Spanflugs Beitrag zur Kreislaufwirtschaft
Als Partner im Forschungsprojekt CICAM hat Spanflug an einem Berechnungsmodell für die hybride Fertigung mitgewirkt und eine zuverlässige Kostenkalkulation für Bauteile, die mit WAAM aufgebaut und per Zerspanung fertigbearbeitet werden, geliefert.
Wie präzise Kalkulation in der hybriden Fertigung die Kreislaufwirtschaft unterstützt
Diesen Sommer ist das Forschungsprojekt CICAM (Computational Intelligence for Computer-aided Manufacturing) nach mehr als dreieinhalb Jahren intensiver Zusammenarbeit erfolgreich abgeschlossen worden. Ziel war es, eine anspruchsvolle, aber nachhaltigere Form der Bauteilfertigung kalkulierbar zu machen: die hybride Fertigung, bei der ein Bauteil zunächst additiv aufgebaut (insbesondere über draht- und lichtbogenbasierte Additive Fertigung, WAAM) und anschließend per CNC-Zerspanung auf die geforderte Oberflächengüte bearbeitet wird.
Bild: CICAM-Projekt, iwb / Technische Universität München (TUM)
Innerhalb des Konsortiums hat Spanflug die Beantwortung einer entscheidenden Frage übernommen: Was würde ein solches Bauteil kosten? Bei der Analyse von Bauteilen auf Basis ihres 3D-Modells und der Berechnung von Fertigungskosten, -zeiten und -aufwand kann Spanflug seine technologische Expertise ausspielen. Dies hat Spanflugs Rolle im Projekt bestimmt. Gemeinsam mit den Partnern wurde ein Software-Framework entwickelt, in dem ein KI-gestützter virtueller Agent mithilfe vorhandener Prozesssimulationen die bestmögliche Fertigungsstrategie identifiziert und die optimalen Prozessparameter auswählt.
Der Nutzen für die Industrie: Erst wenn die Kosten eines hybriden Bauteils im Voraus bekannt sind, können Hersteller beurteilen, ob dieser Ansatz tatsächlich der wirtschaftlichste ist. Darauf basierend können Sie das Verfahren wählen, das weniger Material verbraucht und weniger Zeit benötigt. Genau darin liegt der greifbare Vorteil der hybriden Fertigung: Bauteile, die kostengünstiger und mit deutlich weniger Materialverschnitt gefertigt werden, und damit eine insgesamt nachhaltigere Fertigung.
WAAM als Basis der hybriden Fertigung
Die meisten zerspanten Bauteile beginnen als massiver Materialblock. Bei vielen Geometrien wird ein erheblicher Teil davon beim Fräsen abgetragen. Die draht- und lichtbogenbasierte Additive Fertigung (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) verfolgt das umgekehrte Prinzip: Das Bauteil wird Schicht für Schicht aufgebaut, wobei nur das tatsächlich benötigte Material endkonturnah aufgetragen wird.
Forschung wie Industrie verfolgen das Verfahren mit großem Interesse, dank einiger zentraler Vorteile:
- Geringerer Materialeinsatz: Es wird weniger Rohmaterial benötigt, was Kosten spart, besonders bei teuren oder schwer verfügbaren Werkstoffen wie seltenen Metallen oder Metallen mit angespannten Lieferketten.
- Flexibilität: Das Verfahren eignet sich für die Herstellung neuer Teile, aber auch für die Reparatur oder Modifikation bestehender Komponenten.
Diese Stärken machen WAAM für viele Branchen wertvoll, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Energietechnik und zur allgemeinen Fertigung. Typische Anwendungsfälle sind:
- große Strukturbauteile, etwa Turbinenkomponenten,
- Reparatur oder Modifikation bestehender Bauteile,
- Prototypen und Kleinserien,
- sowie spezialisierte oder schwer beschaffbare Teile.
Warum sich die Kosten nur schwer berechnen lassen
WAAM-Bauteile weisen in der Regel eine geringe Oberflächengüte auf. Um die geforderte Qualität des fertigen Bauteils zu erreichen, ist ein spanender Bearbeitungsschritt erforderlich, in der Regel Fräsen. Die Kombination beider Prozesse, erhöht die Komplexität – sowohl bei der Kalkulation als auch in der Fertigung selbst. Da der additive Aufbau und die anschließende spanende Nachbearbeitung voneinander abhängen, wird die CAM-Planung des gesamten Wegs zum fertigen Bauteil erheblich schwieriger. Zudem müssen geeignete Fertigungsparameter-Sätze gefunden werden, die zugleich eine effiziente Fertigung der Zielgeometrie und die Einhaltung der geforderten Qualitätsvorgaben sicherstellen.
