Mapal setzt auf additive Fertigung für Schneidplattenbohrer der QTD-Serie

Präzisionswerkzeuge und additive Fertigungsstrategien sind längst kein Widerspruch mehr. Das zeigt sich einmal mehr bei den neuen Schneidplattenbohrern der QTD-Serie von Mapal. Erstmals setzen die Aalener Präzisionswerkzeugspezialisten auf generativ hergestellte Bohrer mit verblüffenden Ergebnissen. Dr. Dirk Sellmer, Leiter Versuch und Entwicklung bei Mapal, erläuterte die Hintergründe dieser Neuentwicklung und die neuen Geometriefreiheiten bei der Konstruktion komplexer Bauteile.

Einmal mehr zeigt sich Mapal als Ideenschmiede für High-Tech-Bohrlösungen. Bei der Suche nach neuen, innovativen Lösungen für die Metallbearbeitung hat sich das Unternehmen in den 65 Jahren seit Gründung im Jahre 1950 immer wieder neu erfunden. In dieser Vorreiterrolle setzt Mapal nun auf additive Werkzeuglösungen mit LaserCUSING-Anlagen von Concept Laser.

Anforderungen aus der Praxis
Hohe Performance, lange Standzeiten und schnelle Werkzeugwechsel bilden die zentralen Anforderungen an moderne Werkzeugkonzepte. Der Schneidplattenbohrer QTD zeichnet sich durch gute Spanverformung und einen sicheren Späneabtransport durch die Geometrie aus. Die Schneidplatte wird in einer stabilen Prismenaufnahme gehalten. Mit diesen Präzisionsmerkmalen sind hohe Schnittdaten und Bohrungsqualitäten möglich. Mapal bietet vier Typen des Schneidplattenbohrers für Stahl, Inox, Guss und Aluminium an.

Entwicklung der neuen QTD Schneidplattenbohrer von 8 bis 32,75 mm Durchmesser
Die neuen Schneidplattenbohrer QTD von Mapal dürften Anwender begeistern. Denn die Bohrer haben es im Detail wirklich in sich. Bedingt durch eine generative Fertigung aus Metallpulver auf Laserschmelzanlagen von Concept Laser ergaben sich völlig neue Ansätze in der Konstruktion. Der Schneidplattenbohrer QTD war bisher ab einem Durchmesser von 13 mm erhältlich. Dafür ist unter anderem die Kühlkanalführung des Grundkörpers verantwortlich. Je kleiner der Grundkörper ist, desto mehr beeinträchtigt die übliche zentrale Kühlmittelführung die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs. Durch die zentrale Führung wird der Kern des Bohrers geschwächt und instabil. Darüber hinaus müssen die Kühlkanäle zunehmend kleiner ausgeführt werden. So ergibt sich ein abnehmender Durchfluss an Kühlmittel bis an die Schneide. Die neuen Stahl-Grundkörper mit gewendelt geführten Kühlkanälen sind in kleinen Durchmessern bislang nicht üblich. Die neue Konstruktion erlaubt nun auch Vollbohrer im Durchmesserbereich von 8 bis 12 mm.

Neues, gewendeltes Kühlkonzept
Die neuen Schneidplattenbohrer der QTD-Serie werden im additiven Laserschmelzen gefertigt. Es handelt sich um hybrid gefertigte Teile: Der Schaft wird konventionell zerspant und der Bohrer generativ lasergeschmolzen. Dieser Ansatz erlaubt es, die Wirtschaftlichkeit im Herstellprozess signifikant zu verbessern. Dr. Dirk Sellmer: „Hybride Strategien bieten sich als Methode der Wahl an: Einfache Bereiche eines Bauteils werden zerspant und komplexere Bereiche werden dann additiv aufbaut.“ Die mannlose Fertigung und die Reduktion von Rüstzeiten und Nacharbeiten beim digitalen Ansatz des Laserschmelzens sind weitere Aspekte zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Der Übergang von einer konventionellen Fertigungsstrategie zu einer additiven Fertigung erlaubte aber vor allem eine völlig neue Geometrie zur Leistungssteigerung der Werkzeuge. Dr. Dirk Sellmer: „Der additiv aufgebaute Schneidplattenbohrer besitzt ein Kühlkonzept mit gewendelten Kanälen, das eine höhere Kühlleistung ermöglicht. Im Vergleich zur bisherigen zentralen Kühlmittelführung mit Ypsilon-Umlenkung erzielt eine gewendelte Kühlmittelführung einen um 100% gesteigerten Kühlmitteldurchfluss.“ Es ergibt sich zudem eine erhöhte Kernstabilität durch parallel zur Spannut verlaufende Kühlmittelkanäle. Die verbesserte Kühlung ergibt sich auch aus den neuen Kühlkanalprofilen, die von der üblichen Kreisform leicht dreieckig abweichen. Flächenträgheitsmoment und Durchflussrate konnten so optimiert werden. In Versuchen wurde ermittelt, dass die Wahl eines solchen Querschnitts die Durchflussmenge um 30 % steigert. Konventionell sind solche Kühlmittelprofile nicht herstellbar. Das Kühlmedium fließt bei einem Druck von 1,6 bis 3 bar.

Plus an Leistung
Das neue Kühlkonzept ermöglicht generell, dass der besser gekühlte Bohrer eine längere Standzeit hat. Und es ergaben sich kleinere Bohrerdurchmesser als Programmausweitung. Eingesetzt wird Werkzeugstahl 1.2709. Laut Dr. Sellmer kalkuliert man den Pulverbedarf mit den effektiven Baugewichten plus 10%, wobei das Restmaterial leicht zu recyceln ist. Ein wichtiger Punkt für rotative Werkzeuglösungen von Mapal sind Spannungen im Bauteil. Konventionell hergestellte Teile muss man nach der Zerspanung, auf Grund der enormen Krafteinwirkungen, entspannen. Das ist beim LaserCUSING anders. Durch den ständigen Wechsel von Belichtungsorten der Geometrie ist das Bauteil in sich bereits während des Aufbaus entspannt.

