Hybridfertigung im Maschinenbau: Fräsen und 3D-Druck effizient kombinieren

Die Hybridfertigung verbindet das Beste aus zwei Welten: die Designfreiheit des 3D-Drucks mit der hohen Präzision spanender Verfahren wie Fräsen oder Drehen. Gerade im Maschinenbau, wo höchste Anforderungen an Passgenauigkeit, Belastbarkeit und Funktionalität gestellt werden, eröffnet die Kombination beider Technologien neue Wege der Bauteilfertigung.

Dieser Artikel beleuchtet die Potenziale, Anwendungsfelder und Herausforderungen der Hybridfertigung – und erklärt, wie der gezielte Einsatz additiver und subtraktiver Verfahren die Effizienz und Innovationskraft im Maschinenbau entscheidend steigern kann.

Was ist Hybridfertigung?

Unter Hybridfertigung versteht man die Kombination additiver (z. B. Laserschmelzen, DED) und subtraktiver Fertigungsmethoden (z. B. Fräsen, Bohren, Schleifen) in einem durchgängigen Produktionsprozess. Dabei können beide Verfahren in einem einzigen System integriert sein oder in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten eingesetzt werden.

Ziele der Hybridfertigung:

• Herstellung komplexer Geometrien mit hohen Toleranzanforderungen

• Funktionsintegration bei gleichzeitig hoher Maßgenauigkeit

• Optimierung von Produktionskosten und -zeiten

• Materialeinsparung durch gezielten Auftrag nur dort, wo nötig

• Individualisierung standardisierter Grundbauteile

Varianten der Hybridfertigung

Es gibt mehrere Ansätze, wie Hybridfertigung in der Praxis umgesetzt wird:

1. Additiv-subtraktive Bearbeitungszentren

Maschinen, die sowohl metallischen 3D-Druck (z. B. Laserauftragsschweißen oder DED) als auch Fräsoperationen in einer Arbeitskammer vereinen. Vorteil: keine Umspannung, hohe Präzision und Prozesskontrolle.

2. Kombination auf Prozessketten-Ebene

Hier erfolgt zunächst der 3D-Druck (z. B. ein Grundkörper mit komplexer Innenstruktur), anschließend die präzise Bearbeitung in einer CNC-Maschine – häufig zur Erzeugung von Passflächen oder Gewinden.

3. Add-on-Fertigung

Ein bestehendes Werkstück (z. B. ein Gussteil oder eine Welle) wird durch additive Verfahren gezielt erweitert oder repariert. Dies wird z. B. für Turbinen- oder Werkzeugreparaturen genutzt.

Vorteile der Kombination von Fräsen und Drucken

Die Verbindung beider Verfahren schafft in der Praxis zahlreiche Vorteile:

• Fertigung hochkomplexer Bauteile mit funktionalen Oberflächen

• Toleranzgenauigkeit durch Finishbearbeitung im Mikrometerbereich

• Reduktion von Materialabfall durch präzisen Materialauftrag

• Wirtschaftlichkeit bei Kleinserien oder Einzelanfertigungen

• Ermöglichung bionischer Strukturen mit konventionell gefertigten Anschlusspunkten

• Reparatur und Nachrüstung von teuren Komponenten mit neuer Funktionalität

Ein gutes Beispiel: Ein Hydraulikblock wird additiv mit innenliegenden Kanälen aufgebaut, anschließend gefräst für präzise Gewindebohrungen – das spart Gewicht, reduziert Druckverluste und steigert die Funktionalität.

Einsatzgebiete im Maschinenbau

Die Hybridfertigung ist besonders geeignet für Bauteile mit hohen Anforderungen an Geometrie und Präzision. Typische Anwendungen:

• Werkzeug- und Formenbau: Komplexe Formeinsätze mit konturnaher Kühlung werden gedruckt, Dichtflächen anschließend präzise gefräst.

• Reparatur von Komponenten: Abgenutzte Flächen oder Risse werden additiv neu aufgebaut, danach spanend bearbeitet.

• Funktionsintegration in Serienbauteilen: Zusatzfunktionen wie Sensorhalter, Rippen oder Leitstrukturen können auf Standardteile gedruckt und nachbearbeitet werden.

• Individualisierte Bauteile: Standardgrundkörper werden durch additive Features personalisiert – z. B. kundenspezifische Anschlüsse.

Diese Anwendungen stehen im Kontext eines allgemeinen Trends zur funktionalen Integration und Individualisierung mechanischer Systeme, wie er im Beitrag über die neue Rolle des 3D-Drucks im Maschinenbau ausführlich beschrieben wird.

Technische Voraussetzungen

Damit Hybridfertigung wirtschaftlich und prozesssicher gelingt, sind einige Voraussetzungen zu erfüllen:

• CAD/CAM-Systeme müssen beide Verfahren abbilden können. Moderne CAM-Software erlaubt es, additive und subtraktive Schritte in einem Prozessplan zu definieren.

• Maschinensteuerung: In integrierten Hybridmaschinen muss die Steuerung zwischen Laser und Frässpindel synchronisiert arbeiten.

• Nullpunktspannsysteme: Bei Maschinen mit getrennten Prozessen (z. B. Drucken + Fräsen) sind präzise Spannsysteme für die Repositionierung entscheidend.

• Prozessüberwachung: Sensoren zur Temperatur- und Schichtkontrolle helfen, Fehler im Druckprozess frühzeitig zu erkennen und zu korrigieren.

Herausforderungen in der Praxis

Trotz der vielen Vorteile bringt Hybridfertigung auch spezifische Herausforderungen mit sich:

• Hohe Investitionskosten für kombinierte Maschinen oder neue Fertigungszellen

• Schulung von Fachpersonal, das sowohl additive als auch zerspanende Prozesse beherrschen muss

• Aufwändige Prozessvalidierung, insbesondere bei sicherheitskritischen Bauteilen

• Materialverhalten: Unterschiedliche thermische Belastungen durch Laserauftrag können zu Eigenspannungen oder Verzugsproblemen führen

• Dokumentationspflicht: Für zertifizierte Bauteile muss der gesamte Prozess rückverfolgbar sein

Zukunftsperspektiven

Hybridfertigung steht erst am Anfang ihrer industriellen Nutzung. Doch mit zunehmender Softwareintegration, besseren Werkstoffen und günstigeren Maschinensystemen wird sie sich zunehmend im Maschinenbau etablieren. Besonders für die Serienproduktion hoch individualisierter Produkte in kleinen Losgrößen bietet die Technologie entscheidende Wettbewerbsvorteile.

Auch neue Ansätze wie KI-gestützte Prozessplanung oder generatives Design spielen eine wichtige Rolle: Künstliche Intelligenz kann helfen, automatisch Vorschläge zu machen, welche Bauteilbereiche additiv gefertigt werden sollten – und welche konventionell.

Fazit

Die Kombination von Fräsen und 3D-Druck in der Hybridfertigung bringt einen entscheidenden Technologiesprung für den Maschinenbau. Statt sich zwischen additiven oder subtraktiven Verfahren entscheiden zu müssen, können Konstrukteure und Fertiger die Stärken beider Welten gezielt kombinieren.

Ob bei der Herstellung hochfunktionaler Bauteile, bei der Reparatur teurer Komponenten oder bei der Individualisierung von Kleinserien – Hybridfertigung macht viele Prozesse effizienter, flexibler und wirtschaftlicher. Wer heute bereits in diese Technologie investiert, sichert sich entscheidende Innovationsvorteile auf dem Weg zur digitalen Fabrik von morgen.