17. Für welche Bauteil-Geometrien ist SLM wirtschaftlich sinnvoller als Fräsen, Gießen oder Schweißen?

Wirtschaftlich relevant wird SLM immer dann, wenn die Bauteilgeometrie mit spanender Bearbeitung, Gießen oder Schweißen nur mit hohem Aufwand, vielen Einzelteilen oder deutlichen Performance-Einbußen erreichbar ist. Die reinen Fertigungskosten pro Formeinsatz liegen bei SLM meist über dem gefrästen Block, die Wirtschaftlichkeit entsteht über Zykluszeit, Werkzeugstandzeit und reduzierte Montage- und Änderungsaufwände. Entscheidend ist daher, wie stark die Geometrie diese Effekte überhaupt ermöglicht.

Ein klassischer Fall im Werkzeugbau sind Formeinsätze mit konturnaher Kühlung und komplexen inneren Hohlräumen. Wenn Kühlkanäle nicht mehr geradlinig gebohrt werden können, weil sie Hinterschnitte, Rippenfüße oder lokale Massestellen entlang der Kavität eng umfahren müssen, stoßen Fräsen und Bohren sehr schnell an Grenzen. Gelötete oder geschweißte Kühlplatten erhöhen wiederum den Montageaufwand und bergen Leckagerisiken. Hier kann ein SLM-gefertigter Einsatz mit konturnaher Kühlung Geometrien darstellen, die konventionell praktisch nicht herstellbar sind.

Besonders vorteilhaft ist SLM bei Bauteilen mit verzweigten, dreidimensional gekrümmten Kanalsystemen, kleinen Durchmessern und geringem Wandabstand zur Kavität. Wenn mit SLM Kühlkanäle etwa 2–4 Millimeter unter der Kavitätsoberfläche geführt und die Fließwege des Kühlmediums strömungsgünstig ausgelegt werden, sind Zykluszeitreduzierungen von typischerweise 20 bis 40 Prozent erreichbar – je nach Bauteil und Spritzgießmaterial. In einem Serienwerkzeug mit vielen Kavitäten und hohen Stückzahlen amortisiert sich der höhere Preis des additiven Formeinsatzes über die reduzierte Maschinenbelegungszeit oft schon im unteren sechsstelligen Schussbereich. Vertiefende Aspekte dazu lassen sich beispielsweise unter konturnahe Kühlung im Spritzgießwerkzeug strukturieren.

Ein weiterer Geometrie-Fall, in dem SLM wirtschaftlich wird, ist die Funktionsintegration. Wenn ein Bauteil im konventionellen Aufbau aus mehreren gefrästen, erodierten und anschließend geschraubten oder geschweißten Komponenten besteht, die zusammen eine komplexe Strömungs- oder Kühlgeometrie bilden, können diese Funktionen in einem einzigen additiven Bauteil zusammengeführt werden. Typisch sind Heißkanalverteiler mit integrierter Kühlung, Führungs- und Zentrierfunktionen oder Formkerne mit integrierten Auswerferaufnahmen. SLM spart hier Bauteilkonsolidierung, Dichtflächen, Passungen und Schweißnähte, wodurch sich Montagezeit und Fehlerquellen reduzieren.

Topologieoptimierte und gewichtsreduzierte Formkerne sind ein dritter wichtiger Anwendungsfall. In großen Werkzeugkernen mit langen Auskragungen führt eine massive Ausführung zu hohen Massen, langen Aufheizzeiten und hoher thermischer Trägheit. Mit SLM sind Gitterstrukturen, Hohlräume und lokal verstärkte Rippen realisierbar, die bei gleicher Steifigkeit deutlich weniger Masse aufweisen. Wenn solche Kerne zusätzlich mit konturnaher Kühlung kombiniert werden, verkürzt sich die thermische Einschwingzeit des Werkzeugs, und der Energiebedarf sinkt. Fräsen könnte diese Art von Bionic- oder Gitterstrukturen nur mit extremem Aufwand oder gar nicht herstellen.

Typische Geometrie-Fälle für wirtschaftliches SLM

Typischerweise wird SLM im Werkzeug- und Formenbau dann wirtschaftlich interessant, wenn die Bauteilgeometrien mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweisen:

• komplexe, dreidimensional verlaufende Kühlkanäle nahe der Kavitätsoberfläche
• stark variierende Wandstärken mit lokalen Hotspots, die gezielt temperiert werden müssen
• integrierte Funktionen wie Medienführungen, Sensoraufnahmen oder Führungsgeometrien, die sonst zusätzliche Bauteile erfordern würden
• Gitter- oder Hohlstrukturen in großen Kernen, um Masse und Aufheizzeit zu reduzieren

In einem Praxisfall aus der Automobilzulieferindustrie wurde beispielsweise ein 16-fach-Werkzeug für ein Steckverbinder-Gehäuse betrachtet. Die konventionell gebohrte Kühlung führte zu einer Zykluszeit von rund 18 Sekunden, da einzelne Stegbereiche nur schlecht gekühlt wurden. Durch den Einsatz konturnah gekühlter, SLM-gefertigter Einsätze mit verzweigten Kanälen sank die Zykluszeit auf etwa 12 Sekunden. Die Mehrkosten der additiven Einsätze lagen bei rund 30 Prozent gegenüber der gefrästen Variante, waren aber nach rund 250 000 Schuss durch die eingesparte Maschinenzeit kompensiert. Ab diesem Punkt erzeugte die Geometrie ihren wirtschaftlichen Vorteil in Form niedrigerer Stückkosten.

Deutlich weniger sinnvoll ist SLM für einfache, rotationssymmetrische oder prismatische Formeinsätze ohne besondere Anforderungen an die Kühlung. Ein rechteckiger Kern mit wenigen Entformungsschrägen und Standardkühlbohrungen lässt sich auf einer 3-Achs- oder 5-Achs-Maschine sehr viel günstiger fräsen. Gleiches gilt für große, volumenstarke Grundplatten oder Formrahmen, bei denen die Materialkosten und die notwendige Nachbearbeitung (Planen, Bohren, Passungen) den Additivvorteil sofort zunichtemachen. Hier bleibt Fräsen oder Gießen im Regelfall die wirtschaftlichere Wahl.

Auch beim Schweißen ist die Geometrie entscheidend. Wenn sich komplexe Formen über Laserschweißen oder Hartlöten aus relativ einfachen Einzelteilen aufbauen lassen, kann diese Lösung kostengünstiger sein als ein monolithischer SLM-Körper. Beispielsweise können Kühlplatten mit gefrästen Nuten und aufgesetzten Deckplatten für bestimmte Bauteile ausreichend effizient sein. Sobald jedoch die Dichtflächen sehr aufwendig werden, die Dichtheit kritisch ist oder viele dreidimensionale Richtungswechsel der Kühlkanäle benötigt werden, kippt das Verhältnis zugunsten eines additiven, monolithischen Einsatzes.

Ein Mikro-Case aus der Medizintechnik verdeutlicht die Geometrieabhängigkeit: Für ein kleines, komplexes Gehäuse aus Polycarbonat wurde ein Werkzeug mit vielen filigranen Rippen und einem zentralen, schlanken Kern benötigt. Konventionell wäre der Kern aus mehreren geschweißten und geschraubten Komponenten entstanden, mit hohem Risiko für Maßabweichungen und Spannungsrisse im Werkzeug. Durch einen SLM-Kern mit integrierter konturnaher Kühlung und internem Stützgitter konnte die Verformung beim Einspritzen reduziert und die Standzeit deutlich erhöht werden. Die Geometrie – schlank, hoch belastet und innen strukturiert – war der Hebel, der SLM wirtschaftlich gemacht hat.

Damit lässt sich als Orientierung festhalten: Je stärker ein Bauteil von innen komplex ist, je näher Kühl- und Funktionsgeometrien an die Kavität heranrücken müssen und je mehr Einzelteile in einem monolithischen Körper zusammengefasst werden können, desto eher ist SLM wirtschaftlich sinnvoller als Fräsen, Gießen oder Schweißen. Für einfache, massiv ausgelegte Standardgeometrien ohne besondere Kühl- oder Funktionsanforderungen bleibt die konventionelle Fertigung hingegen klar im Vorteil.

18. Welche typischen Maßtoleranzen und Formgenauigkeiten erreichen SLM-Teile – und wie stabil sind diese bei Serienfertigung?

SLM-Teile erreichen im Regelfall nicht die Maß- und Formgenauigkeiten eines vollständig hartbearbeiteten Formeinsatzes, sind aber deutlich besser reproduzierbar, als viele Anwender ursprünglich erwarten. Wichtig ist die klare Trennung zwischen „as-built“-Zustand direkt aus der Maschine und nachfolgender spanender Bearbeitung der Funktionsflächen. Für den Werkzeugbau bedeutet das: SLM liefert den Formeinsatz-Rohling mit definierter, aber begrenzter Genauigkeit, die kritischen Passungen und Dichtflächen werden anschließend gefräst oder geschliffen.

Typische globale Maßtoleranzen im SLM liegen im as-built-Zustand in der Größenordnung von etwa ±0,1 Millimetern bis ±0,2 Millimetern bei Längen bis 100 Millimeter, bezogen auf korrekt kalibrierte Anlagen und etablierte Parameter für den jeweiligen Werkstoff (zum Beispiel 1.2709). Bei größeren Abmessungen steigt die Abweichung oft skalenabhängig an. Hinzu kommen systematische Effekte wie Schrumpfung und Verzug, die in vielen Betrieben über Skalierungsfaktoren und Belichtungsparameter im CAM kompensiert werden. Praktisch relevant ist daher weniger die absolute Genauigkeit im ersten Schuss, sondern die gut beherrschbare, reproduzierbare Abweichung nach einer Einfahrphase.

Bei der Formgenauigkeit (Geradheit, Ebenheit, Rundheit) zeigen sich verzugsbedingte Defekte stärker als rein zufällige Streuung. Freie Flächen ohne Stützstrukturen können je nach Bauteilgröße Ebenheitsabweichungen von einigen Zehntelmillimetern aufweisen, insbesondere nach Wärmebehandlung. Zylindrische Geometrien sind in der Regel eher leicht kegelig und weisen durch den schichtweisen Aufbau eine gewisse Rauheit der Kontur auf. In der Praxis werden hochbelastete Dichtflächen, Passungen und Führungssäulen daher konsequent mit Bearbeitungszugabe ausgelegt, während Geometrien mit geringer funktionaler Relevanz (zum Beispiel äußere Kühlkanalhüllen) im as-built-Zustand verbleiben dürfen.

Einflussgrößen auf Maß- und Formgenauigkeit

Die erreichbare Genauigkeit im SLM wird wesentlich durch mehrere Einflussgrößen bestimmt, die sich in der Praxis nur teilweise entkoppeln lassen:

• Bauteilorientierung und Schichtaufbau (Überhänge, Treppeneffekte, Stützstrukturkonzept)
• Wandstärken und lokale Massenanhäufungen, die zu inneren Spannungen führen
• Vor- und Nachbehandlung (Stress-Relief-Glühen, Heißisostatisches Pressen, Abkühlstrategie)
• Anlagenzustand und Parameter (Laserfokus, Pulverbettqualität, Pulverrecyclinggrad)
• Bauteilposition im Bauraum (Rand- versus Zentrumslage, thermische Randbedingungen)

In gut eingefahrenen Prozessen wird für kritische Abmessungen häufig mit Design- und Prozessrichtlinien gearbeitet: Mindestwandstärken werden nicht unterschritten, große massive Bereiche werden durch Ausnehmungen gezielt ausgedünnt, die Orientierung wird so gewählt, dass Funktionsflächen möglichst in eine Bearbeitungsebene gelegt werden können. Zusätzlich nutzen einige Werkzeugbauer Simulationswerkzeuge zur Verzugsvorhersage, um CAD-Geometrien vorzuverformen und damit systematische Formabweichungen zu reduzieren.

Für die Serienstabilität ist die Wiederholgenauigkeit entscheidender als die absolute Abweichung. Bei Wiederholaufbauten identischer Teile auf derselben Maschine, mit gleicher Orientierung und identischem Pulvermanagement, liegen many dimensions häufig innerhalb einer Streuung von 20 bis 50 Mikrometern um einen (gegebenenfalls verschobenen) Mittelwert. Kritisch wird es dann, wenn mehrere Maschinen desselben Typs parallel eingesetzt werden oder Pulverchargen gemischt werden; hier können Mittelwerte zwischen den Anlagen um einige Zehntelmillimeter differieren, sofern keine konsequente Kalibrierung und Referenzmessung erfolgt.

Im Werkzeug- und Formenbau ist es üblich, SLM-Kerne und -Einsätze mit einer Bearbeitungszugabe von etwa 0,3 bis 0,8 Millimetern an den funktionskritischen Flächen zu versehen. Dadurch wird die notwendige Prozessfähigkeit dorthin verschoben, wo sie sicher beherrschbar ist: in die spanende Endbearbeitung. Für viele geometrisch komplexe Bereiche, etwa die Lage von konturnahen Kühlkanälen relativ zur Kavität, genügt hingegen eine reproduzierbare Lagegenauigkeit im Bereich von ±0,1 bis ±0,2 Millimetern, solange der thermische Effekt im Prozess stimmt. Die Serienstabilität wird dann nicht nur dimensional, sondern über Temperatur- und Zykluszeitmessungen validiert.

Ein Praxisbeispiel aus einem Automobil-Steckverbinderwerkzeug verdeutlicht den Umgang mit Maß- und Formgenauigkeiten: Ein Werkzeugbauer fertigte in mehreren Losen identische SLM-Kerne mit konturnaher Kühlung für ein 32-fach-Werkzeug. Im as-built-Zustand lagen ausgewählte Referenzmaße im Bereich von 20 Millimetern Länge typischerweise bei Nennmaß +0,12 Millimeter mit einer Streuung von rund ±0,03 Millimetern innerhalb eines Loses. Nach dem Stress-Relief-Glühen und dem Fräsen der Dicht- und Passflächen auf einer 5-Achs-Maschine wurden die gleichen Maße mit ±0,01 Millimeter erreicht, bei einer Prozessfähigkeit (CpK) oberhalb 1,33. Die additive Vorstufe lieferte also eine reproduzierbare, wenn auch systematisch verschobene Basis, die spanend „eingefangen“ wurde.

