Herm­le: MPA 42 für prä­zi­se Auf­trags­ar­beit mit Überschall

Herm­le: MPA 42 für prä­zi­se Auf­trags­ar­beit mit Überschall

Der Gos­hei­mer Maschi­nen­bau­er Herm­le ist bekannt für eine leis­tungs­fä­hi­gen und prä­zi­sen Bear­bei­tungs­zen­tren. Auch das Bear­bei­tungs­zen­trum MPA 42, das letzt­lich auf dem High-Per­for­mance-Line Bear­bei­tungs­zen­trum Herm­le C 42 U basiert, ist leis­tungs­fä­hig und prä­zi­se, aller­dings für Anwen­der nicht käuf­lich zu erwer­ben. Denn hier geht es um die addi­ti­ve Fer­ti­gung, und da sieht sich Herm­le als Dienst­leis­ter. Dafür wur­de eigens die Herm­le Maschi­nen­bau GmbH (HMG) in Otto­brunn bei Mün­chen gegrün­det. Und die dor­ti­gen Exper­ten wis­sen genau, was For­men­bau­er wol­len – kur­ze Takt­zei­ten und hohe Bauteilqualitäten.

Oft sind es beim Anwender bereits gefräste Werkstücke, auf die per MPA Material aufgetragen wird, wie hier bei den Kühlkanälen: Sie werden zunächst mit einem wasserlöslichen Metallpulver gefüllt. Dann erfolgt der nächste Metallpulver-Auftrag. - Bild: Hermle
Oft sind es beim Anwen­der bereits gefräs­te Werk­stü­cke, auf die per MPA Mate­ri­al auf­ge­tra­gen wird, wie hier bei den Kühl­ka­nä­len: Sie wer­den zunächst mit einem was­ser­lös­li­chen Metall­pul­ver gefüllt. Dann erfolgt der nächs­te Metall­pul­ver-Auf­trag. – Bild: Hermle

Das Kür­zel „MPA“ steht für das Metall-Pul­ver-Auf­trag-Ver­fah­ren, dass Herm­le vor rund sie­ben Jah­ren zur Markt­rei­fe gebracht hat. Mit der neu­en Maschi­nen­ge­nera­ti­on gewinnt der gene­ra­ti­ve Fer­ti­gungs­pro­zess deut­lich an Prä­zi­si­on und Schnel­lig­keit. Die neue MPA 42 steht bei der Herm­le Maschi­nen­bau GmbH (HMG) in Otto­brunn. Das hun­dert­pro­zen­ti­ge Toch­ter­un­ter­neh­men der Maschi­nen­fa­brik Bert­hold Herm­le AG agiert seit 2009 vom baye­ri­schen Außen­pos­ten aus und hat sich mit den Jah­ren zu einem Dienst­leis­ter für die addi­ti­ve Fer­ti­gung entwickelt. 

MPA 42 ver­eint Auf­tra­gen und Abtra­gen in einer Maschine

Neben der Spin­del der MPA 42 ragt eine Düse in den Arbeits­raum. Die Laval­dü­se beschleu­nigt das Pul­ver und schießt es gezielt auf den auf­ge­spann­ten Metall­roh­ling. Eine Sprüh­ein­heit für Kühl­schmier­mit­tel fehlt dagegen.

Im Fokus
Herm­le Maschi­nen­bau GmbH
Die Herm­le Maschi­nen­bau GmbH am Stand­ort Otto­brunn bei Mün­chen ist ein Toch­ter­un­ter­neh­men der Maschi­nen­fa­brik Bert­hold Herm­le AG. Der Unter­neh­mens­schwer­punkt liegt auf Grund­la­gen­for­schung und Ent­wick­lung von neu­en Tech­no­lo­gien im Gebiet der gene­ra­ti­ven Fer­ti­gung. Seit meh­re­ren Jah­ren bie­tet das Unter­neh­men zudem umfang­rei­che Fer­ti­gungs­ka­pa­zi­tä­ten an: Hier rea­li­sie­ren die Spe­zia­lis­ten groß­vo­lu­mi­ger Bau­tei­le im paten­tier­ten MPA-Ver­fah­ren exklu­siv für Herm­le Kunden.

