Hybrid Manufacturing: Combining DED and 5-Axis CNC in a Single Machine
Engineering guide to hybrid manufacturing: Directed Energy Deposition and 5-axis CNC machining in a single setup. Process chains and tolerances.
Additive manufacturing excels at geometric complexity but inherently lacks micron tolerances and mirror finishes. CNC milling delivers IT6/IT7 precision but suffers from high tooling wear and severe limitations with internal cavities in expensive superalloys. Hybrid manufacturing merges Laser DED and 5-axis subtractive milling in one machine setup.
- Vereint additive Gestaltungsfreiheit mit subtraktiver IT6/IT7-Präzision in einer einzigen Maschinenaufspannung.
- Ermöglicht das Fräsen von internen Kanälen und Kavitäten, während das Bauteil Schicht für Schicht wächst.
- Reduziert Buy-to-Fly-Raten bei schwer zerspanbaren Superlegierungen (Inconel, Titan) von 15:1 auf unter 1.5:1.
Technical Specifications & Comparison Matrix
ISO/ASTM 52900| Kriterium | Konventionelle getrennte Kette (AM + CNC) | Hybride Fertigungszelle (DED in CNC) |
|---|---|---|
| Aufspannung | Zwei oder mehr separate Spannmittel & Messungen | 1 einzige Aufspannung für Aufbau & Schlichten |
| Nullpunktwiederholgenauigkeit | 0.05 - 0.2 mm (Rüstfehler möglich) | < 0.005 mm (im Maschinensystem kalibriert) |
| Zugänglichkeit für Zerspanung | Nur von außen zugänglich nach Fertigstellung | Schichtweises Fräsen innenliegender Kanäle möglich |
| Durchlaufzeit (Lead Time) | Tage bis Wochen (Lagerung, Transport, Rüsten) | Stunden (kontinuierlicher automatisierter Ablauf) |
| Zusatzfunktionen | Keine | In-Process-Messung (Taster/Laser) & Härten |
| Werkstoffvielfalt | Eingeschränkt auf Systemtyp | Draht-LMD, Pulver-LMD oder Multi-Material |
| Investitionsaufwand | Zwei separate Maschinenparks | Höhere Einzelmaschineninvestition, geringere Stellfläche |
The Alternating Additive-Subtractive Cycle
In einer hybriden Maschine (wie z.B. Bearbeitungszentren mit integriertem Laser-Auftragskopf wie Meltio Engine, DMG MORI Lasertec oder Mazak Integrex) wechseln sich additiver Materialauftrag und spanende Nachbearbeitung ab. Ein entscheidender Vorteil: Bereiche, die nach Fertigstellung des Gesamtkörpers verdeckt oder hinterschnitten wären (z.B. spiralförmige Kühlkanäle in Turbinenrotoren oder komplexe Strömungskanäle), können gefräst werden, solange sie geometrisch noch offen liegen. Anschließend verschließt der Laserkopf den Kanal mit neuem Material.
Elimination of Setup Errors and Datum Loss
Beim konventionellen Transfer von einer reinen AM-Anlage in ein CNC-Zentrum vergeht wertvolle Zeit für das optische Einmessen des unregelmäßig gewachsenen Rohlings. Toleranzfehler von mehreren Zehntelmillimetern sind typisch. In der Hybridmaschine bleibt das Bauteil auf dem Rundtisch aufgespannt. Der integrierte Renishaw-Messtaster erfasst die additiv aufgetragene Geometrie direkt im Arbeitsraum und kompensiert Maßabweichungen vor dem Schlichtfräsen in Echtzeit.
Economics of Repair and Feature Addition
Besonders hoch ist der ROI beim Hinzufügen von Features auf Standardprofilen: Statt einen Flansch oder Kragen aus einem 200-kg-Schmiedeblock auf 15 kg herunterzufräsen, startet der Prozess mit einem günstigen 12-kg-Standardrohr. Der DED-Laserkopf baut den Flansch lokal auf, und die 5-Achs-Spindel überfräst Dichtsitze und Gewindebohrungen in Minuten. Die Materialausnutzung steigt von 10 % auf über 90 %.
Software and Toolpath Integration: CAD/CAM Chains
Die größte Hürde moderner Hybridfertigung liegt in der Softwarekette. Spezialisierte CAM-Pakete (z.B. Siemens NX Hybrid, Mastercam oder Open Mind hyperMILL) müssen die thermische Vorgeschichte berücksichtigen, Kollisionsbetrachtungen zwischen Schweißkopf und Spindel durchführen und dynamische Werkzeugwege generieren, um Wärmestaus in dünnen Wänden zu vermeiden.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Können bestehende CNC-Fräsmaschinen mit DED nachgerüstet werden?
Wie wird das Kühlschmiermittel in der Hybridmaschine gehandhabt?
Welche Oberflächengüten werden erreicht?
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