gesponsertNeue Lösungen für E-Antriebe und Werkzeugbau Schaeffler treibt Multimaterial-3D-Druck für die Industrie voran

Schaeffler Special Machinery treibt die additive Fertigung von Multimaterial-Bauteilen voran. Ein patentierter Pulverauftragsprozess kombiniert bis zu drei Metallpulver und senkt Taktzeiten um bis zu 40 Prozent.

Die additive Fertigung ist ein Verfahren, bei dem Bauteile nicht aus einem Rohling herausgearbeitet, sondern auf Basis digitaler Daten Schicht für Schicht aufgebaut werden. In vielen Anwendungsbereichen hat sie sich bereits als flexible Alternative zur konventionellen Werkstückherstellung etabliert und gilt als wichtiger Baustein für die Industrie von morgen. Die additive Fertigung mit verschiedenen Materialien bietet weitere Vorteile und Freiheitsgrade. „Additiv gefertigte Werkzeugformen aus unterschiedlichen Werkstoffen verbessern die Wärmeableitung, reduzieren Bauteilspannungen und verkürzen die Taktzeiten deutlich, da sich Materialeigenschaften gezielt dort platzieren lassen, wo sie im Prozess benötigt werden. Darüber hinaus ermöglichen Multimaterial-Bauteile innovative Leichtbaukonzepte, eine optimierte Funktionsintegration und maßgeschneiderte Bauteileigenschaften“, sagt Florian Dörrfuß, Vice President Technology von Schaeffler Special Machinery.

Breites Einsatzspektrum

Die Vorteile des Multimaterial-Ansatzes lassen sich beispielhaft an einem Kunststoff-Gehäusedeckel darstellen. Hierfür wird ein Spritzguss-Werkzeug als Verbundkonstruktion mit einer Außenschale aus Werkzeugstahl und einem Kupferkern entwickelt. Geometrie und Materialverteilung sind so optimiert, dass hohe Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und eine gezielt abgestimmte Wärmeleitfähigkeit gewährleistet sind. Dadurch kühlt das Bauteil schnell und gleichmäßig ab – selbst an exponierten Konturen und lokalen Hotspots. Das Ergebnis ist eine um bis zu 40 % reduzierte Taktzeit, geringere Eigenspannungen und dadurch eine höhere Genauigkeit des Gehäusedeckels.

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Mit dem Prinzip „Das richtige Material am richtigen Ort“ sieht Schaeffler in der Automobilindustrie ein breites Anwendungsspektrum für die Multimaterial-Additive-Fertigung. Dazu zählt etwa die werkzeugfreie Herstellung komplexer E-Antriebskomponenten wie Statoren, in die sich Elektronikkomponenten, leitfähige Materialien und Isolatoren nahtlos integrieren lassen. Weitere Einsatzfelder umfassen Bauteil-Kleinserien für Sonderfahrzeuge, den Rennsport, die Ersatzteilversorgung älterer Fahrzeuge sowie hochwertige Komponenten für exklusive Fahrzeuge. Auch das Aufbringen von Keramikwerkstoffen als Bremsbelag auf Bremsbackenträger ist mit der Schaeffler-Technologie denkbar.

Thermomanagement und Werkzeugbau

Ein weiteres Anwendungsfeld sind Wärmetauscher für Thermomanagementsysteme, die als gedruckte Multimaterial-Bauteile mit einer organischen Struktur und großen Kontaktoberflächen eine effiziente Wärmeübertragung bei minimalem Gewicht und geringen Kosten ermöglichen. Diese Perspektive ist nicht nur für die Automobilindustrie interessant, sondern auch für Zukunftsfelder wie New Space.

Hinzu kommen klassische Anwendungen im Werkzeugbau, bei denen die Kombination hochfester Stähle mit wärmeleitfähigen Materialien beispielsweise Spritzgusseinsätze noch langlebiger macht und kürzere Zykluszeiten ermöglicht. Zudem lassen sich endkonturnahe Halbzeuge bei gleichzeitig sehr geringem Materialabfall schnell bereitstellen. „Die additive Fertigung von Multimaterialien aus Metall wird insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, im Werkzeugbau und bei medizintechnischen Anwendungen neue Potenziale erschließen“, blickt Florian Dörrfuß in die Zukunft.

Patentierte Technologie

Herzstück der Multimaterial-Additiven-Fertigung ist ein patentierter Pulverauftragsprozess. Die von Schaeffler Special Machinery eingesetzte Recoater-Ablagetechnik ermöglicht für bis zu drei verschiedene Metallpulver einen gleichmäßigen und reproduzierbaren Pulverauftrag. Eine stabile Pulverschicht ist dabei entscheidend für hohe Bauteilqualität, Prozesssicherheit und gleichbleibende Ergebnisse über mehrere Schichten hinweg.

Die patentierte Recoater-Ablagetechnik setzt Schaeffler Special Machinery in zwei Maschinenfamilien ein. Im Multimaterial Printer OmniFusion 3D werden bis zu drei verschiedene Materialpulver, Metalle oder Keramiken, pixelweise auf der Bauplattform angeordnet und Schicht für Schicht aufgetragen. Im anschließenden Scanvorgang erzeugen dann bis zu vier verschiedene Laserquellen ein bis zu 250 x 250 x 250 mm großes Bauteil. Das selektive Laserstrahlschmelzen (LPBF, Laser Powder Bed Fusion) findet dabei in einer abgedichteten Prozesskammer unter Argon-Inertgas statt.

Die Füllplattform OmniForm 3D ermöglicht das präzise Ablegen von Pulvern in einer Form mit einem Innendurchmesser von bis zu 100 mm. Auf Basis eines digitalen Entwurfs wird die Pulverplatzierung definiert und nach der Übertragung in die Maschinensteuerung automatisch Schicht für Schicht umgesetzt. Anschließend wird die Pulverkomposition mit konventionellen oder druckunterstützten Methoden gesintert.

Der Printservice Omni 4U richtet sich an Kunden, die erste Erfahrungen mit dem Multimaterial 3D-Druck sammeln möchten. Dazu übernimmt Schaeffler Special Machinery auf Kundenwunsch Entwicklungsleistungen – etwa die Unterstützung bei der Gestaltung der 3D-Modelle für das gewünschte Produkt und realisiert das Recoating samt Bauteilerstellung in der passenden Technologie – LPBF oder Füllplattform. Ergänzende Services rund um Messen und Kalibrieren runden das Angebot ab. So können Kunden die Leistungsfähigkeit der Multimaterial-Additive-Fertigung bei ersten Bauteilen kennenlernen und für ihre Anforderungen validieren.

Kollaboration als Schlüssel

Schaeffler Special Machinery erprobt die Multimaterial-Additive-Fertigung seit rund einem Jahr im Feld und in ersten konkreten Kundenprojekten – gemeinsam mit industriellen Partnern, Forschungseinrichtungen und Hochschulen. Im Rahmen dieser Kooperationen wurden auch die intuitive Bedienung und Wartung weiter verbessert und Services wie AM-Systeme, Software, Druckmaterialien, Design-to-Print und Teileinspektion erprobt. Zudem arbeitet man an der nahtlosen Integration der Recoating-, LPBF- und Sinterprozesse in industrielle Abläufe – von der Konstruktion der 3D-Geometrie bis zum einsatzbereiten Bauteil. Ziel ist eine umfassende Additive-Manufacturing-Solution mit optimierten Schnittstellen, kurzen Vorlauf- und Taktzeiten, flexiblen Gestaltungsmöglichkeiten, höchster Präzision und nachhaltigen Material- und Recyclingstrategien.

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