Über­hitz­ter Was­ser­dampf und Stick­stoff spie­len bei dem Ver­fah­ren eine eben­so wich­ti­ge Rol­le wie die Düsen­geo­me­trie, damit das Pul­ver Über­schall­ge­schwin­dig­keit erreicht und sich durch die Defor­ma­ti­on beim Auf­prall ver­bin­det. Ein Dampf­erzeu­ger und fünf Pul­ver­för­de­rer fin­den im hin­te­ren Teil der Anla­ge Platz. 

Ein Dampferzeuger und fünf Pulverförderer finden im hinteren Teil der Anlage Platz. Die Pulverförderer der MPA 42 lassen sich zudem bequem von außen beladen. - Bild: Hermle
Ein Dampf­erzeu­ger und fünf Pul­ver­för­de­rer fin­den im hin­te­ren Teil der Anla­ge Platz. Die Pul­ver­för­de­rer der MPA 42 las­sen sich zudem bequem von außen bela­den. – Bild: Hermle

Allen Auf­trags­ma­te­ria­li­en und Roh­lin­gen gleich ist ihre Duk­ti­li­tät. Dabei funk­tio­nie­ren sehr vie­le Metal­le, da der Auf­trag auf plas­ti­scher Ver­for­mung basiert. Dar­über hin­aus muss auch die Ober­flä­che der Halb­zeu­ge duk­til sein. Ver­ar­bei­tet wer­den neben den im Werk­zeug­bau übli­chen Warm- und Kalt­ar­beits­stäh­len mit hohem Koh­len­stoff­an­teil zudem auch Kup­fer und Ampcoloy.

Mit der MPA 42 las­sen sich unter­schied­lichs­te Werk­stof­fe verarbeiten

Kup­fer ist für das Tem­pe­ra­tur­ma­nage­ment im For­men­bau eine inter­es­san­te Alter­na­ti­ve. Das rote Metall lei­tet Wär­me deut­lich schnel­ler ab als Stahl. Stahl und Kup­fer intel­li­gent zu kom­bi­nie­ren schafft im For­men­bau ent­schei­den­den Mehr­wert. Und mit der addi­ti­ven Fer­ti­gung kön­nen die Herm­le-Spe­zia­lis­ten Kup­fer an die Stel­len des Werk­zeu­ges ein­brin­gen, an denen bei­spiels­wei­se Kühl­ka­nä­le kei­nen Platz haben. Ein Kup­fer­kern kann die Wär­me aus dem Spritz­gieß­pro­zess weit schnel­ler an den nächst gele­ge­nen Kühl­ka­nal ablei­ten als Stahl. Das ver­rin­gert die Abkühl- und damit die Zyklus­zeit und ver­bes­sert zudem die Ober­flä­chen­qua­li­tät der Kunststoffteile.

Die MPA 42 basiert auf einer Hermle C42 U und wurde für das MPA-Verfahren stark modifiziert. Schließlich muss sie zwei sehr unterschiedliche Bearbeitungsverfahren abdecken. - Bild: Hermle
Die MPA 42 basiert auf einer Herm­le C42 U und wur­de für das MPA-Ver­fah­ren stark modi­fi­ziert. Schließ­lich muss sie zwei sehr unter­schied­li­che Bear­bei­tungs­ver­fah­ren abde­cken. – Bild: Hermle

Mit den fünf Ach­sen des Bear­bei­tungs­zen­trums kön­nen die Herm­le-Exper­ten den Pul­ver­strahl nahe­zu belie­big zum Bau­teil aus­rich­ten. So haben sie eine maxi­ma­le Gestal­tungs­frei­heit. Damit kön­nen sie bei­spiels­wei­se Kühl­ka­nä­le direkt auf den gekrümm­ten Ober­flä­chen eines Roh­lings auf­bau­en. Auf die­se Wei­se kön­nen sie auch grö­ße­re Spritz­guss­for­men mit einer kon­tur­na­hen Küh­lung aus­stat­ten, ohne das gesam­te Bau­teil addi­tiv auf­zu­bau­en zu müssen.

