Großformatiger 3D-Druck bringt Geometrie in kurzer Zeit auf die Maschine: Ein Werkzeugkörper, der aus dem Vollen mehrere Tage Fräszeit und einen entsprechend großen Rohling gebraucht hätte, entsteht schichtweise und mit einem Bruchteil des Materials. Nur ist das Ergebnis eben ein Körper und noch kein Werkzeug. Wie das Drucken selbst funktioniert und wann es sich rechnet, beschreibt das Dossier zu 3D-gedruckten Formen; hier geht es um das, was danach kommt.
Drei Gründe, warum Drucken allein nicht reicht
- Oberfläche: Die Schichtstruktur ist im Formteil sichtbar und lässt sich nicht wegpolieren – die Formfläche muss spanend erzeugt werden
- Maßhaltigkeit: Der Druckprozess arbeitet mit Wärmeeintrag und Abkühlung, das Ergebnis verzieht sich gegenüber dem Datensatz
- Dichtheit: Zwischen den Schichten bleiben Mikrokanäle. Ein Werkzeug, das Vakuum halten oder in den Autoklaven soll, muss versiegelt werden
Daraus folgt die Grundregel des Verfahrens: Es wird bewusst mit Aufmaß gedruckt und die Funktionsfläche anschließend heruntergefräst. Der Druck liefert die Masse und die Grobgeometrie, die Fräse die Fläche, auf die es ankommt – dieselbe Arbeitsteilung wie zwischen Schruppen und Schlichten, nur über zwei Verfahren verteilt.
Der Werkstoff entscheidet, nicht der Drucker
Werkzeugtaugliche Druckwerkstoffe sind hochgefüllte Thermoplaste. Verbreitet ist die Dahltram-Reihe von Airtech, die modifiziertes ABS, Polycarbonat, PEI und Polyethersulfon umfasst – sämtlich mit Kohlenstofffasern compoundiert. Die Faser hat dabei zwei Aufgaben: Sie erhöht die Steifigkeit, und sie senkt den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der zweite Punkt ist der eigentlich kritische, denn ein Werkzeug für Carbonbauteile muss sich beim Aufheizen möglichst ähnlich verhalten wie das Bauteil darin. Ein Werkzeug, das sich stärker dehnt als sein Inhalt, produziert Maßabweichungen, die keine Nachbearbeitung mehr korrigiert.
Wie weit diese Werkstoffe inzwischen sind, zeigt ein Dauerversuch: Das Material Dahltram I-350CF überstand über 500 Autoklavzyklen bei 176 °C und 100 psi – rund 6,9 bar – ohne Anzeichen von Versagen. Das ist die Zahl, die den Unterschied zwischen Prototypenwerkzeug und Serienwerkzeug ausmacht, denn genau daran scheiterten frühere gedruckte Formen.
Eine Aufspannung statt zweier Maschinen
Die Prozesskette wird gerade kürzer, weil Drucken und Fräsen zusammenrücken. Zwei Bauformen haben sich herausgebildet.
| Bauform | Prinzip | Charakteristik |
|---|---|---|
| Portalanlage | Großer Portalrahmen mit Druckkopf und Frässpindel; teils zwei Portale, sodass auf einem Bauteil gedruckt und auf dem nächsten schon gefräst wird | sehr große Bauräume – Anlagen mit rund zwölf Metern Länge sind im Regelbau; hohe Steifigkeit, entsprechend hoher Platzbedarf |
| Roboterzelle | Industrieroboter mit wechselbarem Druck- und Fräskopf, CNC-gesteuert | flexibler und günstiger im Einstieg, freier im Anstellwinkel; geringere Steifigkeit, dafür leichter erweiterbar |
Der Gewinn liegt nicht nur in der Zeit. Wer in einer Aufspannung druckt und fräst, kennt die Lage des Werkstücks exakt und kann die Fräsbahnen auf den tatsächlich gedruckten Körper beziehen statt auf den Soll-Datensatz. Bei einem Bauteil, das sich beim Abkühlen um einige Zehntel verzogen hat, ist das der Unterschied zwischen einer maßhaltigen Fläche und einer, die stellenweise ins Leere fräst.
Versiegeln und beschichten
Nach dem Fräsen folgt der Schritt, der über die Standzeit entscheidet. Die gefräste Fläche wird versiegelt, um die Mikroporosität zwischen den Schichten zu schließen, und anschließend auf Formqualität poliert. Für höhere Beanspruchung kommen Beschichtungen hinzu – von Epoxid-Oberflächenschichten bis zu metallisch gespritzten Deckschichten, die eine deutlich härtere und temperaturbeständigere Arbeitsfläche liefern als der Druckwerkstoff selbst.
Wann sich der Weg rechnet
Hybrid Tooling ist keine Universallösung, sondern schlägt in einem klar umrissenen Feld: bei großen Werkzeugen, kleinen bis mittleren Stückzahlen und Geometrien, die sich ändern können. Ein großer Rohling für die Fräsbearbeitung ist teuer und wird zum größten Teil zu Span; ein gedruckter Körper braucht nur das Material, das im Werkzeug bleibt. Bei kleinen Formen kippt die Rechnung dagegen schnell zurück zur klassischen GFK-Form oder zum Fräsen aus Modellbauplatte.
Ein zweiter, oft übersehener Punkt: Der thermoplastische Druckwerkstoff ist am Lebensende grundsätzlich schredderbar und wieder verarbeitbar. Bei Werkzeugen, die nach einer Serie ohnehin ausgedient haben, ist das ein realer Unterschied zur ausgehärteten GFK-Form. Welcher Werkzeugwerkstoff für welchen Fall passt, ordnet der Vergleich der Werkzeugmaterialien ein.