1 Forschungsmethode

1.1 Design-Framework

Der Arbeitsablauf wurde so strukturiert, dass der Beitrag jeder Fertigungsstufe isoliert wird — additives Formen, CNC-Bearbeitung und Endbearbeitung. Eine zylindrische Testkomponente mit abgestuften Schultern und internen Kanälen wurde ausgewählt, um die Empfindlichkeit gegenüber geometrischen Abweichungen sicherzustellen. Alle Fertigungsparameter wurden über wiederholte Versuche konstant gehalten, um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

1.2 Datenquellen

Dimensions- und Oberflächendaten wurden von 30 Mustern erhalten, die unter identischen Prozesseinstellungen hergestellt wurden. Messungen wurden mit einem Koordinatenmessgerät (KMG), einem Laser-Konfokalmikroskop und prozessintegrierten Sensoren durchgeführt, die Temperatur und Spindellast protokollierten. Die Auswahl dieser Geräte basierte auf ihrer einfachen Kalibrierbarkeit und der Fähigkeit, die Messgenauigkeit über mehrere Sitzungen hinweg zu reproduzieren.

1.3 Geräte und Modelle

• 3D-Drucker:SLM-System, 200 W Faserlaser, 30 µm Schichtdicke
• CNC-Maschine:5-Achsen-Bearbeitungszentrum mit automatischer Werkzeugkompensation
• Endbearbeitungswerkzeuge:CBN-Fräskopf, Diamant-Schleifmittel
• Datenmodell:Regressionsmodelle zur Abweichungsvorhersage, validiert durch wiederholte Messungen ANOVA
• Alle in den Bearbeitungs- und Endbearbeitungsschritten verwendeten Parameter sind in Anhang A aufgeführt, um eine vollständige experimentelle Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

2 Ergebnisse und Analyse

2.1 Dimensionsgenauigkeit

Tabelle 1 zeigt die durchschnittliche Dimensionsabweichung über die drei Bedingungen hinweg.
Hybride Muster behielten eine Abweichung unter ±0,015 mm, verglichen mit ±0,042 mm für additive Teile. Diese Verbesserung stimmt mit Studien überein, die berichten, dass die Materialumverteilung während der Nachbearbeitung die schichtweise Wärmeakkumulationseffekte kompensiert [1].

2.2 Oberflächenrauheit

Die hybride Endbearbeitung reduzierte Ra von durchschnittlich 12,4 µm auf 1,8 µm, wie in Abbildung 1 zusammengefasst. Der Endbearbeitungsschritt eliminierte teilweise verschmolzene Partikel und reduzierte Treppenartefakte.

2.3 Prozesseffizienz

Die Zykluszeitanalyse zeigt eine Reduzierung der Gesamtbearbeitungszeit um 23 % im Vergleich zur konventionellen subtraktiven Bearbeitung allein. Werkzeuglastprotokolle zeigten eine Verringerung des Spindeldrehmoments um 9–12 % aufgrund des geringeren Bearbeitungsaufmaßes, das nach dem additiven Vorformen verblieb.

2.4 Vergleichende Interpretation

Der Abgleich mit früheren Forschungen [2,3] zeigt, dass die Dimensionsverbesserung den Erwartungen für die Hybridfertigung entspricht. Die Größenordnung der Verbesserung der Oberflächenqualität ist jedoch höher als zuvor berichtet, was wahrscheinlich auf eine verfeinerte Temperaturkontrolle in der additiven Stufe zurückzuführen ist.

3 Diskussion

3.1 Interpretation der Ergebnisse

Die Ergebnisse zeigen, dass hybride Arbeitsabläufe die für Metallpulverfusion typische thermische Instabilität kompensieren. Das in die gedruckte Geometrie konstruierte Bearbeitungsaufmaß entfernt effektiv wärmeinduzierte Verformungszonen. Geringere Werkzeuglast deutet auf eine reduzierte mechanische Belastung der Schneidkanten hin, was zur Stabilität der Zykluszeit beiträgt.

3.2 Einschränkungen

Die Studie konzentrierte sich auf eine einzelne Geometrie und Metalllegierung. Die Ergebnisse können bei komplexeren internen Strukturen oder Materialien mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten variieren. Darüber hinaus wurde nur ein Endbearbeitungswerkzeugtyp evaluiert.

3.3 Praktische Implikationen

Branchen, die schnelle Iterationen erfordern — wie Robotik, Luft- und Raumfahrtkomponenten und kundenspezifische medizinische Geräte — können von der Hybridfertigung profitieren, um Präzision ohne vollständige subtraktive Arbeitsabläufe zu erreichen. Die Reduzierung der Bearbeitungszeit ist besonders relevant für kundenspezifische Kleinserienaufträge.

4 Schlussfolgerung

Der integrierte Ansatz, der 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Oberflächenbearbeitung kombiniert, verbessert die Dimensionsgenauigkeit und Oberflächenkonsistenz und reduziert gleichzeitig die Zykluszeit. Der Arbeitsablauf adressiert geometrische Verzerrungen, die durch additive Fertigung verursacht werden, und unterstützt engere Toleranzanforderungen. Zukünftige Arbeiten könnten Mehr-Material-Komponenten, adaptive Endbearbeitungswerkzeugwege und modellgestützte Prozessoptimierung untersuchen.