Nur die Grö­ße des Arbeits­raums setzt Grenzen

Die Gren­zen setzt ledig­lich die Grö­ße des Arbeits­raums der Maschi­ne. Und die sind je nach Geo­me­trie für den addi­ti­ven Pro­zess bei je 600 mm in Län­ge und Brei­te. Meist indes sind die Bau­tei­le klei­ner. Die Maschi­ne eig­net sich ins­be­son­de­re auch zur Her­stel­lung zylin­dri­scher oder koni­scher Bau­tei­le. So kön­nen aufd die­se Wei­se zum Bei­spiel gekühl­te Vor­kam­mer­buch­sen erstellt wer­den. Der Mate­ri­al­auf­trag bei einem rotie­ren­den Bau­teil füllt Taschen und Kanä­le sehr effi­zi­ent. Und dann kann all das naht­los mit Werk­zeug­stahl ein­ge­schlos­sen werden.

Bei diesem Rohling sind die Taschen mit Kupfer gefüllt. Im nächsten Schritt schließt die Maschine diese mit dem  Auftragen von Stahl. Das Spannmittel, hier ein Ino-Grip-Compact-Dreibackenfutter von Lang Technik, muss auch die Temperaturen bis 300 °C und mehr aushalten und dabei maßhaltig und präzise bleiben. - Bild: Hermle
Bei die­sem Roh­ling sind die Taschen mit Kup­fer gefüllt. Im nächs­ten Schritt schließt die Maschi­ne die­se mit dem Auf­tra­gen von Stahl. Das Spann­mit­tel, hier ein Ino-Grip-Com­pact-Drei­ba­cken­fut­ter von Lang Tech­nik, muss auch die Tem­pe­ra­tu­ren bis 300 °C und mehr aus­hal­ten und dabei maß­hal­tig und prä­zi­se blei­ben. – Bild: Hermle

Mit dem MPA-Ver­fah­ren eröff­nen sich zahl­rei­che inter­es­san­te Anwen­dungs­mög­lich­kei­ten. Zudem ver­dich­ten sich vie­le Mate­ria­li­en beim Auf­tra­gen so sehr, dass der Anwen­der die Bau­teil­ober­flä­chen pro­blem­los auf Hoch­glanz polie­ren kann. Damit wird das Ver­fah­ren bei Spritz­guss­for­men selbst höchs­ten Ansprü­chen gerecht. 

MPA-Ver­fah­ren genügt höchs­ten Ansprü­chen bei Spritzgießformen 

Das MPA-Ver­fah­ren ermög­licht es außer­dem, Funk­ti­ons­ele­men­te wie Heiz­dräh­te oder Sen­so­ren zur Tem­pe­ra­tur­über­wa­chung der Kavi­tät in Stahl oder Kup­fer ein­zu­bet­ten und damit ins Werk­zeug zu inte­grie­ren. Das ist ide­al bei­spiels­wei­se für eine vario­ther­me Tem­pe­ra­tur­füh­rung. Aber etwa auch außer­halb von Spritz­guss­for­men, etwa bei einer per MPA mit inte­grier­ten Heiz­ele­men­ten aus­ge­stat­te­ten Leim­dü­se, behal­ten bei­spiels­wei­se Kleb­stof­fe über die gesam­te Düsen­brei­te die idea­le Ver­ar­bei­tungs­tem­pe­ra­tur. Ein ein­ge­bet­te­ter Sen­sor im Werk­zeug ermög­licht zudem eine ech­te Regelung.