Für eine stabile Serienfertigung additiv gefertigter Formeinsätze ist daher ein durchgängiges Qualitätskonzept erforderlich: wiederkehrende Referenzbauteile oder -proben im Bauraum, klar definierte Prüfmerkmale, statistische Auswertung der Messdaten und dokumentierte Maschinenparameter. Wenn dieses Umfeld geschaffen ist, lassen sich SLM-Prozesse so führen, dass sie über viele Lose hinweg vergleichbar stabile Ergebnisse liefern – selbst wenn unterschiedliche Maschinen im Verbund arbeiten. Die Prozessfähigkeit wird dann analog zu spanenden Prozessen behandelt, nur mit anderen Stellgrößen.

In der Gesamtsicht bedeutet dies für Werkzeugbauer: Im as-built-Zustand sind SLM-Teile hinsichtlich Maß- und Formgenauigkeit begrenzt, aber bei sauber beherrschtem Prozess gut wiederholbar. Die wirtschaftlich sinnvolle Strategie besteht darin, SLM dort auszunutzen, wo komplexe innere Geometrien und Funktionsintegration benötigt werden, und gleichzeitig die hochpräzisen Flächen konsequent für die Hartbearbeitung zu reservieren. Unter diesen Bedingungen lassen sich auch in der Serienfertigung von Spritzgießwerkzeugen robuste und geometrisch stabile Lösungen realisieren.

19. Wie rau ist die Oberfläche nach dem SLM-Prozess, und welche Rauheitswerte sind nach verschiedenen Nachbearbeitungen erreichbar?

Die Oberfläche direkt nach dem SLM-Prozess ist im Vergleich zu gefrästen oder geschliffenen Werkzeugstählen deutlich rauer und ausgeprägt anisotrop. Typischerweise liegen as-built-Rauheiten (Ra) bei metallischen SLM-Werkstoffen im Bereich von etwa 8 bis 15 Mikrometern, lokal – insbesondere bei nach unten gerichteten Flächen – auch darüber. Rz-Werte bewegen sich schnell im Bereich von 40 bis 80 Mikrometern und mehr. Die genaue Ausprägung hängt von Schichtdicke, Belichtungsstrategie, Pulverqualität und Bauteilorientierung ab.

Oberflächen, die nach oben gebaut werden, wirken meist „gleichmäßiger“ und sind etwas feiner, während Seitenflächen und Überhänge durch Treppeneffekte, teilweise angebackene Pulverpartikel und Stützstrukturreste geprägt sind. Wärmebehandlungen zur Spannungsarmut verändern diese Topografie in der Regel nur geringfügig; sie wirken mehr auf das Innengefüge als auf die makroskopische Rauheit. Für den Werkzeugbauer ergibt sich daraus die Konsequenz, funktionskritische Bereiche konsequent mit Nachbearbeitung zu planen, während innere Strukturen – zum Beispiel konturnahe Kühlkanäle – bewusst in rauem Zustand belassen werden können.

Typische Rauheitswerte entlang der Prozesskette

Entlang der Prozesskette von der as-built-Oberfläche bis zur hochglanzpolierten Kavität ergeben sich grob die folgenden Rauheitsbereiche (typische Erfahrungswerte, je nach Anlage und Bearbeitung leicht verschoben):

• SLM as-built: Ra etwa 8–15 µm, Rz etwa 40–80 µm, stark richtungsabhängig
• Strahlen (Glasperlen, Korund etc.): Ra etwa 4–8 µm, homogenere Optik, Spitzen nivelliert
• Gleitschleifen / Trowalisieren: Ra etwa 2–6 µm, bei feineren Medien und längeren Zeiten auch darunter
• Fräsen/Hartdrehen (HSC auf bearbeiteten Flächen): Ra etwa 0,4–1,6 µm, je nach Werkzeug und Schnittparametern
• Schleifen/Läppen: Ra etwa 0,1–0,4 µm, Rz typischerweise im einstelligen Mikrometerbereich
• Hand- oder Roboterpolitur (Hochglanzpolitur): Ra kleiner als 0,05 µm bis in den Bereich von 0,01 µm für Sichtflächen und optische Anwendungen

In der Praxis werden diese Stufen selten vollständig durchlaufen, sondern gezielt kombiniert. Innenliegende und schwer zugängliche Bereiche erhalten meist nur Strahl- oder Gleitschleifbearbeitung; Kavitäten für technisch-funktionale Spritzgussteile werden auf Ra- oder Rz-Niveau gefräst oder geschliffen; hochglänzende Sichtteile oder transparente Bauteile erfordern eine vollständige Polierkette bis zur Spiegeloberfläche.

Für Spritzgießwerkzeuge ist entscheidend, welche Flächen im Prozess tatsächlich formgebend zur Kunststoffoberfläche sind und welche Flächen rein konstruktive oder thermische Aufgaben übernehmen. Konturnahe Kühlkanäle profitieren teilweise sogar von einer gewissen Rauheit, weil sie die turbulente Strömung und damit den Wärmeübergang begünstigt. Hier genügt in vielen Fällen ein gestrahlter oder gleitschleifbearbeiteter Zustand, ohne dass exakte Ra-Werte definiert werden. Dagegen müssen Trennebenen, Dichtkonturen und hochbelastete Gleitflächen zwingend über Fräsen, Schleifen oder Läppen in einen definierten Bereich gebracht werden.

Ein typischer Praxisfall aus dem Formenbau für Haushaltsgeräte zeigt die Staffelung der Rauheiten: Für eine sichtbare Frontabdeckung wurden SLM-Formeinsätze mit konturnaher Kühlung eingesetzt. Die Kavitätsflächen erhielten zunächst eine HSC-Bearbeitung mit Ra etwa 0,6 bis 0,8 µm, um die Welligkeit aus dem additiven Rohling zu entfernen. Anschließend wurden die kritischen Sichtflächen manuell bis in den Bereich von etwa 0,02 µm Ra hochglanzpoliert, während weniger sichtbare Bereiche nur geschliffen blieben. In der Serie war damit die geforderte Oberflächenqualität des Kunststoffteils erreichbar, ohne das komplette Einsatzvolumen auf Hochglanz zu bringen.

Wirtschaftlich entscheidend ist, die Nachbearbeitung exakt dort zu konzentrieren, wo sie funktional notwendig ist. Kleinste Innenradien, Hinterschnitte und schwer zugängliche Taschen lassen sich oft nur mit erheblichem Aufwand polieren; hier ist es häufig sinnvoller, die Bauteilgeometrie so zu gestalten, dass die hochwertigste Oberfläche auf gut zugänglichen Flächen entsteht und kleinteilige Bereiche im geschliffenen oder gefrästen Zustand bleiben. SLM bietet hierfür die Freiheit, Übergänge und Trennebenen im CAD so zu positionieren, dass sie mit Standardwerkzeugen bearbeitet werden können.

Für Werkzeugbauer bedeutet dies: Die eigentliche Stärke von SLM liegt nicht in der absoluten Oberflächenqualität, sondern in der Gestaltungsfreiheit, komplexe Kühl- und Funktionsgeometrien mit einer nachbearbeitungsfreundlichen Hülle zu kombinieren. Wenn die geforderten Rauheitswerte pro Flächenbereich früh im Projekt definiert und mit geeigneten Nachbearbeitungsverfahren hinterlegt werden, lassen sich SLM-Formeinsätze so auslegen, dass sie sowohl die thermischen Vorteile der additiven Fertigung als auch die Oberflächenqualität eines konventionell gefertigten Serienwerkzeugs erreichen.

20. Welche Nachbehandlungen (Wärmebehandlung, HIP, Oberflächenfinish) empfehlen Sie für hochbelastete, sicherheitsrelevante Bauteile?

Für hochbelastete, sicherheitsrelevante Bauteile aus SLM ist die Nachbehandlung keine Option, sondern zwingender Bestandteil der Prozesskette. Der additive Aufbau erzeugt hohe Eigenspannungen, eine feine, aber richtungsabhängige Mikrostruktur und typischerweise ein gewisses Restporenvolumen. Wenn diese Bauteile zyklisch belastet werden oder ein spröder Bruch ausgeschlossen werden muss, ist eine Kombination aus Spannungsarmglühen, gegebenenfalls Heißisostatischem Pressen (HIP), abgestimmter Härtebehandlung und gezieltem Oberflächenfinish erforderlich.

In einem ersten Schritt steht fast immer ein Spannungsarmglühen an. Durch den schichtweisen Aufbau unter hohem Temperaturgradient entstehen erhebliche Zug- und Druckspannungen, die im Extremfall bereits beim Abtrennen von der Bauplatte zu Verzug oder Rissen führen. Ein Spannungsarmglühen im werkstoffspezifischen Temperaturbereich – bei maragingartigen Stählen etwa im Bereich 450–650 Grad Celsius, bei aushärtbaren Edelstählen höher – reduziert diese Eigenspannungen deutlich. Mehrere Hersteller integrieren dieses Glühen direkt nach dem Baujob, noch bevor Stützstrukturen vollständig entfernt werden, um das Rissrisiko weiter zu senken.

HIP ist immer dann zu empfehlen, wenn das Bruchverhalten und die Dauerfestigkeit im Vordergrund stehen und das Bauteil keine kritischen, nachträglich unzugänglichen Innenbereiche aufweist, die durch Poren geschwächt werden könnten. Beim HIP werden das Bauteil und eventuell eine passende Kapsel bei hohem Gasdruck und hoher Temperatur behandelt, sodass Restporen geschlossen und Bindefehler weitgehend eliminiert werden. Dies erhöht die Kerbschlagzähigkeit und die Ermüdungsfestigkeit deutlich, kann aber die Geometrie geringfügig verändern, weshalb der Prozess in das Maßkonzept einzubeziehen ist. Für stark belastete Halterungen, Werkzeugaufnahmen oder tragende Strukturen im Formenbau ist HIP in vielen Fällen die einzig saubere Lösung, um ein quasi „gussteilähnliches“ oder besseres Innengefüge zu erreichen.

Nach Spannungsarmglühen und HIP folgt für viele SLM-Stähle eine werkstoffspezifische Wärmebehandlung, um die gewünschte Härte und Zähigkeit einzustellen. Maraging-Stähle werden typischerweise lösungsgeglüht und anschließend ausgehärtet, während warmarbeitsfähige Werkzeugstähle eine klassische Härt- und Anlassbehandlung erhalten. Entscheidend ist, dass die Wärmebehandlungsparameter auf das additiv entstandene Gefüge abgestimmt sind, da dieses sich in Korngröße, Karbidverteilung und Ausscheidungszustand vom klassischen Schmiede- oder Walzmaterial unterscheidet. Wenn die Temperaturführung nicht passt, kann das Bauteil zwar „hart“, aber zu spröde werden – mit entsprechend kritischem Bruchverhalten.

Beim Oberflächenfinish steht bei sicherheitsrelevanten Bauteilen weniger die Optik als die Rissinitiierung im Vordergrund. Die as-built-Rauheit mit ausgeprägten Kerben und Partikelanhaftungen ist ein idealer Ansatzpunkt für Ermüdungsrisse. Daher ist ein mechanischer Abtrag der oberflächennahen Schicht – durch Fräsen, Schleifen, Läppen oder intensives Gleitschleifen – an den hochbelasteten Bereichen zwingend. Ziel ist eine definierte Oberflächenrauheit, häufig im Bereich Ra ≤ 0,8 Mikrometer oder besser, je nach Beanspruchung. Für Bauteile mit Biege- oder Zugschwellbeanspruchung kann eine weitere Glättung (zum Beispiel chemisch-mechanisches Polieren) die Dauerfestigkeit zusätzlich erhöhen, weil Mikrokerben reduziert werden.

Ein Praxisfall aus der Medizintechnik (Implantat-nahe Spannsysteme für Spritzgießwerkzeuge) zeigt eine typische Prozesskette: SLM-Fertigung eines hochlegierten Edelstahls, Spannungsarmglühen, HIP zur Porenschließung, spanende Endbearbeitung der Funktionsflächen mit definierter Bearbeitungszugabe, anschließendes Feinschleifen und partielles Polieren der hochbelasteten Kontaktflächen. Ergänzend wurde ein leichtes Gleitschleifen der weniger kritischen Außenflächen durchgeführt, um scharfe Kanten und Oberflächenkerben zu entschärfen. Erst danach erfolgte die Endprüfung der Maßhaltigkeit und eine zerstörungsfreie Rissprüfung, bevor die Teile für den Serieneinsatz freigegeben wurden.

Für hochbelastete, sicherheitsrelevante Komponenten im Werkzeugbau – etwa Spannleisten, Wechselplattenverriegelungen oder tragende Elemente in Etagenwerkzeugen – ist außerdem die Kombination mit Oberflächenhärtungen oder Beschichtungen denkbar. Nitrieren oder PVD-Beschichtungen auf einem HIP-behandelten und feinbearbeiteten SLM-Grundkörper können Verschleiß, Reibung und Anrissneigung weiter reduzieren, wenn die Grundrauhigkeit und das Gefüge entsprechend vorbereitet sind. Diese Schritte ersetzen die Grundnachbehandlung aber nicht, sondern bauen darauf auf.