Anlagentechnik

Zum Einsatz kommen derzeit zwei M1 cusing-Anlagen von Concept Laser mit einem zentralen Materialvorratsbehälter. Die Anlagen aus dem mittleren Anlagensegment verfügen über einen Bauraum der Größe 250 x 250 x 250 mm. Die Schneidplattenbohrer QTD entstehen in diesem Bauraum als 10×10 oder 11×11 Stück-Lösungen. In einem Aufbau werden 100 bis 121 Bohrer hergestellt. Die Bauraten des 400W-Lasers liegen dabei zwischen 6 und 18 cm³/h. Zur Vermeidung von Kontaminierungen arbeitet die M1 cusing wie üblich unter Stickstoff-Schutzgasatmosphäre. Während der Verarbeitung erhitzt der Laser das Pulvermaterial auf 60-70°C beim Aufschmelzen. Die Wärmedehnung beim Bauprozess sollte in der Konstruktion berücksichtigt werden. Nach den ersten Erfolgen mit Serienprodukten wächst allerdings auch die Nachfrage nach internen Kapazitäten, selbst wenn sich bei geschickter Organisation eine Produktionsverfügbarkeit von 24 Stunden, an sieben Tagen in der mannlosen Fertigung ergibt. Optionen, so Dr. Dirk Sellmer, sind der Einsatz von mehreren Lasern in einer Anlage und/oder eine generelle Ausweitung der Kapazität. Dr. Kress, Inhaber von Mapal, sprach bereits 2014 von einem Bedarf von mindestens fünf Anlagen auf mittlere Sicht.

Warum Concept Laser?

Fragt man nach bei Matthias Schneider, Mitarbeiter aus der F&E-Abteilung von Dr. Sellmer, sind es Handling, Zugänglichkeit und Bedienfreundlichkeit. Auch die offene Variation von Parametern zur Prozessgestaltung nennt Matthias Schneider als Stärken von Concept Laser. Die Variation von Parametern ist insbesondere interessant bei Versuchen und neuen Produkten, um einen optionalen Prozess zu definieren. Fragt man genauer nach, so kommen ein paar Argumente zum Vorschein, die erkennen lassen, dass dieser Mitarbeiter sich auskennt: Die Möglichkeiten der Topologie beim LaserCUSING gehört dazu. Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Durch diese Belichtungsstrategie werden die geringsten Spannungen im Bauteil induziert.

Die inneren Werte zählen: Geometrie und Leichtbau für das Wuchten
Die Veränderungen in der Konstruktion zeigen sich auch auf anderen Feldern bei Mapal. Neu sind gewichtsoptimierte, lasergeschmolzene Außenreibahlen der Aalener. Außenreibahlen funktionieren umso besser, je leichter sie sind. Das gilt insbesondere bei der Bearbeitung von Wellen mit kleinen Durchmessern. Konventionell hergestellte Außenreibahlen aus Stahl von 8,5 mm bringen bereits 400 Gramm auf die Waage. Dieses Gewicht und die daraus resultierende Massenträgheit schränken die maximal möglichen Schnittgeschwindigkeiten stark ein. Eine additive Fertigung ermöglicht einen sogenannten Leichtbau von Außenreibahlen mit Wuchtpotenzial.

Dr. Dirk Sellmer: „Die Massenverteilung der Wabenstruktur der Außenreibahlen verhält sich so ungefähr, wie das Wuchten von Rädern. Die innen liegenden Hohlräume nennen wir Wuchtprofile. Wir erzielen mit den Wuchtprofilen einen nahezu perfekten Rundlauf der rotativen Werkzeuge.“ Eine speziell auf die Applikation hin entwickelte und zum Patent angemeldete Rippenstruktur verhilft der „neuen“ 8,5 mm-Außenreibahle zu einer Gewichtsreduktion auf 172 Gramm. Das bedeutet ein Gewichtsersparnis um ca. 57 %, das sich bei diesem rotativen Bauteil in mehr Leistung auswirkt: Die Bearbeitung wird schneller und die Genauigkeit höher.

Neue Produkte am Horizont
Es zeigt sich, dass eine additive Fertigungsstrategie Wettbewerbsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Wertschöpfung beflügeln kann. „Im weitesten Sinn kann man davon sprechen, dass die Bauteile der Zukunft intelligenter oder komplexer sind und auch mehr Leistung bieten“, so Dr. Dirk Sellmer, und weiter: „Zudem werden sich unsere konstruktiven Optionen verändern. Es werden sich neue Geometrien mit neuen Leistungsmerkmalen ergeben. Mit der additiven Fertigung eröffnen sich generell neue Produktlösungen, die konventionell nicht vorstellbar sind. Durch jedes umgesetzte Projekt lernt man dazu. Dieses Wissen fließt dann in zukünftige, neue Projekte ein.“ Neben der Optimierung der Qualität steht für Mapal die Optimierung der Prozessführung im Vordergrund, um mit besseren Oberflächen näher am präzisen Bauteil additiv fertigen zu können. Sowohl die kryogene Zerspanung als auch die Anfragen nach geschlossenen Kühlkreisläufen und Kammern stellen neue Anforderungen an die Technologie.

Bildquellen: MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG