fazit
Die hybride Fertigung stellt die konvergierende Zukunft der additiven und subtraktiven Technologien dar. Durch die Integration gerichteter Energieabscheidungstechniken wie dem Laserauftragschweißen direkt in CNC-Maschinen erschließen Hersteller neue Potenziale, die eigenständige Systeme nicht erreichen könnten. Komplexe interne Merkmale, lokale Multi-Material-Integration und Anwendungen zur Reparatur von Teilen werden zur industriellen Realität. Führende Erstausrüster wie Mitsui Seiki und DMG Mori haben mit ihren speziell entwickelten Hybridplattformen schon früh eine Führungsrolle übernommen. Modulare Designs integrieren die Bearbeitungsköpfe nahtlos als automatisiertes Multi-Tool-Ökosystem. Die digitale Steuerung orchestriert kompliziert choreografierte additiv-subtraktive Produktionsballette. Anwendungen in den Bereichen Flugantriebe, Formgebung und medizinische Implantate nähern sich der Serienproduktion. Die hybride Fertigung ist zwar immer noch ein aufstrebendes Feld, aber in den letzten Jahren ist sie deutlich gereift. Die Übernahme durch die großen Industriezentren zeigt die Relevanz auf Produktionsebene. Der technische Dialog verlagert sich von allgemeinen Konzepten zur Verfeinerung integrierter Arbeitsabläufe für bestimmte Materialien und Industrienormen. Die Software holt auf, indem sie Aufgaben automatisiert, die bisher durch manuelle Programmierung erledigt wurden. Während sich das Feld weiter entwickelt, bleiben viele Möglichkeiten unerforscht. Multi-Metall-Legierungen, eingebettete Elektronik und die automatisierte Reparatur von Teilen lassen erahnen, was durch die Hybridisierung von additiven, subtraktiven und digitalen Disziplinen entstehen kann. Mit Blick auf die Zukunft werden Hersteller, Forscher und Unternehmer die technischen Grenzen weiter ausdehnen und sich fragen, welche integrierten Produktionsinnovationen die globale Industrie und Gesellschaft prägen werden.
FAQs
F: Für welche Branchen eignet sich die hybride Fertigung am besten?
A: Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Spritzguss und andere, die komplexe Teile in kleinen Stückzahlen herstellen, profitieren stark davon. Auch bei der Reparatur/Wiederherstellung von Anlagen wie Turbinen werden hybride Fähigkeiten genutzt.
F: Wie unterscheidet sich ein Hybridsystem von einer einfachen additiven oder subtraktiven Ausrüstung?
A: Hybride Systeme integrieren Laser-/Pulveradditive auf CNC-Maschinen und führen nahtlose additiv-subtraktive Werkzeugpfade aus. Die Teile werden auf einer Plattform gedruckt und dann bearbeitet, statt in getrennten Schritten additiv und dann maschinell.
F: Welche Funktionen sind für die hybride Fertigung am besten geeignet?
A: Komplexe interne Strukturen, die Integration mehrerer Materialien, abgestufte Eigenschaften und die Reparatur von Teilen eignen sich für Hybridsysteme. Äußere Formen, die sich sowohl additiv als auch maschinell bearbeiten lassen, sind ebenfalls von Vorteil.
F: Wie funktionieren Software und Steuerung bei Hybridmaschinen?
A: Digitale Zwillinge simulieren virtuell Prozesse. Steuern Sie die Abfolge von additiven und subtraktiven Schritten oder schalten Sie die Bearbeitungsköpfe automatisch um. Die Programmierung erzeugt optimierte integrierte Werkzeugwege aus dem CAD.
F: Welche Materialien können Hybridsysteme verarbeiten?
A: Obwohl der Schwerpunkt auf der Metallbearbeitung liegt, wie z.B. Laser-Pulverbettschmelzen und Laser-Auftragschweißen, integrieren neuere Maschinen auch Polymere 3D-Druck auch. Eine Vielzahl von Metallen, Legierungen und Verbundwerkstoffen möglich.
F: Wie wirken sich Restspannungen auf die Qualität von Hybridteilen aus?
A: Die Feinabstimmung der Laserparameter und eine strategisch geplante Bearbeitung verringern das Risiko von Verformungen. Die zukünftige Modellierung des thermischen Prozesses kann die Wege optimieren, um Spannungen zu minimieren.