Bild: Impeller im Spanflug 3D Viewer: die endkonturnahe WAAM-Geometrie (außen, blau) und die durch Fräsen erreichte Zielgeometrie. Quelle: Spanflug
Ohne eine zuverlässige Kostenvorhersage für eine bestimmte Prozesskombination lässt sich weder der effizienteste Ansatz bestimmen noch die Wirtschaftlichkeit des hybriden Wegs beurteilen. Ein zentrales Ziel von CICAM war es daher, die Grundlage für ein solches Modell zur Kostenprädiktion in der hybriden Fertigung zu schaffen. Spanflug hat für diese Aufgabe die Verantwortung übernommen.
Abbildung: Die hybride Prozesskette im Überblick: Ein Bauteil wird zunächst mit WAAM aufgebaut und anschließend auf seine finale Qualität bearbeitet. Quelle: CICAM-Projektbeschreibung, iwb / Technische Universität München (TUM)
Zuverlässige Kalkulation für das hybride Bauteil
Spanflug verfügt über langjährige Erfahrung darin, Fertigungszeiten und -kosten für Metallbauteile auf Basis von 3D-Modellen zu ermitteln. Im Rahmen von CICAM hat das Technologieunternehmen untersucht, wie sich die für die konventionelle CNC-Zerspanung entwickelte Expertise auf die additive sowie die hybride Fertigung übertragen lässt und was nötig ist, um die Algorithmen auf diese neuen Prozessketten anwendbar zu machen.
Spanflug betrachtete dabei den gesamten Weg eines hybriden Bauteils: von den Kosten des additiven Aufbaus mittels WAAM bis zu den Kosten der Zerspanung des endkonturnahen Halbzeugs. Das Ergebnis ist ein Vorhersagemodell, das einem Prozess aus additiver Fertigung und Zerspanung zuverlässige Kosten zuordnen kann und dabei die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Prozessschritten berücksichtigt. Es liefert die Grundlage, auf der sich der Wert eines hybriden Ansatzes für ein konkretes Bauteil beurteilen lässt.
Ein Bauteil zu analysieren und seine Kosten zu berechnen, ist genau das, wofür Spanflugs Algorithmen gemacht sind, und hybride Bauteile sind ein neuer und anspruchsvoller Fall ebendieser Aufgabe. CICAM bestätigt damit die bereits heute in Spanflug verfügbaren Möglichkeiten, endkonturnahe Formen bei der Kostenkalkulation zu berücksichtigen. Darüber hinaus hat das Projekt gezeigt, welche Funktionalitäten für solche hybriden Fälle künftig erforderlich sein werden.
Ein Gemeinschaftsprojekt
Das Forschungsprojekt CICAM führte Kompetenzen der Projektpartner zusammen. Die Leitung lag beim Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München (TUM). OPEN MIND Technologies, Hersteller der innovativen CAD/CAM-Lösung hyperMILL, lieferte die Prozesssimulationen sowohl für den WAAM-Aufbau als auch für die Prozesskräfte bei der Zerspanung. Spanflug steuerte die Bauteilanalyse und Kalkulation bei, die einen geplanten Prozess in eine belastbare Grundlage für eine unternehmerische Entscheidung überführt.
Gemeinsam machen diese Beiträge zum Forschungsprojekt die hybride Fertigung zu einer echten unternehmerischen Entscheidung, nicht nur zu einer theoretisch-technischen Option. Kosten, Zeit, Materialeinsatz und Qualität lassen sich nun beurteilen, bevor ein einziges Bauteil gefertigt wird. Präzise Kalkulation ist damit keine akademische Übung, sondern die Grundlage für eine effiziente und ressourcenschonende Fertigung.
CICAM lief von Anfang 2023 bis Juni 2026 und wurde durch das Bayerische Verbundforschungsprogramm (BayVFP) des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie betreut durch die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH gefördert.
Während des gesamten Projekts trafen sich die Partner regelmäßig zu gemeinsamen Arbeitssitzungen, hier Teammitglieder bei einem Treffen bei OPEN MIND und im Spanflug-Büro in München. Bildquellen: OPEN MIND und Spanflug