Nach dem Materialauftrag kommt  auf der MPA 42 die Feinbearbeitung: Da Auftrag und Zerspanung in einer Aufspannung ablaufen, gibt es auch keine Abweichungen, die beim Wechsel zwischen Aufspannungen entstehen. - Bild. Hermle
Nach dem Mate­ri­al­auf­trag kommt auf der MPA 42 die Fein­be­ar­bei­tung: Da Auf­trag und Zer­spa­nung in einer Auf­span­nung ablau­fen, gibt es auch kei­ne Abwei­chun­gen, die beim Wech­sel zwi­schen Auf­span­nun­gen ent­ste­hen. – Bild. Hermle

Eine der Stär­ken der Herm­le Maschi­nen­bau GmbH (HMG) liegt im Wis­sen dar­um, wo Mate­ri­al­kom­bi­na­tio­nen Sinn erge­ben. Zudem haben die Exper­ten aber auch ver­tief­tes Know-how dar­in, wie Kühl­ka­nä­le und Funk­ti­ons­ele­men­te am bes­ten ange­legt wer­den. Die Mög­lich­keit, Form­werk­zeu­ge ein­tei­lig zu bau­en, ist eine Stär­ke der HMG. Damit ver­kau­fen die Otto­brun­ner Exper­ten kei­ne Maschi­nen, son­dern Know-how. 

Werk­zeug und Spritz­gieß­teil verbessern

Das Team berät dar­über hin­aus Kon­struk­teu­re von Spritz­guss­werk­zeu­gen. Die Exper­ten grei­fen 3D-Model­le auf und opti­mie­ren mit dem Ein­brin­gen von Kühl­ka­nä­len, Funk­ti­ons­ele­men­ten oder mit einer Mul­ti­ma­te­ri­al-Kom­bi­na­ti­on letzt­lich auch die spä­ter mit die­ser Form pro­du­zier­ten Spritz­guss­tei­le. Die opti­mier­ten For­men redu­zie­ren also die Takt­zei­ten und sor­gen zudem für höhe­re Bau­teil­qua­li­tä­ten, die mit ande­ren Tech­no­lo­gien sonst nur schwer zu errei­chen sind. 

Nach dem Ausfräsen der Taschen trägt die MPA 42 Kupferpulver auf. Danach wird das überflüssige Material wieder abgetragen. Ein stetiger Wechsel von Abtragen, Auftragen und wieder Abtragen. - Bild: Hermle
Nach dem Aus­frä­sen der Taschen trägt die MPA 42 Kup­fer­pul­ver auf. Danach wird das über­flüs­si­ge Mate­ri­al wie­der abge­tra­gen. Ein ste­ti­ger Wech­sel von Abtra­gen, Auf­tra­gen und wie­der Abtra­gen. – Bild: Hermle

Den Anwen­dungs­tech­ni­kern steht eine eige­ne CAM-Soft­ware zur Ver­fü­gung, mit denen sie den Code für die Maschi­nen­steue­rung gene­rie­ren. Hier bestim­men sie nicht nur wie sonst bei einem Bear­bei­tungs­zen­trum die Bahn­be­we­gun­gen. Sie müs­sen auch die Pul­ver­men­gen, die fest­ge­leg­ten Tem­pe­ra­tu­ren und den Wech­sel zwi­schen Mate­ri­al­auf­bau und Frä­sen berück­sich­ti­gen. Bis­lang bil­det kein CAD/­CAM-Her­stel­ler die­sen beson­de­ren alter­nie­ren­den Pro­zess aus frä­sen, auf­tra­gen, frä­sen ab. Des­halb haben die Herm­le-Spe­zia­lis­ten die Soft­ware selbst erstellt. So kön­nen sie zudem jeder­zeit auch auf beson­de­re Anwen­der­wün­sche reagieren.

Meist sind es kei­ne rein addi­tiv erstell­ten Teile

Zu 95 Pro­zent baue die Spe­zia­lis­ten auf einem Halb­zeug auf, das der Anwen­der selbst auf sei­ner Fräs­ma­schi­ne vor­be­rei­ten kann. So kann er sein Bau­teil schon mit gefräs­ten Kühl­ka­nä­len oder Taschen für den Kup­fer­auf­trag nach Otto­brunn sen­den. Hier prüft das HMG-Team den Roh­ling auf sei­ne Maß­hal­tig­keit und zudem auch dar­auf, ob alle Kon­struk­ti­ons­vor­ga­ben ein­ge­hal­ten wur­den. So dür­fen etwa kei­ne Fasen an den Taschen sein, da der Pul­ver­auf­trag schar­fe Kan­ten erfordert.