Grundsätzlich empfehle ich für solche Bauteile immer eine klar definierte Nachbehandlungskette, die im Projekt von Anfang an festgelegt wird: Spannungsarmglühen unmittelbar nach dem Bau, HIP bei allen Teilen mit relevanter Wechselbeanspruchung oder Bruchfolgen, angepasste Härtebehandlung und gezieltes Oberflächenfinish mit klar definierten Rauheitszielen an den kritischen Bereichen. Ergänzend sollte eine geeignete zerstörungsfreie Prüfung (zum Beispiel Röntgen, CT, Farbeindringprüfung) integriert sein, um innere und oberflächennahe Fehler systematisch auszuschließen.

21. Wie stellen Sie die Dichtheit von SLM-Bauteilen sicher, z. B. bei Kanälen, Kühlbohrungen oder druckbelasteten Gehäusen?

Die Dichtheit von SLM-Bauteilen wird im Kern über drei Stellhebel abgesichert: einen qualifizierten Bauprozess mit hoher Grunddichte, eine geeignete Nachbehandlung (insbesondere Heißisostatisches Pressen (HIP), wo erforderlich) und ein strukturiertes Prüfkonzept. Gerade bei druckbelasteten Kühlkanälen oder Gehäusen reicht es nicht, sich allein auf typische Dichteangaben wie „99,x Prozent“ zu verlassen; entscheidend sind die Verteilung der Restporen, mögliche Bindefehler und ihre Lage in der drucktragenden Wand.

Ausgangspunkt ist ein stabil eingefahrener SLM-Prozess mit parametrierten Belichtungsstrategien, geprüfter Pulverqualität und dokumentierten Wartungszuständen der Anlage. Ziel ist eine möglichst homogene Porosität mit kleinen, sphärischen Poren und ohne ausgedehnte „Lack-of-Fusion“-Zonen. In der Praxis wird dies über Dauermuster (Referenzwürfel, CT-Scans einzelner Serienjobs) und gelegentliche metallographische Schliffe überwacht. Wenn bereits hier größere Bindefehler oder stark richtungsabhängige Porennester sichtbar werden, ist an eine druckdichte Auslegung nicht seriös zu denken.

Für hochbelastete, drucktragende Komponenten ist HIP das zentrale Werkzeug, um die Dichtheit abzusichern. Durch den kombinierten Einsatz von hoher Temperatur und isostatischem Gasdruck werden innere Hohlräume weitgehend geschlossen, Diffusionsprozesse „heilen“ Bindefehler. Die resultierende Dichte liegt praktisch auf Niveau hochwertiger Schmiedeteile oder darüber. Wichtig ist, HIP in die Maßkette zu integrieren, da es zu geringfügigen plastischen Verformungen kommen kann; häufig werden Bauteile bewusst mit kleiner Übergröße aufgebaut und erst nach HIP vollständig auf Maß spanend bearbeitet, insbesondere an Dicht- und Passflächen.

Neben der Nachbehandlung spielt die Konstruktion eine zentrale Rolle für die Dichtheit. Wenn Kühlkanäle zu dicht an die Kavität geführt werden, Wandstärken lokal stark ausgedünnt oder scharfe Ecken ohne definierte Radien verwendet werden, steigt das Risiko für Leckagen massiv an. Bewährt haben sich Mindestwandstärken im Bereich mehrerer Millimeter zur druckbelasteten Seite, gleichmäßige Wandstärken entlang der Kanäle und Vermeidung von abrupten Querschnittswechseln. Für stark belastete Gehäuse kann es sinnvoll sein, kritische Flächen als separate, konventionell gefertigte Deckel oder Flansche auszulegen, während der komplexe Innenraum additiv erzeugt wird.

Ein weiterer Baustein ist die mechanische Bearbeitung der drucktragenden Oberflächen. As-built-Oberflächen weisen Kerben, Anhaftungen und ausgeprägte Rauheit auf, die nicht nur als Rissinitiatoren, sondern auch als Pfade für Mikroleckagen wirken können. Durch Bohren, Reiben oder Reiben der Kanäle, Schleifen von Dichtflächen und gezieltes Entgraten werden diese Schwachstellen reduziert. In vielen Werkzeugen werden additiv erzeugte Kühlkanäle an Ein- und Ausläufen bewusst aufgebohrt, um einen definierten, glatten Querschnitt im Anschlussbereich der Verschraubungen zu erzeugen.

Prüfkonzept für druckbelastete SLM-Komponenten

In einer serienfähigen Umgebung ist ein klar definiertes Prüfkonzept für die Dichtheit unerlässlich. Typisch sind abgestufte Verfahren, die sich je nach Kritikalität des Bauteils kombinieren lassen:

• 100-Prozent-Druckprüfung mit Wasser oder Öl (zum Beispiel 1,5- bis 2-facher Betriebsdruck) und Leckageüberwachung über Druckabfall oder Sichtprüfung im Wasserbad
• Helium-Lecktest für besonders sicherheitsrelevante Komponenten, bei denen sehr geringe Leckraten nachgewiesen werden müssen
• zerstörende Stichprobenprüfungen (Berstdrucktest) an Bauteilen aus derselben Serie, um die Sicherheitsreserve gegenüber dem Betriebsdruck zu quantifizieren
• ergänzende zerstörungsfreie Prüfungen wie CT oder Röntgen an ausgewählten Teilen, insbesondere in der Einführungsphase eines neuen Designs

In einem Praxisfall aus dem Werkzeugbau für Automobil-Steckverbinder wurden SLM-Formeinsätze mit konturnaher Kühlung eingesetzt, deren Kühlkreise mit bis zu 80 bar Wasser betrieben werden. Die Einsätze wurden nach SLM, Spannungsarmglühen und HIP an den Anschlussbereichen gebohrt und gerieben, Dichtflächen geschliffen und anschließend jeder Einsatz einzeln mit 160 bar hydrostatisch geprüft. Parallel wurden aus der ersten Serie einige Einsätze per CT untersucht und ein Exemplar bis zum Bersten belastet, um den Sicherheitsabstand zum Betriebsdruck zu ermitteln. Erst nach dieser Kombination aus Prozess- und Bauteilqualifikation wurden die Einsätze in die Serienwerkzeuge übernommen.

Für weniger kritische Anwendungen, etwa interne Kühlkanäle mit niedrigen Drücken und geringen Folgekosten bei einem Ausfall, wird HIP nicht immer eingesetzt. Hier basiert das Konzept häufig auf einem gut beherrschten SLM-Prozess, minimalen Wandstärken mit ausreichender Reserve und einer standardisierten Druckprüfung jedes Bauteils. Wichtig ist dann, die akzeptierten Leckageraten und Prüfdrucke sauber zu definieren, statt nur „bestanden/nicht bestanden“ zu dokumentieren, um langfristig Trends und Prozessdriften erkennen zu können.

Aus Sicht des Werkzeug- und Formenbaus ergibt sich damit ein klares Bild: Dichtheit ist kein isolierter Schritt, sondern das Ergebnis aus Prozessführung, Nachbehandlung, Konstruktion und Prüfung. Wo ein Leck sicherheitskritisch wäre oder zu erheblichen Folgekosten führt, sollten HIP, mechanische Nachbearbeitung der drucktragenden Flächen und ein anspruchsvolles Prüfkonzept (inklusive Helium-Lecktest oder CT-Stichproben) zum Standard gehören. Bei weniger kritischen Kühlkreisen genügt oft eine abgespeckte Variante – vorausgesetzt, der SLM-Prozess ist nachweislich stabil und die konstruktiven Randbedingungen sind konservativ ausgelegt.

22. Wie groß ist das Risiko von Porositäten oder Rissen im Bauteil, und welche Prüfverfahren (CT, Röntgen, Zugversuche) setzen Sie ein?

Das Risiko von Porositäten und Rissen in SLM-Bauteilen ist inhärent vorhanden, lässt sich aber durch einen stabilen Prozess und geeignete Prüfungen auf ein technisches Mindestmaß begrenzen. Typischerweise liegt die volumetrische Porosität in gut parametrierten SLM-Prozessen im Bereich unter einem Prozent, häufig sogar unter 0,1 Prozent. Kritisch sind weniger diese kleinen, vereinzelt verteilten Poren, sondern größere Porennester, Bindefehler (Lack-of-Fusion) und Risse an hochbelasteten Stellen, insbesondere bei schwingender oder schlagartiger Belastung.

Poren entstehen vor allem durch Gas in eingeschlossenen Pulverkörnern, unzureichende Aufschmelzung oder verunreinigtes Pulver. Bindefehler resultieren aus zu geringer Energiedichte, ungünstigen Belichtungspfaden oder stark variierenden Schichttemperaturen. In der Praxis zeigt sich: Wenn Parameter, Pulverhandling und Anlagenzustand nicht konsequent beherrscht werden, steigt das Risiko von lokalen Defekten sprunghaft an, auch wenn die „gemittelte Dichte“ eines Probenkörpers noch gut aussieht. Für drucktragende Kanäle, Kühlbohrungen oder Gehäuse ist diese lokale Inhomogenität entscheidend.

Die Rissbildung ist stark werkstoff- und geometrieabhängig. Höherlegierte Werkzeugstähle mit großer Härtefähigkeit, hohe Schichtspannungen durch große Querschnitte und starke Temperaturgradienten sowie steife Einspannung auf der Bauplatte begünstigen Risse. Wenn nicht vorgewärmt wird oder das Spannungsarmglühen zu spät erfolgt, können bereits beim Abtrennen von der Bauplatte oder während des Bauprozesses Mikrorisse entstehen, die sich später unter Last fortsetzen. Preheating, angepasste Stützkonzepte und ein früh angesetztes Spannungsarmglühen reduzieren dieses Risiko deutlich.

In einem eingefahrenen Serienprozess lässt sich das Risiko kritischer Innenfehler so weit senken, dass Porosität und Risse nicht häufiger auftreten als Defekte in klassischen Gussbauteilen guter Qualität. Entscheidend ist, dass Prozessqualifikation und Bauteilprüfung zusammen gedacht werden. Üblich ist, pro Parameter- und Werkstoffkombination eine Qualifizierung mit Dichtewürfeln, metallographischen Schliffen, CT-Scans und mechanischen Prüfungen durchzuführen und diese Basis regelmäßig über Referenzbauteile zu überwachen. Für besonders kritische Anwendungen kann dies etwa in einem eigenen „SLM-Qualifizierungsdokument“ festgehalten werden, das sich wie ein Werkstoffdatenblatt lesen lässt.

Prüfverfahren für Poren- und Rissnachweis

Um das verbleibende Restrisiko zu bewerten und zu überwachen, kommt eine Kombination aus zerstörungsfreier und zerstörender Prüfung zum Einsatz:

• Computertomographie (CT): Volumenprüfung, Detektion und Quantifizierung von Poren und Bindefehlern
• Industrielles Röntgen: zweidimensionale Durchstrahlung, geeignet für gröbere Fehler und Stichproben
• Zugversuche und weitere mechanische Versuche: Verifikation der Festigkeitswerte und Ermüdungsreserven

Die Computertomographie (CT) ist das leistungsfähigste Verfahren, um innere Fehler sichtbar zu machen. Sie erlaubt eine vollständige 3D-Analyse des Bauteils, inklusive Lage, Größe und Verteilung von Poren sowie Erkennung von Bindefehlern. In der Praxis ist die Auflösung eine Funktion von Bauteilgröße und Anlagentechnik: Kleinere Einsätze und Probekörper lassen sich mit Voxelgrößen im Bereich weniger Mikrometer untersuchen, große Formeinsätze nur mit gröberer Auflösung. CT wird daher meist für Erstbemusterung, Design-Freigabe und gelegentliche Serien-Stichproben genutzt, nicht als 100-Prozent-Prüfung bei großen Stückzahlen.

Die klassische Röntgenprüfung (Durchstrahlung) ist kostengünstiger, liefert aber lediglich Überlagerungsbilder entlang des Strahlengangs. Größere Porennester, Schrumpfungen, Bindefehler oder Risse in geeigneter Orientierung lassen sich dennoch sicher erkennen. Für viele drucktragende Komponenten reicht eine definierte Röntgenprüfung als Serien-Stichprobe aus, wenn der Prozess zuvor über CT und metallographische Untersuchungen sauber qualifiziert wurde. Wichtig ist eine geeignete Prüfplanung: Aufnahmerichtungen, Belichtungsparameter und Bewertungsrichtlinien müssen definiert sein, damit alle Chargen vergleichbar sind.

Zugversuche werden nicht an den Bauteilen selbst, sondern an mitgedruckten Probenkörpern (Witness Coupons) durchgeführt, die in gleicher Orientierung, mit gleichen Parametern und aus derselben Pulvercharge gefertigt werden. Ziel ist die Bestätigung, dass Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung im geforderten Bereich liegen und im Serienzeitraum nicht wegdriften. Für sicherheitsrelevante Teile kommen häufig zusätzliche Prüfungen hinzu, etwa Kerbschlagbiegeversuche oder Dauerschwingversuche, um die Empfindlichkeit gegenüber Defekten zu quantifizieren. Wenn hier Auffälligkeiten auftreten, ist klar, dass das tatsächliche Bauteil mit denselben Prozessparametern ebenfalls kritisch wäre.

Ein typischer Mikro-Case aus dem Werkzeugbau: Für ein Etagenwerkzeug mit konturnah gekühlten Einsätzen und Betriebsdrücken bis 100 bar wurde zunächst ein Qualifikationslos mit SLM-Einsätzen gefertigt. Pro Bauraum wurden Referenzwürfel mitgedruckt, von denen einige metallographisch untersucht, andere im CT analysiert wurden. Parallel erfolgten Zugversuche an mitgebauten Proben. Erst nachdem Porositätsgrad, Porenverteilung und mechanische Kennwerte die definierten Grenzwerte unterschritten, wurden die Einsätze mittels hydrostatischer Prüfung und Stichproben-CT freigegeben und als Serienstandard festgelegt.

