Entwicklung eines Nullpunktspannsystems für die additive Fertigung

FEM-Simulation eines hochtemperaturbeständigen Nullpunktspannsystems für referenziertes Spannen in LPBF-Anlagen
© Fraunhofer IPK
FEM-Simulation eines hochtemperaturbeständigen Nullpunktspannsystems für referenziertes Spannen in LPBF-Anlagen

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen eine größere Designfreiheit im Vergleich zur konventionellen Fertigung. In der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilbranche oder dem Werkzeugbau integrieren deshalb viele Hersteller bereits additive Technologien in neue oder bestehende Produktionsketten. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ist dabei das in der Metallverarbeitung am weitesten verbreitete Verfahren. Selbst schwer schweißbare Metallwerkstoffe können damit durch eine Vorheizung des Bauraums additiv gefertigt werden. Ein limitierender Faktor für die breite industrielle Nutzung von LPBF-Verfahren ist jedoch die Durchgängigkeit der additiv gefertigten Bauteile, insbesondere zu weiteren Nachbearbeitungsverfahren.

Die im LPBF-Verfahren durch den Laser induzierten großen thermischen Einträge in den Werkstoff führen zu Verzug im Bauteil. Dadurch entstehen undefinierte Referenz- bzw. Antastflächen am Bauteil, die die hochpräzise Nachbearbeitung erschweren. Ein häufiges Einmessen und Umspannen der Bauteile in den Maschinen ist die Folge. 

In der konventionellen Fertigung sind Nullpunktspannsysteme, die mittels definierter Referenzpunkte über mehrere Bearbeitungsschritte eine hohe Fertigungspräzision gewährleisten, bereits fester Bestandteil der Prozessketten. Um diese Technologie auch in der additiven Fertigung mit weitaus höheren Prozesstemperaturen von bis zu 800 °C anzuwenden, entwickeln unsere Experten im Rahmen eines Forschungsprojekts ein neuartiges Nullpunktspannsystem für Hochtemperaturanwendungen.  Grundlage dafür ist eine neue Simulationsumgebung zur Modellierung des thermischen Energieeintrags in die Grundplatte. Sie dient außerdem der Entwicklung innenliegender Kühlkanäle für ein optimiertes Thermomanagement im Nullpunktspannsystem. Im neuen Spannsystem werden aufgrund der anvisierten Temperaturbereiche erstmalig Verbundkonstruktionen aus metallischen und keramischen Werkstoffen eingesetzt. Weiterhin wird ein hochtemperaturbeständiges Dichtkonzept zur betriebssicheren Funktion im Pulverbett von LPBF-Anlagen entwickelt und integriert.

Hersteller können zukünftig mit dem neuen Nullpunktspannsystem für den Hochtemperaturbereich Rüstzeiten entlang der gesamten Prozesskette deutlich reduzieren. Zudem sorgt das aktive, simulationsgestützte Kühlsystem im Inneren der Spannplatte für signifikant kürzere Abkühlzeiten nach abgeschlossenem Baujob. Durch diese innovative Weiterentwicklung klassischer Spannsysteme wird die Implementierung additiver Fertigungsschritte in mehrstufige Serienprozesse noch attraktiver und kosteneffizienter.

Förderhinweis

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.