Damit die Hermle-Experten die Kapazitäten der MPA 42 optimal nutzen können, erwärmen sie die Halbzeuge vor Fertigungsbeginn in einer Heizstation auf Prozesstemperatur. Das sind rund 300 °C. - Bild: Hermle
Damit die Herm­le-Exper­ten die Kapa­zi­tä­ten der MPA 42 opti­mal nut­zen kön­nen, erwär­men sie die Halb­zeu­ge vor Fer­ti­gungs­be­ginn in einer Heiz­sta­ti­on auf Pro­zess­tem­pe­ra­tur. Das sind rund 300 °C. – Bild: Hermle

Bevor das Bau­teil in die MPA 42 kommt, wird es in einer Heiz­sta­ti­on auf rund 300 °C auf­ge­heizt. Und sowohl das Sub­strat als auch das Metall­pul­ver erhit­zen die Exper­ten für eine bes­se­re Duk­ti­li­tät. Die Ener­gie, die zur Beschleu­ni­gung des Pul­vers nötig ist, kommt aus Was­ser­dampf. In der Düse erreicht das Pul­ver mit Hil­fe des Was­ser­dampfs Über­schall­ge­schwin­dig­keit. Auch wäh­rend der Bear­bei­tung hält die Maschi­ne die Tem­pe­ra­tur kon­stant – und zwar bis zum letz­ten Span­ab­trag. Damit ver­hin­dert der Pro­zess Tem­pe­ra­tur­gra­di­en­ten, aus denen sonst Span­nun­gen, Ris­se oder zudem Ver­zug ent­ste­hen können.

MPA 42 trägt abwech­selnd auf und über­fräst wieder

Im Fer­ti­gungs­pro­zess trägt die MPA 42 abwech­selnd Mate­ri­al auf und zer­spant wie­der. Nach dem Pul­ver­auf­trag fräst sie bei­spiels­wei­se Details wie fei­ne Rip­pen ins neue Mate­ri­al. Kühl­ka­nä­le wer­den übri­gens mit einem was­ser­lös­li­chen, metal­le­nen Mate­ri­al gefüllt. Dann trägt die MPA 42 erneut eine Stahl­schicht auf und ver­schießt die Kanä­le. Das Füll­ma­te­ri­al spü­len die herm­le-Mit­ar­bei­ter spä­ter im Was­ser­bad aus. So ent­ste­hen die gewünsch­ten Hohl­räu­me. Der Pul­ver­strahl schafft in Stahl Auf­bau­ra­ten von 200 bis 400 cm3/h erreicht, bei Kup­fer sind sogar rund 1000 cm3/h mög­lich.

Die Hermle-Mitarbeiter bringen die Funktionskomponenten der Bauteile auf der MPA 42 ins Bauteil ein. Die Fertigstellung der finalen Geometrie kann dann der Anwender im eigenen Betrieb übernehmen. - Bild: Hermle
Die Herm­le-Mit­ar­bei­ter brin­gen die Funk­ti­ons­kom­po­nen­ten der Bau­tei­le auf der MPA 42 ins Bau­teil ein. Die Fer­tig­stel­lung der fina­len Geo­me­trie kann dann der Anwen­der im eige­nen Betrieb über­neh­men. – Bild: Hermle

Die neue Maschi­ne holt die Ver­bes­se­run­gen der Herm­le C 42 U nun auch in die MPA-Tech­no­lo­gie. Die Maschi­ne ist das Herz des Dienst­leis­tungs­an­ge­bots. Den Herm­le-Spe­zia­lis­ten ist wich­tig, alle Pro­zes­se inhouse abzu­bil­den – von der Bera­tung über die Opti­mie­rung und Mach­bar­keits­prü­fung und die Werk­stoff-Unter­su­chung bis hin zum fina­len Qualitätscheck. 


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