In der laufenden Serienfertigung wird das Risiko über ein einfacheres, aber konsequent durchgehaltenes Prüfprogramm abgesichert: definierte Druckprüfung jedes Bauteils, regelmäßige Zugversuche an Serienproben, gelegentliche CT- oder Röntgenprüfungen als Prozessmonitoring. Die Kombination aus gut beherrschtem SLM-Prozess, klar definierter Nachbehandlung (Spannungsarmglühen, eventuell HIP) und abgestuftem Prüfkonzept reduziert das reale Risiko von Porosität und Rissen auf ein Niveau, das im Werkzeug- und Formenbau für sicherheitsrelevante Komponenten vertretbar ist – vorausgesetzt, die Ergebnisse werden nicht nur dokumentiert, sondern auch systematisch ausgewertet und bei Auffälligkeiten in Prozessanpassungen übersetzt.

23. Welche konstruktiven Maßnahmen helfen, Verzug und Eigenspannungen im SLM-Bauteil zu minimieren?

Verzug und Eigenspannungen entstehen im SLM im Wesentlichen durch steile Temperaturgradienten und ungleichmäßige Wärmeeinbringung im Bauteilquerschnitt. Konstruktiv sinnvoll wird es dort, wo das Design diese Gradienten entschärft, Wärmestau vermeidet und die Steifigkeit des Bauteils so führt, dass die unvermeidlichen Schrumpfbewegungen kontrolliert ablaufen können. Im Werkzeugbau entscheidet sich damit bereits im CAD, ob ein Formeinsatz nach dem Abtrennen von der Bauplatte maßhaltig bleibt oder sich deutlich durchbiegt.

Ein grundlegender Ansatz ist die gezielte Gestaltung von Wandstärken und Massenverteilung. Große, massive Blöcke mit stark variierenden Wandstärken führen zu hohen inneren Spannungen, weil die äußeren Schichten schneller abkühlen als der Kern. Konstruktiv günstiger sind gleichmäßige Wandstärken, lokal ausgedünnte Bereiche und Hohlstrukturen, die über Rippen abgestützt werden. So lässt sich ein Formkern beispielsweise als „Schale mit Rippen“ statt als Vollblock auslegen, ohne die funktionale Steifigkeit wesentlich zu verringern. Gerade bei großen Einsätzen für Mehrkavitätenwerkzeuge reduziert eine solche Massenoptimierung den Verzug spürbar und verkürzt gleichzeitig die Aufheizzeiten im Spritzgießbetrieb.

Ebenso wichtig ist die Bauteilorientierung, die bereits bei der Konstruktion mitgedacht werden sollte. Längliche Kerne mit hoher Schlankheit neigen beim Aufbau in vertikaler Richtung zu Biegeeffekten, weil jede Schicht auf einem sich kontinuierlich verformenden „Träger“ aufgebaut wird. Wenn die Geometrie es erlaubt, ist eine Ausrichtung mit maximaler Ausdehnung in der Plattenebene deutlich spannungsärmer. Zudem sollten funktionskritische Flächen möglichst so positioniert werden, dass sie nach dem Aufbau einfach zugänglich spanend bearbeitet werden können – damit konstruktive Restverformungen durch Bearbeitungszugaben kompensiert werden, anstatt direkt das Endmaß zu treffen.

Konstruktive Entlastungselemente helfen, Spannungsspitzen zu reduzieren. Dazu gehören großzügige Radien an Innen- und Außenecken, Übergänge ohne abrupte Querschnittssprünge sowie gezielt platzierte Ausnehmungen, die starre Bereiche „weicher“ machen. Eine steife, massive Fußzone direkt auf der Bauplatte mit hartem Übergang in eine schlanke Säule ist konstruktiv ungünstig; günstiger ist ein abgestufter Übergang mit Fasen oder Verrundungen und gegebenenfalls mit Schlitzen oder Fensteröffnungen, die den Spannungsverlauf entschärfen. Solche Entlastungsgeometrien sind im Werkzeugbau gut platzierbar, etwa im nicht formgebenden Bereich unterhalb der Kavität oder im Formaufbau.

Eine weitere konstruktive Maßnahme ist die Segmentierung komplexer Bauteile. Anstatt einen sehr großen, hoch belasteten Formeinsatz monolithisch zu drucken, kann es sinnvoll sein, ihn in mehrere funktionale Zonen zu teilen – zum Beispiel einen kernnahen Bereich mit konturnaher Kühlung und einen konventionell gefertigten Trägerblock. Die additive Zone wird dann kleiner, thermisch homogener und damit spannungsärmer; der Trägerblock fängt die mechanischen Kräfte auf und kann konventionell spannungsarm geglüht und bearbeitet werden. Diese Kombination wird im Formenbau zunehmend genutzt, um die Vorteile von konturnaher Kühlung mit einem robusten, kostengünstigen Grundaufbau zu verbinden.

Auch die Auslegung der Anbindung zur Bauplatte hat direkten Einfluss auf Verzug und Eigenspannungen. Wenn das Bauteil über sehr starke, vollflächige Füße angebunden wird, können sich Spannungen nur beim Abtrennen schlagartig entladen, was zu deutlichem „Aufspringen“ führt. Sind dagegen definierte, konstruktiv vorgesehene Solltrennstellen oder reduzierte Fußquerschnitte vorhanden, entkoppelt sich das Bauteil kontrollierter. Im Werkzeugbau wird dies beispielsweise über umlaufende Stege, segmentierte Fußbereiche oder integrierte Entlastungsnuten realisiert, die sowohl Stützstruktur als auch Abtrenngeometrie führen.

Ein Praxisbeispiel aus der Automobilindustrie illustriert diesen Ansatz: Ein Werkzeugbauer fertigte SLM-Kerne mit konturnaher Kühlung für ein 16-fach-Steckverbinderwerkzeug. In einer ersten Designiteration wurden die Kerne als nahezu massive Blöcke mit wenigen Ausnehmungen aufgebaut, was zu deutlich gebogenen Kernen nach dem Abtrennen führte; die Geradheit lag teilweise außerhalb der Bearbeitungszugaben. In der zweiten Iteration wurden im CAD großflächige Hohlräume, Rippenstrukturen und Entlastungsschlitze eingezogen, die Wandstärken homogener gestaltet und die Orientierungen der Kerne in der Bauplatte angepasst. Das Ergebnis waren Kerne mit deutlich reduzierter Durchbiegung, die innerhalb der geplanten Bearbeitungszugaben lagen und ohne Zusatzaufwand auf Maß gebracht werden konnten.

Zuletzt kann auch eine konstruktive Vorverformung des CAD-Modells in Betracht gezogen werden, insbesondere bei sehr großen oder kritischen Komponenten. Hierbei wird das Bauteil bewusst „gegen den erwarteten Verzug“ modelliert, sodass es nach dem Aufbau und dem Abkühlen in die gewünschte Form springt. Voraussetzung dafür ist eine belastbare Verzugssimulation oder umfangreiche Erfahrungswerte, die den Zusammenhang zwischen Geometrie, Prozessparametern und Verformung abbilden. Für den Werkzeugbau lohnt sich dieser Aufwand vor allem bei Serienwerkzeugen mit vielen identischen Einsätzen, bei denen eine einmal ermittelte Vorverformung wiederkehrend genutzt werden kann.

In der Summe ist Verzug im SLM kein unvermeidbares Schicksal, sondern eine beherrschbare Folge von Thermik und Steifigkeitsverteilung. Wenn Konstruktion, Bauteilorientierung, Massenverteilung und Anbindung an die Bauplatte konsequent gemeinsam betrachtet werden, können Eigenspannungen so geführt werden, dass sie den Bauteilnutzen nicht beeinträchtigen. Für Werkzeug- und Formenbauer bedeutet das: Ein durchdachtes Design for Additive Manufacturing ist mindestens so wichtig wie gute Prozessparameter, wenn SLM-Einsätze in der Serienfertigung zuverlässig funktionieren sollen.

24. Wie unterstützen Sie uns bei der Topologieoptimierung bzw. beim Leichtbau speziell für SLM?

Unterstützung bei Topologieoptimierung für SLM bedeutet in der Praxis deutlich mehr als nur eine Software zu bedienen. Es geht darum, Lastpfade, Fertigungsrestriktionen, Nachbearbeitung und Werkzeuglebensdauer in einem konsistenten Modell zusammenzuführen. Wir setzen daher nicht beim „schönen organischen CAD-Modell“ an, sondern bei Ihrer konkreten Funktion: Welche Kräfte, Steifigkeitsanforderungen, Temperaturfelder und Schnittstellen muss das Bauteil im Werkzeug- oder Formenbau tatsächlich abdecken?

In einem ersten Schritt klären wir gemeinsam die Bauteil- und Funktionsauswahl. Nicht jedes Teil lohnt sich für Leichtbau per SLM. Sinnvoll sind typischerweise Formkerne, Einsätze, Träger- und Spannstrukturen, bei denen Masse, thermische Trägheit oder dynamische Belastungen eine Rolle spielen. Wir erfassen die relevanten Lastfälle (z. B. Werkzeugschließkraft, Einspritzdruck, Biegemomente bei Kernzügen), die zulässigen Durchbiegungen, Sicherheitsfaktoren, verfügbaren Einbauraum und die späteren Nachbearbeitungsflächen. Daraus entsteht ein belastbares Anforderungsprofil für die Optimierung.

Darauf aufbauend definieren wir den Designraum für die Topologieoptimierung: Welche Volumenbereiche dürfen „ausgehöhlt“ werden, wo müssen Lager- und Dichtflächen zwingend erhalten bleiben, wo verlaufen Kühlkanäle, Heißkanäle oder Verschraubungen? Gleichzeitig werden SLM-spezifische Einschränkungen wie minimale Wandstärken, zulässige Überhänge, maximale Spannweiten von Stegen und mögliche Stützstrukturbereiche als Fertigungsrestriktionen im Optimierungsmodell hinterlegt. Auf diese Weise entstehen Optimierungsergebnisse, die nicht nur rechnerisch funktionieren, sondern auch realistisch druckbar und nachbearbeitbar sind.

Typischer Ablauf unserer Unterstützung

Aus diesen Bausteinen leiten wir einen standardisierten, aber an Ihr Projekt anpassbaren Ablauf ab:

• Definition von Anforderungsprofil, Designraum und Sperrvolumina (Dicht- und Funktionsflächen, Schnittstellen, Kühlkanäle)
• Aufbau des FE-Modells mit relevanten Lastfällen und Randbedingungen, Festlegung der Optimierungsziele (Masse-, Steifigkeits-, Eigenfrequenz- oder Spannungsoptimierung)
• Durchführung der Topologieoptimierung und Bewertung der Ergebnisse mit Blick auf SLM-Fertigung, Werkzeugmontage und Nachbearbeitung
• Überführung der Optimierungsergebnisse in eine geglättete, SLM-gerechte CAD-Geometrie mit definierten Gitterstrukturen oder Rippen
• Validierung per Simulation (Struktur, gegebenenfalls Thermik) und Ableitung einer belastbaren Fertigungs- und Prüfstrategie

Ein kritischer Punkt ist die Interpretation der Optimierungsergebnisse. Die Rohgeometrie aus der Software ist üblicherweise nicht direkt als Formeinsatz nutzbar. Wir übersetzen die „Materialwolke“ in eine technisch saubere Struktur: definierte Rippen, Lastpfade, Übergangsradius, Anschlussflächen. Gleichzeitig werden Flächen für Fräsen, Schleifen, Polieren und das Einbringen von Passungen sauber herausgearbeitet. Ziel ist ein Bauteil, das die Vorteile des SLM-Leichtbaus nutzt, aber im Werkzeugaufbau wie ein normaler Formeinsatz behandelt werden kann.

Parallel zur Strukturoptimierung betrachten wir die thermischen und prozessseitigen Aspekte. In vielen Fällen wird der Leichtbau-Kern mit konturnaher Kühlung kombiniert. Dann koppeln wir die Topologieoptimierung mit einer sinnvollen Führung der Kühlkanäle: Der Designraum wird so begrenzt, dass die Kanäle in mechanisch günstigen Zonen liegen, Mindestabstände zur Kavität und zu hoch belasteten Stegen eingehalten werden und gleichzeitig Strömung und Entlüftung des Kühlkreislaufs funktionieren. Auf Wunsch hinterlegen wir einfache thermische Randbedingungen im FE-Modell, um die Steifigkeit nicht auf Kosten unzulässiger Temperaturgradienten zu maximieren.

Für die Umsetzung in die Serie unterstützen wir bei der Standardisierung der Leichtbauprinzipien. Statt jedes Bauteil „einmalig schön“ zu optimieren, definieren wir wiederverwendbare Module: typische Rippenfelder, Hohlraum- und Gitterstruktur-Konzepte, Standardanbindungen an Grundplatten, Richtlinien für zulässige Materialreduktionen. Diese Konzepte werden mit Ihren internen Normteilen, Spannmitteln und Nachbearbeitungsprozessen abgeglichen, damit der Leichtbau nicht zu einem „Exoten“ in der Fertigung wird, sondern sich sauber in bestehende Abläufe einfügt.

Ein Mikro-Case aus einem Etagenwerkzeug macht das greifbar: Für einen großen, bisher massiv ausgeführten Mittelkern mit deutlich spürbarer Durchbiegung bei hoher Schließkraft wurde gemeinsam ein Leichtbau-Konzept erarbeitet. Nach Aufnahme der Lastfälle und Randbedingungen wurde der Kern in eine Schalen-Rippen-Struktur mit internen Hohlräumen überführt, der Designraum um die konturnahe Kühlung herum definiert und per Topologieoptimierung optimiert. Das Ergebnis: rund 35 Prozent weniger Masse, geringere Durchbiegung bei gleicher Last und schnelleres thermisches Einschwingen des Werkzeugs – bei einem CAD-Modell, das sich mit der bestehenden 5-Achs-Bearbeitung und den üblichen Spannkonzepten nachbearbeiten ließ.

