Generativ fertigen mit Hermle MPA Technologie
Wir befassen uns seit mehr als 10 Jahren mit der Entwicklung neuer generativer Fertigungs- und Verfahrenstechniken. Die in diesem Zuge von uns zur Industriereife gebrachte Hermle MPA Technologie stellt ein innovatives und vielseitiges Verfahren zur generativen Herstellung großvolumiger Bauteile aus Metall dar, das seine Stärken besonders im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus voll ausspielen kann. Von besonderem Vorteil ist dabei die Möglichkeit, bereits vorgefertigtes Halbzeug flexibel mit generativ gefertigten Komponenten zu ergänzen. So entstehen hybridgefertigte Bauteile, die mit mehreren hundert Kilogramm Masse und mehr als 500 mm Durchmesser in neue Dimensionen der generativen Fertigung vorstoßen.

MPA = Metall-Pulver-Auftrag
Die Hermle MPA Technologie steht für ein thermisches Spritzverfahren, bei dem Metallpulver schichtweise zu soliden Festkörpern kompaktiert werden. Dazu werden Pulverpartikel mit Hilfe eines Trägergases auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und durch eine Düse auf das jeweilige Substrat aufgebracht. Der Durchmesser des aus der Düse austretenden Pulverstrahls von mehreren Millimetern und mögliche Aufbauraten von mehr als 200 cm³ pro Stunde prädestinieren das MPA Spritzverfahren für vergleichsweise massiven Volumenaufbau auf mittleren bis großen Bauteilflächen.

Materialauftrag und Zerspanung kombiniert
Die MPA Auftragseinheit mit der Düse ist in ein Hermle 5-Achsen Bearbeitungszentrum vom Typ C-40 integriert. Zur Fertigung eines Bauteils mit der MPA Technologie wird der Materialauftrag mit der bewährten Hermle Zerspanungstechnik zu einem hybriden Fertigungsprozess kombiniert. Neben der klassischen planen Schichtbauweise, die bei vielen generativen Fertigungsverfahren Anwendung findet, erlaubt die Maschinenkonfiguration auch den Materialaufbau auf gekrümmten Freiformflächen. Limitierend sind hierbei die Zugänglichkeit der Bauteilgeometrie für die Auftragsdüse sowie die Dynamik der Dreh- und Schwenkachsen der Maschine. So sind zum Beispiel auch Bauteile realisierbar, bei denen auf einen zylindrischen Rohling rotierend ein Materialmantel aufgetragen wird.

Schichtweise wechselnder Materialaufbau
Der Materialauftrag erfolgt beim MPA-Verfahren grundsätzlich flächig auf geometrisch zugänglichen Teilen des Bauteils. Werden andere Materialien in ein Bauteil eingearbeitet bzw. eingebettet, so erfolgt der Aufbau der Materialen abwechselnd schichtweise immer so weit, wie die jeweiligen Konturen des anderen Materials zur Zerspanung zugänglich sind. Die Konturtreue der Bauteilkomponenten wird dabei durch die Gestaltung der Fräsbearbeitung bestimmt und kann den individuellen Anforderungen angepasst werden. Auf die vorbereiteten Konturen wird anschließend das jeweils anderen Material aufgetragen und wieder in Form gefräst. Auf diese Weise entsteht ein massiver Volumenkörper aus zwei oder mehr Materialien.

Füllmaterial für Kanäle und Hohlräume
Die Verwendung eines speziellen Füllmaterials ermöglicht die Realisierung von innenliegenden Hohlräumen, Kanälen und hinterschnittigen Konturen. Es ist wasserlöslich und wird am Ende des Prozesses herausgespült um die Innengeometrie freizulegen. Eine abschließende Wärmebehandlung optimiert das Gefüge und gibt dem Bauteil die gewünschte Härte.
 
Fertigungsablauf am Beispiel einer Demonstrations-Kugelbahn
Das im Bild oben links dargestellte Bauteil wurde zu Demontrationszwecken hergestellt und enthält einen 3.4m langen Kanal (18x18mm), in dem Kugeln laufen können, sowie einen eingebetteten Kupfereinsatz, der durch abschließend freigefräste Partien das Hermle Firmenlogo darstellt.
Bauteilmaße: 520 x 520 x 140 mm, Gesamtgewicht ca. 270kg, davon mit dem MPA-Verfahren aufgetragener Anteil: ca. 40kg.
 
Die nebenstehende Bildfolge illustriert die wesentlichen Arbeitsschritte des Fertigungablaufs:
  1. Einfräsen des Kanals in den vorgefertigten Rohling.
  2. Auffüllen des Kanals mit wasserlöslichem Füllmaterial.
  3. Auftragen einer Deckschicht aus 1.2344 Warmarbeitsstahl. Fräsen der Konturen des Kupfereinsatzes.
  4. Kupfer in vorgefräster Kontur auftragen und anschließend in Form fräsen.
  5. Auftragen einer weiteren Schicht 1.2344 Stahl. Abschließendes Öffnen der Sichtfenster zur Kupfereinlage und Herauslösen des noch im Kanal vorhandenen Füllmaterials.
Schichtbildung beim MPA-Verfahren
Sowohl die Pulverpartikel aus der Düse als auch die Substratoberfläche werden beim Aufprall stark plastisch verformt. Besonders die Oberflächenkörner erfahren eine starke Streckung und an den Grenzflächen entstehen lokal Drücke von mehr als 10 GPa und Temperaturen bis zu 1000°C. Dabei entsteht eine bindende Kontaktfläche zwischen dem Partikel und dem Substrat bzw. bereits zuvor aufgebrachten Pulverpartikeln. Durch die plastischen Verformungen wird das Bauteil - ausgehend von den Anbindungsflächen zwischen den Partikeln - isothermisch erwärmt.
Ausgangsmaterial Metallpulver
Metallpulver sind das Ausgangsmaterial für die generative Fertigung mit dem Hermle MPA Verfahren. Die physikalischen Eigenschaften der aufgetragenen Metallschichten und der Materialübergänge müssen den hohen mechanischen und thermischen Anforderungen der Einsatzumgebung des zu fertigenden Bauteils entsprechen. Daher ist für jedes verwendete Metallpulver eine optimale Abstimmung der Prozessparameter notwendig. Die Eigenschaften des entstehenden Gefüges werden in umfangreichen Versuchsreihen mit Referenzbauteilen bestimmt. Neben Zug- und Druckversuchen werden aus Untersuchungen von Schliffen im Lichtmikroskop Informationen über Partikel- und Schichthaftung, Porosität und eventuelle Einschlüsse gewonnen.
Derzeit mit dem MPA Verfahren verarbeitbare Materialien:
  • Warmarbeitsstähle  1.2344,  1.2367,  1.2083
  • Kaltarbeitsstähle  1.2333,  1.2379
  • Rostfreie Edelstähle  1.4404,  1.4313
  • Invar  1.3912
  • Reineisen, Reinkupfer, Bronze…
MPA Studio
Bei der Erstellung der Programme mit wechselnden Auftrags- und Zerspanungspfaden wird die eigens für den MPA-Prozess entwickelte CAD/CAM-Software MPA Studio verwendet. Sie ermöglicht die für den Materialaufbau notwendige schichtweise Analyse und Bearbeitung der Bauteilgeometrie. Die Simulation des kompletten Prozessablaufs sowie Qualitätssicherungsfunktionen zur Kontrolle der gefertigten Bauteile machen die Software zu einem flexiblen und vielseitigen Werkzeug für die MPA-Technologie.