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: Eine ausgeprägte Schichtstruktur kann sich im Formteil abzeichnen; die Funktionsfläche wird deshalb häufig gefräst oder durch einen geeigneten Beschichtungsaufbau hergestellt
- Maßhaltigkeit: Der Druckprozess arbeitet mit Wärmeeintrag und Abkühlung, das Ergebnis verzieht sich gegenüber dem Datensatz
- Dichtheit: Je nach Werkstoff und Prozess können zwischen den Bahnen Leckpfade verbleiben. Vakuumdichtheit muss nachgewiesen werden; eine Versiegelung ist erforderlich, wenn der Druckkörper die Anforderung nicht selbst erfüllt
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
Für den extrudierenden Druck, den heute üblichen Weg, sind werkzeugtaugliche Druckwerkstoffe 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.
Einen anderen Werkstoffweg geht das Gießen. Beim Verfahren Cast In Motion wird ein Epoxid abschnittsweise in eine gedruckte Schale gegossen, die nach dem Warmhärten entfernt wird. Das Ergebnis ist ein Duroplast, dessen Kennwerte nach Herstellerangaben in der Größenordnung einer Epoxid-Werkzeugplatte liegen. Wie das Verfahren arbeitet und wo es an Grenzen stößt, ordnet das Dossier zu 3D-gedruckten Formen ein. Für große Presswerkzeuge wird inzwischen auch Stahl gedruckt, per Lichtbogen-Draht-Auftragschweißen (WAAM); auch dieser Rohling wird erst durch spanende Bearbeitung zum Werkzeug.
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: Eine gemeinsame Aufspannung kann Fehler beim erneuten Ausrichten vermeiden. Sie liefert jedoch keine automatische Kenntnis der tatsächlichen Form nach dem Abkühlen. Der Bearbeitungsplan muss den Koordinatenbezug und ausreichend Fräsaufmaß sichern; bei relevanten Abweichungen ist die Istgeometrie gesondert zu erfassen. Erst damit lässt sich beurteilen, ob die geplante Funktionsfläche überall im gedruckten Material liegt.
Werkzeugwechsel: Druckfunktionen und Fräsfähigkeit unterscheiden
Die Generation-5-Ankündigung von Modix zeigt, wie wichtig die genaue Bedeutung von Werkzeugwechsel ist. Der dort vorgesehene Bondtech INDX wechselt Werkzeuge für Filamentdruck, etwa für andere Materialien oder Düsendurchmesser. Bondtech beschreibt dafür induktiv beheizte, passive Druckwerkzeuge. Das ist eine zusätzliche Druckfunktion; eine Frässpindel oder die nötige Steifigkeit unter Schnittkräften wird damit nicht nachgewiesen. Der Lieferstatus der Modix-Erweiterungen ist im LFAM-Dossier eingeordnet.
Für eine kombinierte Anlage gehören zulässige Bearbeitungskräfte, Spindel, Werkzeugaufnahme, Spannkonzept und Späneerfassung deshalb gesondert in die Auswahl. Auch thermisch muss die Reihenfolge passen: Thermwood beschreibt das Fräsen nach dem Abkühlen des Druckkörpers. Ein freigegebener Druckwerkstoff braucht weiterhin einen geeigneten Bearbeitungs- und Oberflächenprozess. Der praktisch überzeugende Nachweis ist ein repräsentatives Muster, das einschließlich Fräsen, Dichtheitsprüfung und vorgesehenem Temperaturzyklus die Werkzeuganforderungen erfüllt.
Versiegeln und beschichten
Nach dem Fräsen wird die Oberfläche für den Einsatz vorbereitet. Wenn der Druckkörper die geforderte Dichtheit nicht erreicht, kann eine geeignete Versiegelung verbleibende Leckpfade schließen. Polieren und weitere Beschichtungen richten sich nach der benötigten Formgüte und Beanspruchung. Dafür kommen beispielsweise Epoxid-Oberflächenschichten oder metallisch gespritzte Deckschichten infrage. Eine temperaturbeständige Deckschicht erhöht allerdings nicht automatisch die zulässige Einsatztemperatur des darunterliegenden Druckkörpers.
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 gilt diese Rechnung nicht: Dort konkurriert der Großformatdruck mit der klassischen GFK-Form, dem Fräsen aus Modellbauplatte und der gedruckten Form aus dem Werkstattdrucker, deren Grenzen der Formenbau-Leitartikel beschreibt.
Ein zweiter, oft übersehener Punkt: Ein thermoplastischer 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.