Abschließend liefern wir nicht nur Geometrie, sondern auch Entscheidungsgrundlagen: Vergleich von Materialeinsatz, Bauzeit, Nachbearbeitungsaufwand und erwarteter Nutzen (Zykluszeit, Energiebedarf, Standzeit, Dynamik) gegenüber der Ausgangsgeometrie. So können Sie intern gegenüber Projektleitung, Fertigungsleitung oder Endkunden begründen, warum ein topologieoptimierter SLM-Einsatz wirtschaftlich und technisch sinnvoll ist – und wo der Einsatz dieser Methodik bewusst nicht verfolgt wird, weil die Vorteile zu gering sind.

25. Welche minimalen und maximalen Wandstärken, Bohrungsdurchmesser und Kanäle sind aus Ihrer Erfahrung prozesssicher realisierbar?

Für SLM im Werkzeug- und Formenbau ist der Unterschied zwischen „theoretisch machbar“ und prozesssicher entscheidend. Einzelteile mit sehr filigranen Strukturen lassen sich durchaus erzeugen, fallen aber beim ersten Reinigungszyklus oder bei realer Druckbelastung durch. Die folgenden Werte beziehen sich daher auf typische Werkzeugstähle (zum Beispiel 1.2709, heißarbeitsgeeignete Stähle) und auf Bauteile, die im Spritzgießbetrieb dauerhaft funktionieren sollen – nicht nur im Showroom.

Bei freien, nicht drucktragenden Wänden sind minimale Wandstärken von etwa 0,4 bis 0,6 Millimetern lokal oftmals druckbar, etwa bei kleinen Rippen oder Logos. Prozesssicher für Formeinsätze und Last tragende Bereiche hat sich jedoch ein Bereich von ≥ 1,0 Millimetern etabliert, bei größeren Bauteilhöhen eher 1,5 Millimeter und mehr. Als grobe Orientierung kann man für freistehende Rippen ein Schlankheitsverhältnis Höhe zu Dicke von maximal 8:1 bis 10:1 ansetzen; darüber steigt das Risiko von Verzug und lokalen Ausbrüchen deutlich.

Auf der anderen Seite sind sehr große, massive Querschnitte aus SLM zwar herstellbar, aber thermisch ungünstig. Solide Wanddicken oder Blockbereiche oberhalb von etwa 25–30 Millimetern neigen zu erhöhten Eigenspannungen, inneren Defekten und längeren Bauzeiten. In der Praxis werden solche Bereiche meist durch Hohlräume, Rippen und interne Entlastungsstrukturen „aufgebrochen“, sodass effektiv Wanddicken im Bereich von 5–15 Millimetern verbleiben, die sich thermisch besser beherrschen lassen. Für Werkzeugaufnahmen und Grundkörper wird häufig ein hybrider Aufbau gewählt: SLM im funktionsnahen Bereich, konventionell gefräster Block als Träger.

Bei Bohrungen und Kanälen ist zwischen der reinen Druckbarkeit und der späteren Nutzbarkeit zu unterscheiden. Senkrechte Bohrungen in Baubrichtung lassen sich ab Durchmessern von etwa 0,8–1,0 Millimetern technisch realisieren, allerdings ist dann die Pulverentfernung schon kritisch. Für funktionale Kanäle, die dauerhaft mit Wasser oder Öl durchströmt werden, hat sich im Werkzeugbau ein prozesssicherer Mindestdurchmesser von 2,5–3,0 Millimetern etabliert. Darunter steigt das Risiko, dass Pulverreste im Kanal verbleiben oder sich während der Werkzeuglebensdauer Ablagerungen bilden, die kaum noch zu reinigen sind.

Deutlich kritischer sind horizontale oder flach geneigte Kanäle, die ohne Stützstrukturen gebaut werden sollen. Hier wirkt die Oberseite des Kanals als Brückung; bei zu kleinen Durchmessern oder zu großen Spannweiten können sich Einschnürungen und Anbackungen bilden. Für vollständig geschlossene, horizontale Kühlkanäle in Werkzeugstählen sind Durchmesser von ≥ 3 Millimetern, besser 3,5–4 Millimeter, in Kombination mit moderaten Längen deutlich robuster. Dabei sollte das Verhältnis von Kanallänge zu Durchmesser (für eine Strecke ohne Zugang zur Reinigung) im Bereich von höchstens etwa 8:1 bis 10:1 liegen, sofern keine zusätzlichen Reinigungsöffnungen vorgesehen sind.

Richtwerte im Überblick

In Summe ergeben sich für prozesssichere SLM-Auslegung im Werkzeugbau – mit Blick auf belastete Einsätze und Kühlkanäle – typischerweise folgende Größenordnungen:

• freie, nicht drucktragende Wände: druckbar ab etwa 0,4–0,6 mm; prozesssicher für Formeinsätze ab ≥ 1,0–1,5 mm
• massive Bereiche: solide Querschnitte bis etwa 25–30 mm, darüber hinaus besser Hohlräume und Rippen zur Massereduktion vorsehen
• senkrechte Bohrungen/Kanäle: technisch ab etwa 0,8–1,0 mm, sinnvoll nutzbar ab ≥ 2,5–3,0 mm
• horizontale oder schwach geneigte Kanäle: prozesssicher ≥ 3,0–3,5 mm, kombiniert mit begrenzter freier Spannweite
• druckbelastete Kühlkanäle im Werkzeugbau (Wasser, Öl): typischer Betriebsbereich 3–6 mm, Wandabstand zur Kavität in der Regel ≥ 2,0–3,0 mm

Für konturnahe Kühlung werden oft Kanaldurchmesser im Bereich von 3 bis 5 Millimetern gewählt, mit einem Wandabstand von etwa zwei bis drei Millimetern zur Kavitätsoberfläche. Damit lässt sich ein guter Kompromiss aus Wärmeübergang, mechanischer Festigkeit und Prozesssicherheit erzielen. Wird der Abstand weiter reduziert oder der Durchmesser verkleinert, nehmen das Risiko von Leckagen, Rissbildung und lokalen Überhitzungen gezielt zu. Auf der anderen Seite verschlechtern größere Abstände den Kühl- und Temperiereffekt merklich.

Bei der Konstruktion von Kanälen ist zudem die Reinigbarkeit zu berücksichtigen. Lange, stark gekrümmte Kanäle mit mehreren Richtungswechseln sind zwar ein Showcase für SLM, in der Praxis aber schwer zu spülen und zu entkalken. Hier helfen zusätzliche Revisionsbohrungen oder „Bypass“-Anschlüsse, die nach dem Bau aufgebohrt und mit Stopfen oder Verschraubungen verschlossen werden. Diese zusätzlichen Öffnungen sollten so dimensioniert sein, dass mechanische Bürsten oder Reinigungsdüsen mit sicherem Abstand zur Kanalwand geführt werden können.

Ein Praxisbeispiel aus der Medizintechnik zeigt die Wirkung dieser Grenzen: In einem Werkzeug für ein filigranes Gehäuse wurden zunächst konturnahe Kanäle mit Durchmessern von 2,0 Millimetern und sehr geringen Wandabständen konstruiert. Die ersten SLM-Einsätze zeigten trotz optisch geschlossener Oberflächen wiederholt Leckagen im Drucktest und ließen sich nur schwer von Pulverresten befreien. Nach einer Überarbeitung mit 3,5-Millimeter-Kanälen, erhöhtem Wandabstand und zusätzlichen Reinigungsbohrungen war der Prozess stabil; die Kühlleistung blieb dennoch deutlich besser als bei konventionell gebohrter Kühlung.

In der Praxis ist es sinnvoll, diese Richtwerte als konservative Basis zu sehen und für besonders kritische Anwendungen (hohe Drücke, Sicherheitsfunktionen) zusätzliche Sicherheitsreserven einzuplanen. Wo die Geometrie stärker ausgereizt werden muss, empfiehlt sich ein gestuftes Vorgehen mit Versuchseinsätzen, gründlicher Bemusterung und gegebenenfalls zerstörungsfreier Prüfung. Auf diese Weise lassen sich die für Ihren Maschinenpark spezifischen Grenzbereiche schrittweise ausloten, ohne die Prozesssicherheit in der Serie zu gefährden.

26. Welche Bauteilgrößen können Sie mit Ihrem SLM-Anlagenpark tatsächlich fertigen (Bauraum, maximale Stückzahl pro Baujob)?

Für die Auslegung von SLM-Bauteilen ist weniger die nominelle Maschinenangabe entscheidend als die prozesssicher nutzbare Bauraumzone. Typische Anlagen im Werkzeug- und Formenbau bewegen sich im Bereich von etwa 250 × 250 × 300 Millimetern bis hin zu 300 × 300 × 400 Millimetern Bauraum. Realistisch nutzbar – berücksichtigt man Randabstände, Stützstrukturen und eine sinnvolle Sicherheitszone – sind davon meistens rund 80 bis 90 Prozent in X/Y und 70 bis 80 Prozent in Z. Ein Einsatz, der im CAD schon „bis an die Wand“ dimensioniert ist, ist in der Praxis daher kaum sauber aufbaubar.

Für klassische Formeinsätze und Kerne im Spritzgießwerkzeug bedeutet das: Einzelteile bis etwa 200–230 Millimeter Kantenlänge und 250–300 Millimeter Höhe lassen sich in einem mittelgroßen SLM-System gut handhaben. Größere Bauteile sind prinzipiell möglich, werden aber zunehmend kritisch hinsichtlich Verzug, Bauzeit und Nachbearbeitung. In vielen Fällen wird bei solch großen Komponenten ohnehin ein hybrider Ansatz gewählt – der SLM-Anteil bildet nur den funktionsnahen Bereich mit konturnaher Kühlung, während der großvolumige Trägerblock konventionell gefertigt wird.

Die maximal sinnvolle Stückzahl pro Baujob hängt stark von der Bauteilhöhe und der gewünschten Prozesssicherheit ab. Ein SLM-Baujob mit sehr hohen Bauteilen läuft leicht 30 bis 60 Stunden und länger; wenn Sie dann 30 identische Einsätze im Bauraum stehen haben, ist der wirtschaftliche Schaden bei einem Prozessabbruch entsprechend hoch. In der Praxis werden deshalb gerade bei Serienwerkzeugen oft „Baugruppen“ aus 4, 8 oder 12 Einsätzen in einem Job aufgebaut, obwohl geometrisch mehr hineinpassen würde. So lassen sich mehrere Jobs hintereinander mit vertretbarem Risiko fahren, anstatt alles „auf eine Karte“ zu setzen.

Für kleinere Einsätze, beispielsweise Kerne und Schieber im Bereich 20 × 40 × 80 Millimeter, können durchaus 30, 40 oder mehr Bauteile pro Job sinnvoll verschachtelt werden – vorausgesetzt, Abstände und Stützkonzepte sind sauber geplant. Die limitierenden Faktoren sind dann weniger die Grundfläche, sondern die Bauteilhöhe (Schichtanzahl = Bauzeit) und die thermische Belastung des Pulverbeds. Es ist prozesssicherer, mehrere niedrigere Jobs mit moderater Belegung zu fahren, als den Bauraum bis zur letzten Ecke mit sehr hohen Teilen zu füllen.

Zur Orientierung lassen sich für einen „typischen“ SLM-Anlagenpark im Werkzeugbau – mittlere Bauraumklasse – folgende Richtwerte ansetzen:

• prozesssicher nutzbare Bauraumfläche etwa 200–230 × 200–230 Millimeter im Zentrum
• prozesssichere Bauteilhöhen für Werkzeugeinsätze typischerweise bis etwa 250–300 Millimeter
• Einbau von 4–12 großen Formeinsätzen (Kavitäten/Kerne) pro Job, je nach Höhe
• Einbau von 20–60 kleineren Einsätzen oder Kerneinsätzen pro Job, sofern die Bauhöhe moderat bleibt

Entscheidend ist hierbei, dass die Bauteile nicht nur „planar“ nebeneinander passen, sondern auch Zugänglichkeit für Stützstrukturen, Pulverentfernung und spätere Spannmittel gegeben ist. Ein eng verschachteltes Nest aus 40 Kernen mag geometrisch überzeugen, lässt sich aber möglicherweise schlecht entpulvern oder beschädigt sich gegenseitig beim Abtrennen von der Bauplatte. In der Praxis werden daher Sicherheitsabstände und definierte Trennbereiche eingeplant, die die theoretisch mögliche Stückzahl bewusst reduzieren, dafür aber Prozesssicherheit und Handhabung verbessern.

Ein typischer Fall im Mehrkavitätenwerkzeug: Für ein 32-fach-Werkzeug sollen zunächst acht Kerne als Vorserie bemustert werden. Diese acht Kerne werden in einem Baujob angeordnet, die restlichen Positionen im Bauraum mit Referenzwürfeln, Proben und gegebenenfalls Reservekernen gefüllt. Nach erfolgreicher Bemusterung und eventueller Optimierung werden die restlichen 24 Kerne in zwei weiteren Jobs zu je zwölf Stück gefertigt. So ist sichergestellt, dass ein unerwartetes Problem im ersten Job nicht gleich das komplette Serienlos betrifft, und dennoch wird der Bauraum sinnvoll ausgenutzt.

Für großflächige Bauteile, etwa Grundplatten mit integrierten Kanälen oder tragende Strukturen für Etagenwerkzeuge, stößt man in der Praxis schneller an Grenzen. Bauraumdiagonalen werden thermisch inhomogen, Randbereiche kühlen anders ab als das Zentrum, und die Verformung wird schwerer beherrschbar. Statt eine sehr große Platte monolithisch zu drucken, ist meist die Aufteilung in mehrere Segmente oder ein hybrider Aufbau wirtschaftlich und prozesssicherer. Hier hilft es, schon in der Konstruktion modulare Schnittstellen zu planen, sodass die maximal nutzbaren Bauraummaße nicht ausgereizt werden müssen.

