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Open Mind: Nachbearbeitung 3D-gedruckter Bauteile

Additive Fertigung von Implantaten
CAM-Software: Nachbearbeitung 3D-gedruckter Bauteile

Der 3D-Druck revolutioniert die Herstellung von Implantaten, bringt aber auch neue Herausforderungen in den Herstellungsprozessen hervor. Dies vor allem durch die Tatsache, dass additive Fertigung immer eine subtraktive Nachbearbeitung verlangt. Manfred Guggemos, Produktmanager bei Open Mind Technologies AG, erläutert, wo CAM-Software hierbei Aufwände reduzieren kann.

Wird die subtraktive Fertigung durch die Möglichkeiten der additiven Fertigung überflüssig?

Guggemos: Auf keinen Fall. Im Gegenteil: Die subtraktive Fertigung und damit die NC-Programmerstellung werden in diesem Bereich immer wichtiger. Kaum ein 3D-gedrucktes Bauteil kommt fertig aus dem Drucker. Eine nachgelagerte Fräsbearbeitung und die damit verbundene Erstellung der NC-Programme sind ein sehr wichtiger Faktor.

So sind beim Drucken für viele komplexe Bauteile Stützstrukturen notwendig, die nachher wieder abgetragen werden müssen. Oder die Oberfläche ist zu rau und unregelmäßig, was eine Fräsbearbeitung nötig macht, um die gewünschten Oberflächengüten zu erzielen. Auch die Passgenauigkeit ist zu erwähnen. Häufig müssen additiv hergestellte Bauteile mit anderen Teilen genau zusammenpassen. Hier ist höchste Präzision gefragt und diese ist nur mit den richtigen NC-Programmen für die subtraktiven Fertigung zu erzielen.

All das gilt auch für die Herstellung von Implantaten, einem Anwendungsbereich, in dem man mit Recht große Hoffnungen in die additive Fertigung setzt. Der Patient braucht individuelle Lösungen für Implantate und Prothesen. Und das bedeutet eben, dass die CAD/CAM-Daten jeweils patientengerecht angepasst werden müssen.

Wenn die verschiedenen Implantate oder Prothesen individuell angepasst werden müssen, bedeutet das jetzt mehr Programmieraufwand?

Guggemos: Ob ein Werkstück aus einem Rohling herausgefräst oder schichtweise aufgebaut wird, immer müssen Werkzeugwege, also NC-Programme, erzeugt werden. Die CAD/CAM-Suite Hypermill von Open Mind kann dies für 5-Achs-Fräszentren genauso wie für Maschinen der additiven Fertigung. Damit der Programmieraufwand so gering wie möglich gehalten wird, muss die CAM-Lösung Funktionen für die Standardisierung und Automatisierung für die Erstellung des NC-Programms bieten.

CAM-Programmieraufgaben, zum Beispiel Bohren, Schruppen, Schlichten oder Gravieren, sind innerhalb einer Teilefamilie oft ähnlich. Knochenplattensysteme für Rekonstruktionen, etwa nach Krebsoperationen oder für die Stabilisierung und Reparatur von Frakturen unterscheiden sich oft nur wenig. Wiederkehrende, gleiche Aufgaben können in Hypermill standardisiert und automatisiert werden. Die Software erkennt im CAD-Modell-Feature bestimmte Geometrie- und Fertigungsinformationen und hält Programmiervorlagen bereit, mit denen die Programmierung schneller von der Hand geht, etwa wenn vom CT-Scan eines Knochens eine Prothese abgeleitet werden soll.

Welche zusätzlichen Prozessschritte ergeben sich aus der Notwendigkeit der Nachbearbeitung gedruckter Strukturen und wie kann man diese effizient bewältigen?

Guggemos: Nutzt man hybride Maschinen, bei denen 3D-Druck und Nachbearbeitungen direkt hintereinander erfolgen, so reicht es, mit einer CAD/CAM-Software wie Hypermill zu arbeiten, die in beiden Welten zu Hause ist. Viel häufiger wird man die beiden Prozessschritte aber auf verschiedenen Maschinen durchführen und dann geht die Kontinuität im Verhältnis von digitalem Modell und realem Werkstück verloren.

Die Folge: Das additiv erzeugte Halbzeug muss in der Fräsmaschine so aufgespannt werden, dass es deckungsgleich mit seinem Gegenstück im CAM ist, damit die Werkzeugwege korrekt berechnet werden können. Das Bauteil wird mit Messuhr, Steuerungszyklen und viel Feingefühl ausgerichtet. Man passt gewissermaßen die reale Aufspannung an die virtuelle Welt der Programmierung an.

Dieser zeitaufwendige Prozess muss oft mehrmals wiederholt werden und ist mit Unsicherheiten und Risiken behaftet. Dies umso mehr, weil ja nicht etwas aus einem großzügig dimensionierten Rohling gefräst wird, sondern aus einem Teil, das bis auf kleine Unebenheiten bereits dem gewünschten Endprodukt entspricht.

Kann man diesen Aufwand vermeiden?

Guggemos: Ja, wir bieten mit der Funktion Hypermill Best Fit eine innovative Antwort auf diese Herausforderungen und erreichen damit ein bisher nicht gekanntes Maß an Prozesssicherheit. Best Fit richtet das Bauteil automatisch aus. Mit einer 3D-Messung wird das unausgerichtete Rohteil auf der Maschine abgetastet und das Messprotokoll an das CAM-System gesendet. Die Software passt den NC-Code an die reale Bauteilposition an. Die virtuelle Welt der Programmierung wird hier jetzt an die reale Welt der Aufspannung angepasst. Der korrigierte NC-Code wird dann in der virtuellen Maschine auf der tatsächlichen Aufspannsituation simuliert und automatisch optimiert.

Die Vorteile sind also Zeitersparnis und Prozesssicherheit?

Guggemos: Richtig, bisherige Lösungsansätze auf dem Markt versuchten das Problem mit der Änderung des Nullpunkts an der Steuerung zu lösen. Ein nicht unbedenklicher Eingriff. Best Fit ändert hier nichts, sondern passt das CAM-Modell an die Position des Bauteils und auch an die Situation im Bearbeitungsraum an und erzeugt hundertprozentig kollisionsgeprüfte Werkzeugwege. Ich halte diese Funktion im Zusammenhang mit der additiven Fertigung patientenindividueller Implantate und Prothesen für äußert wichtig, denn hier geht es ja um Einzelanfertigungen. Der Aufwand und die Kosten sind hoch – das CAD/CAM-System trägt deshalb entscheidend dazu bei, den Prozess so effizient wie möglich und fehlerfrei zu gestalten.

Open Mind Technologies AG
www.openmind-tech.com

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