In der Summe lässt sich sagen: Wichtiger als die nominellen 3D-Maße der Maschine ist die Fähigkeit, innerhalb dieser Grenzen robuste und wiederholbare Baujobs zu planen. Wenn Sie mit SLM in die Serienfertigung einsteigen oder Ihren Bestand ausbauen möchten, lohnt es sich, zunächst einige Referenzbauteile in unterschiedlicher Größe und Stückzahl zu definieren. Anhand dieser „Musterjobs“ entsteht schnell ein Gefühl dafür, welche Bauteilgrößen und Stückzahlen in Ihrem Umfeld wirklich prozesssicher und wirtschaftlich sind – und ab wann ein weiteres Aufskalieren des Baujobs mehr Risiko als Nutzen bringt.

27. Mit welchen Lieferzeiten müssen wir für Prototypen, Kleinserie und Serienfertigung im SLM rechnen?

Die Lieferzeit im SLM ergibt sich im Werkzeug- und Formenbau im Wesentlichen aus drei Blöcken: Datenaufbereitung und Freigabe, eigentlicher Baujob mit Wärmebehandlung sowie Nachbearbeitung und Prüfung. Die reine Laserbelichtungszeit ist dabei nur ein Teil der Wahrheit. Bauhöhe, Bauteilanzahl im Job, gewählte Werkstoff- und Nachbehandlungskette (Spannungsarmglühen, HIP, Härten) und der Umfang an Fräs-, Schleif- und Polierarbeiten bestimmen, ob ein Teil in wenigen Tagen oder erst nach mehreren Wochen einsatzbereit im Werkzeug steht.

Für die Prototypenfertigung von einzelnen Formeinsätzen oder Funktionsmustern ohne aufwendige Qualifizierung sind unter praxisnahen Bedingungen Lieferzeiten im Bereich einer guten Arbeitswoche realistisch, wenn Daten und Anforderungen sauber vorliegen. Typischer Ablauf ist dann: Datencheck und gegebenenfalls kleinere Design-for-SLM-Anpassungen, Einplanung in den Bauplan, Baujob über ein bis zwei Tage, spannungsarm glühen, grobes Entpulvern und Entfernen der Stützstrukturen, einfache spanende Bearbeitung und Maßkontrolle. Sobald HIP, umfangreiche Politur oder CT-Prüfung hinzukommen, verschiebt sich die Durchlaufzeit eher in Richtung zehn bis 15 Arbeitstage.

Bei der Kleinserie – typischerweise einige wenige bis einige Dutzend identische Einsätze oder Bauteile – ist der Engpass oft nicht die Datenaufbereitung, sondern die Summe aus Bauzeit und nachgelagerter Bearbeitungskapazität. Ein Baujob mit 10–20 mittelgroßen Kernen kann je nach Bauhöhe 30 bis 60 Stunden reine Maschinenzeit beanspruchen, hinzu kommen Wärmebehandlung, Entpulvern und Grobfinish. Wenn diese Bauteile zusätzlich auf einer voll ausgelasteten 5-Achs-Maschine und in der Politur laufen müssen, sollten Sie in der Praxis eher mit zwei bis vier Wochen rechnen, bis eine Kleinserie vollständig bemustert und freigegeben ist.

Für die Serienfertigung von SLM-Bauteilen, insbesondere für Serienwerkzeuge im Kunststoffspritzguss, spielt zusätzlich die Prozessqualifizierung hinein. Bevor ein Serienlos freigegeben wird, steht häufig ein initialer Qualifikationslauf mit Referenzbauteilen, mitgedruckten Probenkörpern, Zugversuchen und gegebenenfalls CT- oder Röntgenprüfung an. Dieser Schritt kostet einmalig mehrere Wochen Kalenderzeit, beeinflusst aber nicht jede spätere Bestellung. Wenn diese Basis geschaffen ist und ein reproduzierbarer Parameter- und Prüfstand definiert wurde, liegen typische Lieferzeiten für Serienlose – etwa 20 bis 60 identische Einsätze – im Bereich von vier bis sechs Wochen vom Abruf bis zur lieferfähigen Ware.

Ein wichtiger Einflussfaktor ist der Grad der notwendigen Nachbearbeitung. Einsätze, die nur funktionale Kühlgeometrien im Inneren und moderate Anforderungen an die Kavitätsoberfläche haben, sind nach HSC-Fräsen, Spannungsarmglühen und Schleifen deutlich schneller durch die Fertigung geschoben als hochglanzpolierte Sichtteile. Sobald Hochglanzpolitur, aufwendige Texturen, gehärtete und beschichtete Flächen oder HIP mit definierter Maßkette gefordert sind, verschiebt sich die Lieferzeit systematisch nach oben. In der Planung bedeutet das: Jede zusätzliche Prozessstufe – gleich ob HIP, Härten, Polieren oder CT – darf grob jeweils mit mehreren zusätzlichen Kalendertagen bewertet werden.

Organisatorisch ist entscheidend, ob Sie einmalige Einzelaufträge platzieren oder über Rahmenabsprachen und wiederkehrende Bauteilfamilien arbeiten. Wenn Geometrien, Werkstoffe und Prüfpläne bekannt sind, der Lieferant seine Baujobs antizipativ planen und regelmäßig Bauteile derselben Familie „mitlaufen“ lassen kann, sinken die Lieferzeiten spürbar. Gerade für Ersatzteile und Austausch-Einsätze in Serienwerkzeugen lohnt es sich, definierte Serienwerkzeuge-Konzepte aufzusetzen, bei denen Daten- und Prozessstände eingefroren sind und die Bauteile ohne erneute Grunddiskussion über Design und Prüfkonzept abgerufen werden können.

Ein typischer Mikro-Case aus der Automobilzulieferindustrie zeigt die Spannbreite: Für ein neues 16-fach-Steckverbinderwerkzeug wurden zunächst zwei SLM-Kerne als technische Prototypen beauftragt, ohne HIP, mit einfacher HSC-Bearbeitung der Kavität und begrenzter Messdokumentation; die Lieferzeit lag bei rund sieben Arbeitstagen. In der folgenden Kleinserie von 16 Kernen, nun mit Spannungsarmglühen, HIP, definierter Fräs- und Schleifbearbeitung sowie umfangreicher Maßprüfung, bewegte sich die Durchlaufzeit bei etwa vier Wochen. Nachdem der Prozess qualifiziert war, konnten spätere Nachbestellungen von Ersatzkernen im Rahmen eines Serienabrufs in circa drei Wochen umgesetzt werden, weil Baujob-Setups, Vorrichtungen und Prüfpläne bereits vorlagen.

Für Ihre Terminplanung im Werkzeugbau bedeutet das: SLM ist deutlich schneller und flexibler als viele konventionelle Beschaffungswege für Sonder-Einsätze, aber kein „Overnight-Prozess“, sobald vollständige Prozessketten mit Wärmebehandlung, Nachbearbeitung und Qualitätssicherung gefordert sind. Wenn Prototypen, Kleinserien und Serienlose frühzeitig in der Projektplanung mit realistischen Annahmen hinterlegt werden und der Umfang an Nachbehandlung klar definiert ist, lassen sich SLM-Lieferzeiten zuverlässig in Meilensteinpläne einbinden und Engpässe im Werkzeugneubau oder bei Ersatzteilen deutlich reduzieren.

28. Ab welchen Stückzahlen wird ein konventionelles Verfahren (z. B. Fräsen oder Guss) wirtschaftlicher als SLM?

Eine harte, universelle Stückzahlgrenze gibt es für SLM nicht, weil die Wirtschaftlichkeit stark von Bauteilgeometrie, Werkstoff, Qualitätsanforderungen und dem Anteil an Nachbearbeitung abhängt. Grundsätzlich ist SLM ein Verfahren mit hohen Fixkosten pro Baujob und relativ flachen Stückkosten innerhalb dieses Jobs, während Fräsen und insbesondere Guss von Werkzeug- bzw. Rüstkosten und danach deutlich niedrigeren Einzelteilkosten geprägt sind. Man muss daher immer unterscheiden: Endbauteil direkt aus SLM versus konventionell gefertigtes Bauteil, und SLM-Formeinsatz im Spritzgießwerkzeug versus konventioneller Einsatz.

Für einfache, kompakte Geometrien (prismatische Blöcke, wenige Bearbeitungsseiten, keine innenliegenden Kanäle) ist Fräsen fast immer ab sehr kleinen Stückzahlen wirtschaftlicher. Hier liegen die Rüstzeiten niedrig, Werkzeuge sind Standard, und man erreicht mit einem Hartfräsprozess gute Oberflächen und Maßhaltigkeiten. In dieser Bauteilkategorie schlägt Fräsen SLM oft bereits ab einstelligen Stückzahlen, also ab etwa 1–5 Teilen. SLM macht dort nur Sinn, wenn zusätzliche Anforderungen ins Spiel kommen – zum Beispiel extrem kurze Lieferzeit bei gleichzeitig ausgelasteter Zerspanung oder wenn das Bauteil ohnehin später konstruktiv Richtung SLM weiterentwickelt werden soll.

Interessanter wird der Vergleich bei Bauteilen mit komplexen Innengeometrien, etwa verzweigten Kanälen, Funktionsintegration oder Leichtbau-Strukturen. Konventionelle Fertigung benötigt dann mehrere Aufspannungen, Bohr- und Erodieroperationen oder sogar geschweißte und gelötete Baugruppen. In diesem Feld ist SLM bei Stückzahlen von etwa 1–20 Teilen häufig im Vorteil, weil die Konstruktions- und Bearbeitungskomplexität nicht zusätzlich „bestraft“ wird. Sobald sich aber eine stabile Geometrie abzeichnet und Stückzahlen in den Bereich von einigen Dutzend bis niedrigen Hunderten gehen, lohnt es sich, Varianten mit konventionell gefertigten Baugruppen (gebohrte Kühlplatten, Hartgelötete Kanäle, gefräste Funktionsblöcke) zumindest durchzurechnen.

Beim Vergleich SLM gegen Guss (Kokillenguss, Feinguss, Druckguss) verschieben sich die Grenzen deutlich nach oben, weil die Gusswerkzeuge erhebliche Investitionen darstellen. SLM ist hier typischerweise wirtschaftlich, solange der Werkzeugbau für den Guss noch nicht amortisiert ist und die Geometrie noch unter Entwicklungsdruck steht. Für einfache Gussteile kann der Break-even gegenüber SLM je nach Prozess bereits im Bereich von einigen hundert Teilen liegen, bei sehr komplexen oder hoch tolerierten Geometrien auch erst im Bereich von einigen tausend Einheiten. Entscheidend sind die Werkzeugkosten für Guss, die verteilter werden müssen, und die Frage, ob Änderungen am Bauteil in den ersten Losen wahrscheinlich sind – jede Änderung kostet im Guss wieder Werkzeuggeld, während SLM nur ein angepasstes Baufile benötigt.

Im Werkzeug- und Formenbau kommt ein zweiter Effekt hinzu: SLM wird häufig nicht für das Endbauteil genutzt, sondern für den Formeinsatz oder Kern, der wiederum Millionen Spritzgussteile produziert. Die Wirtschaftlichkeit wird hier nicht primär über die Einstandskosten des Einsatzes entschieden, sondern über die Einsparungen durch kürzere Zykluszeiten oder bessere Formteilqualität. Ein SLM-Einsatz mit konturnaher Kühlung kann leicht 20–30 Prozent Zykluszeit einsparen. Bei einem 16-fach-Werkzeug mit 15 Sekunden Zykluszeit und Maschinenstundensatz von beispielsweise 80 Euro summiert sich das sehr schnell: Eine Reduktion um 3 Sekunden entspricht einer Steigerung der Ausbringung um rund 20 Prozent und damit einer erheblichen Einsparung an Maschinzeit über den Lebenszyklus.

In einem typischen Mikro-Case: Ein konventionell gefräster Einsatz kostet 5 000 Euro, der SLM-Einsatz mit konturnaher Kühlung 8 000 Euro. Die SLM-Variante spart 2 Sekunden pro Schuss bei einem 8-fach-Werkzeug, Maschinenstundensatz 70 Euro, Zykluszeit alt 16 Sekunden, neu 14 Sekunden. Über 100 000 Schuss ergibt das eine Zeiteinsparung von gut 55 Maschinenstunden, also etwa 3 850 Euro. Der Mehrpreis des SLM-Einsatzes wäre nach knapp über 200 000 Schuss vollständig kompensiert, danach erzeugt jeder weitere Schuss einen echten Kostenvorteil. In diesem Szenario liegt der „wirtschaftliche Break-even“ nicht bei einer starren Stückzahl, sondern bei der Kombination aus Mehrpreis des Einsatzes, eingesparter Sekundenanzahl und Stundensatz – und kann je nach Randbedingungen im Bereich von 50 000 bis 300 000 Schuss liegen.

Für Endbauteile ohne Spritzgießwerkzeug – also klassische SLM-Serienbauteile – zeigt sich in der Praxis ein anderes Bild. Sobald Geometrien für eine konventionelle Fertigung ausreichend gut standardisiert sind, werden Fräsen, Drehen, Stanzen oder Guss mit zunehmender Stückzahl schnell günstiger. SLM bleibt hier eine Technologie für Prototypen, Vorserien und kleine Serien mit hoher Variantenvielfalt. Für komplexe Metallbauteile mit innenliegenden Kanälen oder Funktionsintegration lässt sich grob sagen: Bis in den unteren zweistelligen Bereich (1–20 Stück) hat SLM meist deutliche Kostenvorteile, im Bereich von 20–100 Stück hängt es sehr stark von Geometrie und Material ab, und bei Stückzahlen im Bereich einiger Hundert Teile wird konventionell – inklusive einer gewissen Werkzeuginvestition – meist klar wirtschaftlicher.

Wichtig ist, nicht nur Stückzahlen, sondern auch Projektrisiko und Änderungshäufigkeit zu betrachten. Wenn Sie sicher sind, dass ein Bauteil für viele Jahre unverändert in fünf- oder sechsstelligen Stückzahlen laufen wird, lohnt es sich eher, früh in konventionelle Werkzeuge oder Gussformen zu investieren. Wenn dagegen mit mehreren Iterationen, häufigen Varianten oder kundenspezifischen Anpassungen zu rechnen ist, kann SLM auch bei nominell „hohen“ Stückzahlen eine wirtschaftliche Brückenlösung sein, weil Werkzeitanpassungen entfallen und Änderungen durch reine Datenanpassung abgebildet werden.

Für eine belastbare Entscheidung führt in der Praxis kein Weg an einem konkreten Kostenmodell vorbei: Stückbezogene Kosten für SLM (inklusive Nachbearbeitung, Wärmebehandlung und Prüfungen) werden den Stückkosten der konventionellen Alternativen gegenübergestellt, inklusive anteiliger Werkzeugkosten und der Effekte aus Zykluszeit, Ausschuss und Lebensdauer. In vielen Unternehmen werden für 2–3 typische Bauteilkategorien (einfach, mittel, komplex) solche Vergleichsrechnungen einmal sauber aufgesetzt und dann als Richtlinie genutzt, um künftige Projekte schneller einzuordnen. Damit wird aus der abstrakten Frage „Ab welcher Stückzahl lohnt sich SLM?“ eine konkrete, projektspezifische Entscheidungsregel.

29. Wie setzt sich der Preis eines SLM-Bauteils zusammen und welche Stellhebel haben wir, um die Kosten zu reduzieren (Geometrie, Material, Stückzahl)?

Der Preis eines SLM-Bauteils wird im Kern von vier Blöcken bestimmt: Datenaufbereitung, Bauzeit auf der Maschine, Nachbehandlung samt spanender Bearbeitung und Qualitätssicherung. Materialkosten spielen eine Rolle, sind bei typischen Werkzeugstählen aber selten der dominante Anteil. In der Praxis bildet der Dienstleister diese Elemente meist als Kombination aus Einrichtpauschale, Maschinenstundensatz für den Baujob, Aufwandssätzen für Nachbearbeitung sowie Zuschlägen für Wärmebehandlung, HIP und Prüfungen ab.

Die Datenaufbereitung umfasst CAD-Prüfung, eventuelle Design-for-SLM-Anpassungen, Ausrichtung im Bauraum, Support-Generierung und Aufbereitung der Belichtungsdaten. Dieser Aufwand schlägt bei Einzelteilen stark zu Buche, verteilt sich bei wiederkehrenden Serien über viele Stücke und relativiert sich dann. Ein wichtiger Hebel ist daher, Bauteile so zu standardisieren, dass die einmal erstellten Setups wiederverwendbar sind und nicht für jede Variante ein vollständiger neuer Datenaufbereitungsprozess nötig wird.

Kostenseitig am stärksten wirkt die Bauzeit auf der SLM-Anlage, die im Wesentlichen von der Bauteilhöhe in Z-Richtung, der belegten Fläche und der Schichtdicke abhängt. Jede zusätzliche Schicht kostet gleich viel Laserzeit, unabhängig davon, ob oben eine Volumenfläche oder nur feinere Konturen belichtet werden. Ein Bauteil mit gleicher Grundfläche, aber doppelter Höhe ist damit grob gerechnet etwa doppelt so teuer in der reinen Maschinenzeit. Geometrien, die hoch und schlank sind oder unnötig „in die Höhe wachsen“, treiben die Kostenseite deutlich stärker als etwas zusätzliche Grundfläche.

Hinzu kommt der Einfluss der Stützstrukturen: Wo starke Überhänge oder massive Auskragungen entstehen, müssen Stützen gebaut werden, die ebenfalls Bauzeit und Material verbrauchen und anschließend entfernt werden müssen. Eine Geometrie, die mit moderaten Neigungswinkeln und konstruktiv integrierten Auflageflächen auskommt, reduziert sowohl die Laserzeit als auch den Entstütz- und Schleifaufwand. In vielen Projekten zeigt sich, dass eine leicht modifizierte Kantenführung oder eine veränderte Bauteilorientierung im Bauraum mehrere Stunden Maschinenzeit einsparen kann, ohne die Funktion im Werkzeug zu verschlechtern.

Der dritte große Block sind die Nachbearbeitungskosten. Entpulvern, Abtrennen von der Bauplatte, grobes Fräsen, HSC-Bearbeitung der Kavität, Schleifen der Pass- und Dichtflächen, Polieren sowie Wärmebehandlungen wie Spannungsarmglühen, Härten oder HIP summieren sich schnell. Jede zusätzliche hochpräzise Fläche, jede geforderte Hochglanzpolitur und jede weitere Prozessstufe erhöht den Gesamtpreis. Aus wirtschaftlicher Sicht lohnt es sich daher, sehr bewusst zu entscheiden, welche Flächen wirklich die höchste Güte benötigen und welche in einem „technisch sauberen“, aber weniger aufwendigen Finish ausreichend sind.

Materialkosten sind bei gängigen SLM-Werkzeugstählen nicht zu vernachlässigen, dominieren aber selten den Gesamtpreis, solange sich der Bauteilquerschnitt im üblichen Rahmen bewegt. Exotische Legierungen oder sehr dichte Sonderwerkstoffe schlagen hier stärker zu Buche. Ein schlankes, volumenoptimiertes Design senkt die Pulvermenge und damit die Kosten, hat aber vor allem den Vorteil kürzerer Bauzeiten und geringerer Eigenspannungen. Der größere Hebel liegt deshalb nicht im „Billigstahl“, sondern in einer durchdachten Massenoptimierung bei gleichzeitig fertigungsgerechter Auslegung.

Über die Stückzahl betrachtet, verschieben sich die Kostentreiber. Beim Einzelteil dominieren Einrichtaufwand und einmalige Datenaufbereitung; bei der Kleinserie werden Maschinenzeit und Nachbearbeitung für jedes Teil maßgeblich; in der Serie beginnt sich der Aufwand für Qualifizierung, Prüfpläne und Vorrichtungen über viele Teile zu verteilen. Wer früh definiert, welche Bauteile langfristig wiederholt benötigt werden, kann Setups, Prüfpläne und Vorrichtungen so auslegen, dass der effektive Stückpreis bei jeder weiteren Bestellung sinkt, weil kaum noch Engineering-Aufwand anfällt.

Geometrisch lassen sich Kosten vor allem durch Reduktion der Bauteilhöhe, Minimierung von Stützstrukturen und Begrenzung hochpräziser Flächen senken. Wenn kritische Kavitätsbereiche durch modulare Einsätze abgebildet werden, während weniger anspruchsvolle Volumenbereiche konventionell gefertigt werden, konzentriert sich die SLM-Fertigung auf den Bereich mit dem größten Nutzen pro Minute Bauzeit. Ebenso hilft es, Schnittstellen, Passungen und Spannflächen möglichst einfach und mit klaren Bearbeitungszugaben zu gestalten, damit die spanende Nachbearbeitung effizient bleibt und auf Standardvorrichtungen zurückgreifen kann.

Auch bei der Materialwahl gibt es feinere Stellhebel: Der Einsatz eines bewährten SLM-Werkstoffs mit bekannten Prozessparametern, Standard-Wärmebehandlung und vorhandenen Erfahrungswerten zu Verzug und Härteverlauf ist in der Regel deutlich günstiger als ein exotischer Werkstoff, für den erst Prozessfenster, Wärmebehandlung und Prüfstrategie erarbeitet werden müssen. Für viele Anwendungen im Spritzguss-Werkzeugbau reicht ein gut eingefahrener maragingartiger Stahl oder ein heißarbeitsfester Werkzeugstahl aus, ohne in pulvermetallurgische Spezialstähle ausweichen zu müssen.

Ein praxisnahes Beispiel: Zwei alternative Formkern-Designs für ein Mehrkavitätenwerkzeug werden verglichen. Variante A nutzt den Bauraum fast vollständig aus, ist sehr hoch, benötigt umfangreiche Stützstrukturen und verlangt auf nahezu allen Außenflächen Schleifen und Polieren. Variante B reduziert die Höhe um 20 Prozent, integriert Auflageflächen für die Stützen, beschränkt hochglanzpolierte Bereiche konsequent auf die Sichtflächen und nutzt einen Standard-SLM-Stahl. In der Kalkulation zeigt sich, dass Variante B die Maschinenzeit um rund ein Drittel und die Nachbearbeitungsstunden deutlich reduziert – bei gleicher Funktion im Werkzeug und identischer Bauteilgeometrie im Kunststoff.

Damit wird deutlich: Der Preis eines SLM-Bauteils ist weit mehr als ein Kilopreis für Pulver oder ein abstrakter „Stundensatz“. Die entscheidenden Stellhebel liegen in einer prozessgerechten Geometrie, die Bauzeit, Stützstrukturen und Nachbearbeitung im Blick hat, in der Wahl eines standardisierten Werkstoff- und Nachbehandlungskonzepts und in einer bewussten Planung der Stückzahlen über den Lebenszyklus. Wer diese Parameter früh im Projekt fixiert, kann SLM nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich gezielt einsetzen.

30. Welche metallischen Werkstoffe haben Sie bereits qualifiziert, und können Sie auch kundenspezifische Legierungen für uns einführen?

Wenn von „qualifizierten“ Werkstoffen gesprochen wird, geht es im SLM nicht nur um verfügbares Pulver, sondern um einen durchgetesteten Prozess-Werkstoff-Datensatz: definierte Belichtungsparameter, Wärmebehandlung, mechanische Kennwerte, Verzugverhalten und Oberflächenreaktion im Werkzeugbetrieb. Für den Werkzeug- und Formenbau stehen dabei in der Regel hochfeste Werkzeugstähle im Fokus, ergänzt um korrosionsbeständige Stähle sowie vereinzelt Aluminium- und Nickellegierungen für spezielle Anwendungen.

In vielen Anlagenparks sind mehrere Werkstofffamilien produktiv eingeführt. Typisch – und für Spritzgießwerkzeuge besonders relevant – sind maragingartige Werkzeugstähle (oft 1.2709 oder vergleichbare Qualitäten), heißarbeitsfeste Stähle mit Nähe zu 1.2343/1.2344 sowie korrosionsbeständige Stähle im Bereich 17-4PH oder austenitischer Qualitäten. Ergänzt werden diese je nach Ausrichtung des Betriebs durch rostfreie Stähle für Medizintechnik, Nickelbasislegierungen für Hochtemperaturanwendungen und Aluminiumlegierungen für Leichtbau- oder Strukturbauteile mit moderaten Lasten.

Typisch qualifizierte Werkstoffgruppen im SLM-Umfeld

• Maraging-/Werkzeugstähle mit hoher Festigkeit und guter Härte-Einstellbarkeit (zum Beispiel 1.2709) für Formeinsätze, Kerne, Schieber
• Heißarbeitsfeste Stähle in Anlehnung an 1.2343/1.2344 für thermisch stark belastete Werkzeuge, faserverstärkte Kunststoffe und hohe Werkzeugtemperaturen
• Korrosionsbeständige Stähle (zum Beispiel 17-4PH, austenitische Edelstähle) für aggressive Kunststoffe, korrosive Kühlmedien und medizintechnische Umgebungen
• weitere Legierungen wie Aluminium- und Nickelbasislegierungen für Leichtbau- und Hochtemperaturbauteile außerhalb des klassischen Spritzgießwerkzeugbaus

Für den Serienwerkzeugbau im Kunststoffspritzguss ist in der Praxis ein maragingartiger Stahl der „Brot-und-Butter“-Werkstoff: hohe Dichte, gute Fräs- und Schleifbarkeit, definierbare Härte im Bereich von 48–54 HRC, gute Polierbarkeit. Heißarbeitsstähle kommen ins Spiel, wenn Werkzeugtemperaturen, Druckbelastungen oder abrasive Füllstoffe (Glasfaser, Mineral) die Grenzwerte des Maraging-Stahls überschreiten. Korrosionsbeständige Stähle werden dort eingesetzt, wo aggressive Kunststoffe, Kondensat oder häufige Reinigungszyklen das Korrosionsrisiko erhöhen oder wo Reinraumtauglichkeit gefordert ist.

„Qualifiziert“ bedeutet dabei: Es liegen belastbare Daten zu Zugfestigkeit, Streckgrenze, Bruchdehnung, Härteverlauf nach Wärmebehandlung, Dichte (Porosität), Maß- und Formstabilität sowie – im Idealfall – Erfahrungen aus realen Werkzeugen vor. Zusätzlich sind für diese Werkstoffe die Prozessketten Spannungsarmglühen, gegebenenfalls HIP, Härten und typische Oberflächenfinishes (HSC-fräsen, Schleifen, Polieren) eingespielt. Das reduziert Projekt­risiken, weil man sich im bekannten Eigenschaftsfenster bewegt.

Die Einführung kundenspezifischer Legierungen ist grundsätzlich möglich, aber stets ein eigenständiges Qualifizierungsprojekt. Wirtschaftlich sinnvoll ist dies vor allem dann, wenn Sie entweder sehr hohe Stückzahlen bzw. viele Werkzeuge mit genau diesem Werkstoff planen oder wenn ein spezielles Eigenschaftsprofil benötigt wird, das mit Standardlegierungen nicht erreichbar ist – etwa außergewöhnlich hohe Warmfestigkeit, besondere Korrosionsbeständigkeit oder ein genau definierter Wärmeleitfähigkeitsbereich. Andernfalls ist die Kombination „Standard-SLM-Werkstoff + gezielte Wärmebehandlung bzw. Beschichtung“ häufig der pragmatischere Weg.

Das Vorgehen bei einer neuen Legierung folgt typischerweise einem mehrstufigen Schema: Zunächst wird die Pulververfügbarkeit geklärt (Körnung, Gasverdüsung, Lieferweg, Qualitätsnachweise), inklusive Fragen zu Arbeitssicherheit und Handling. Danach erfolgt eine Prozessentwicklungsphase mit Testaufbauten: Dichtewürfel, Zugstäbe in verschiedenen Orientierungen, einfache Geometrien mit kritischen Wandstärken und Überhängen. Parallel werden Belichtungsparameter so angepasst, dass eine hohe Dichte bei akzeptabler Baugeschwindigkeit und beherrschbaren Eigenspannungen erreicht wird.

In der anschließenden Qualifizierungsphase werden mechanische und metallographische Prüfungen durchgeführt: Zugversuche, Härtemessungen über den Querschnitt, gegebenenfalls Kerbschlagbiegeversuche, Schliffbilder zur Poren- und Gefügeanalyse. Je nach Bauteilkritikalität kommen CT- oder Röntgenprüfungen hinzu. Aus diesen Ergebnissen entsteht ein Werkstoffdatenblatt für den SLM-Zustand samt empfohlener Wärmebehandlung. Erst wenn diese Basis steht, lässt sich seriös über den Einsatz in sicherheitsrelevanten Werkzeugen oder Hochlastbauteilen sprechen.

Praktisch wichtig: Die erste Serie mit einer kundenspezifischen Legierung ist fast immer teurer und risikobehafteter als ein Bauteil aus einem etablierten SLM-Werkstoff. Der Zusatzaufwand für Parameterentwicklung, Prüfungen, zusätzliche Baujobs mit Probenkörpern und Dokumentation schlägt sich in Engineering-Stunden und Maschinenzeit nieder. Strategisch lohnt sich dieser Schritt vor allem, wenn Sie mittel- bis langfristig mehrere Projekte mit derselben Legierung planen und dadurch die Entwicklungsaufwände über eine größere Bauteilfamilie amortisieren.

Aus Sicht eines Werkzeugbauers empfehle ich daher folgendes Vorgehen: Zuerst prüfen, ob Ihr Eigenschaftsprofil mit einem qualifizierten Standard-SLM-Werkstoff plus angepasster Wärmebehandlung bzw. Beschichtung erreichbar ist. Wenn nicht, die Anforderungen sauber spezifizieren (Härte, Zähigkeit, Korrosionsverhalten, Wärmeleitfähigkeit, Polierbarkeit) und auf dieser Basis eine Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für eine neue Legierung aufsetzen. So bleiben Aufwand, Risiko und Nutzen transparent – und Sie können fundiert entscheiden, ob sich die Einführung einer kundenspezifischen Legierung im Kontext Ihrer geplanten SLM-Strategie trägt.

31. Welche Zertifizierungen und Qualitätsstandards (z. B. Dokumentation der Prozessparameter, Materialchargen) können Sie für SLM-Bauteile bereitstellen?

Für SLM-Bauteile im Werkzeug- und Formenbau ist die Qualitätssicherung nur dann belastbar, wenn das additive Umfeld sauber in ein übergeordnetes QM-System eingebettet ist. In der Praxis bedeutet das: Ein zertifiziertes Qualitätsmanagement nach ISO 9001 als Basis, ergänzt um kundenspezifische Anforderungen aus Automotive, Medizintechnik oder Luft- und Raumfahrt. Darauf aufbauend werden Baujobs, Materialchargen und Prüfungen so dokumentiert, dass sie sich nahtlos in Ihre bestehenden Freigabeprozesse und Audits einfügen.

Im Standardfall kann ein SLM-Anbieter heute eine vollständige Dokumentation der Materialcharge des Pulvers liefern: Chemische Analyse, Sieblinie, Dichte, Gasgehalt sowie die Zuordnung der jeweiligen Pulvercharge zu konkreten Baujobs. Bei Mehrfachverwendung des Pulvers wird zusätzlich der Recyclinggrad bzw. der Anteil Frischpulver dokumentiert. Damit ist nachvollziehbar, mit welchen Pulverbedingungen ein bestimmtes Bauteil gefertigt wurde – eine Voraussetzung, um mechanische Kennwerte und Langzeitverhalten plausibel zuzuordnen.

Auf Baujob-Ebene werden typischerweise detaillierte Prozessparameter und Jobdaten protokolliert: verwendetes Parameter-Set (Schichtdicke, Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Belichtungsstrategie), Baujob-Nummer, Anlagen-ID, Datum, Bauraumbelegung und gegebenenfalls Monitoringdaten (Meltpool-Überwachung, Schichtbilder). Diese Informationen lassen sich einem konkreten Bauteil oder einem Satz von Formeinsätzen eindeutig zuordnen und in einem Prüfbericht referenzieren. Für kritische Anwendungen können Sie damit nachweisen, dass Serienbauteile mit denselben Einstellungen gefertigt wurden wie zuvor qualifizierte Muster.

Ergänzend zur Prozessdokumentation werden Wärmebehandlungs- und HIP-Chargen erfasst. Hierzu gehören Ofenprogramme, Chargen-Nummern, Temperatur-Zeit-Verläufe und gegebenenfalls Härteprüfungen an Probenkörpern oder Bauteilen. In vielen Fällen wird für SLM-Werkstoffe ein Abnahmeprüfzeugnis nach EN 10204 (3.1) für das Bauteil bzw. die Charge bereitgestellt, das die relevanten mechanischen Kennwerte nach der definierten Wärmebehandlung ausweist. Damit können Sie intern so arbeiten, wie Sie es von klassischem Werkzeugstahl mit Werkszeugnis gewohnt sind.

Auf der Prüfseite stehen verschiedene Dokumentationsformen zur Verfügung, die je nach Branche und Kritikalität kombiniert werden: Maßprotokolle (Koordinatenmesstechnik), Rauheitsmessungen, Dichtebestimmung, Zugversuche an mitgedruckten Proben, Röntgen- oder CT-Berichte sowie Berstdruck- und Dichtheitsprüfungen. Für Automotive-ähnliche Anforderungen sind First-Article-Inspection-Reports (FAI) oder Erstmusterprüfberichte nach VDA/PPAP-Struktur üblich, die die SLM-spezifischen Daten (Baujob-Referenz, Materialcharge, Parameter-Set) in die bekannte Dokumentationsform integrieren.

Ein weiterer wichtiger Baustein ist die Rückverfolgbarkeit auf Bauteilebene. Jedes Bauteil bzw. jeder Formeinsatz erhält eine eindeutige Kennzeichnung (Bauteilnummer, Baujobnummer, gegebenenfalls Seriennummer). In der Rückverfolgungsmatrix lassen sich damit Pulvercharge, Baujob, Anlage, Wärmebehandlung, HIP-Chargen, Prüfungen und Freigaben lückenlos verknüpfen. Für den Werkzeugbau bedeutet das: Wenn ein Formeinsatz nach Jahren ersetzt oder analysiert werden muss, ist noch nachvollziehbar, unter welchen Randbedingungen er gefertigt wurde.

Für Branchen mit erhöhten Anforderungen – etwa Medizintechnik oder Luftfahrt – ergänzen sich diese technischen Nachweise mit branchenspezifischen QM-Normen und teilweise mit additiv-spezifischen Standards und Verfahrensanweisungen. Auch wenn im klassischen Werkzeugbau häufig „nur“ ISO 9001 gefordert ist, profitieren Sie von diesen Strukturen, weil Prozessfreigaben, Änderungsmanagement und Prüfplanung deutlich klarer geregelt sind. Typisch sind etwa definierte Requalifikationsintervalle für Parameter-Sets oder Pflicht-CTs bei Designänderungen.

In der Zusammenarbeit mit Werkzeug- und Formenbauern hat sich bewährt, den gewünschten Qualitätsumfang pro Bauteilkategorie fest zu definieren. Für Standard-Einsätze reicht oft ein reduzierter Umfang mit Materialzertifikat, Baujobreport und Maßprotokoll; für hochbelastete, drucktragende Einsätze kommen Dichtheitsprüfung, gegebenenfalls CT-Stichproben und dokumentierte Wärmebehandlungsdaten hinzu; für sicherheitsrelevante Komponenten wird der Dokumentationsumfang auf Zugproben, detaillierte Prüfpläne und erweiterte Rückverfolgbarkeit ausgedehnt. So stimmen Aufwand und Risiko mit dem tatsächlichen Einsatzszenario überein.

Damit lassen sich SLM-Bauteile in Ihrer eigenen Qualitätslandschaft ähnlich „sauber“ führen wie konventionell gefertigte Komponenten. Entscheidend ist, früh im Projekt zu klären, welcher Zertifizierungs- und Dokumentationsumfang für welche Bauteile gefordert ist und wie diese Anforderungen in Prüfplänen, Zeichnungsangaben und Spezifikationen hinterlegt werden. Auf dieser Basis kann der SLM-Dienstleister die passenden Standards und Nachweise bereitstellen – von der einfachen Prozessdokumentation bis zur vollständig rückverfolgbaren, auditfähigen Serienfertigung.

32. Wie werden Stützstrukturen geplant und wieder entfernt – und beeinflusst das zugängliche Bereiche, Toleranzen und Oberflächenqualität?

Stützstrukturen sind im SLM ein funktionales Element des Prozesses, kein lästiger Nebeneffekt. Sie stabilisieren überhängende Bereiche, leiten Wärme in die Bauplatte ab und fixieren das Bauteil gegen Verzug. Gleichzeitig verursachen sie Zusatzaufwand beim Entfernen und beeinflussen lokal die Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit. Im Werkzeugbau entscheidet die Support-Strategie daher wesentlich mit darüber, wie wirtschaftlich und reproduzierbar ein Formeinsatz wird.

Die Planung beginnt bei der Bauraumorientierung. Bereits hier wird festgelegt, welche Flächen überhaupt Stützen benötigen und welche durch geschickte Neigung unter einen tolerierbaren Überhangwinkel gebracht werden können. Typisch wird versucht, formgebende Kavitätsflächen so zu orientieren, dass sie möglichst ohne Stützen aufgebaut werden oder später ohnehin spanend bearbeitet werden. Stützstrukturen werden bevorzugt in Bereiche gelegt, die entweder konstruktiv „versteckt“ sind oder als Bearbeitungszugabe vorgesehen sind, etwa im Fußbereich des Einsatzes oder auf später abzunehmenden Aufmaßflächen.

Planung von Stützstrukturen im Werkzeugbau

In der Praxis kommen verschiedene Supporttypen zum Einsatz, von massiven Blockstützen unter schweren Bereichen bis zu filigranen Gitterstützen an Überhängen. Für Werkzeugstähle sind stabile Stützen wichtig, weil die thermischen Spannungen hoch sind und der Bauraumdruck groß ist. Gleichzeitig muss der Kontaktpunkt zur Bauteiloberfläche so gestaltet werden, dass er sich nach dem Bau mit akzeptablem Aufwand entfernen lässt. Oft werden linien- oder punktförmige Kontaktzonen mit definierter Dicke gewählt, die sich gut abfräsen oder wegschleifen lassen, ohne tief in das Bauteil einzuschneiden.

Die Supportplanung hängt eng mit der späteren Zerspanung zusammen. Wo klar ist, dass Flächen ohnehin mit ein bis zwei Millimetern Aufmaß gefräst werden, dürfen Stützen „aggressiver“ ansetzen. An schwer zugänglichen Bereichen und in der Umgebung von konturnahen Kühlkanälen wird dagegen zurückhaltender unterstützt, um das Risiko von Kerben, Rissen oder unbemerkt stehenbleibenden Supportresten zu begrenzen. In vielen Fällen werden zusätzliche Materialzonen konstruktiv eingeplant, die ausschließlich der Aufnahme von Stützen dienen und nach der Fertigung komplett entfernt werden.

Die Entfernung der Stützstrukturen erfolgt je nach Bereich mit sehr unterschiedlichen Methoden. Großflächige Blockstützen werden meist zuerst grob durch Bandsäge oder Drahtschneiden von der Bauplatte getrennt, anschließend auf der Fräsmaschine abgetragen. Feinere Gitterstützen an Außenkonturen werden mit Meißeln, Trennscheiben, Handwerkzeugen und anschließendem Schleifen entfernt. In komplexen Bereichen kommen oft Kugel- oder Scheibenfräser in der 5-Achs-Bearbeitung zum Einsatz, um Supportreste definiert abzunehmen. Die Qualität der Supportentfernung hängt dabei stark davon ab, ob die Flächen für das Werkzeug gut zugänglich sind; schlechte Zugänglichkeit führt unweigerlich zu höherem Aufwand und größerer Streuung.

Auf Toleranzen wirken Stützstrukturen zweifach: Zum einen stabilisieren sie während des Bauprozesses und reduzieren lokal den Verzug. Zum anderen können sie beim Entfernen Spannungen freisetzen. Wenn etwa ein langer, schlanker Kern über massive Fußstützen an die Bauplatte gebunden ist, baut sich über den Baujob ein Spannungszustand auf, der sich beim Abtrennen schlagartig entlädt und zu einem „Aufspringen“ des Bauteils führt. Eine kontrollierte Supportstrategie mit abgestuften Stützquerschnitten und definierten Trennzonen hilft, diese Effekte zu beherrschen und die Maßabweichung in den Bereich zu bringen, der durch Bearbeitungszugaben abgedeckt ist.

Die lokale Maßhaltigkeit im Randbereich von Stützstrukturen wird zudem von der Bearbeitung beeinflusst. Wo Stützen planvoll auf Aufmaßflächen sitzen, kann nach dem Entfernen eine saubere Referenzfläche gefräst oder geschliffen werden, auf der später Passungen, Dichtkonturen oder Trennebenen aufgebaut werden. Kritisch ist es, wenn Stützen direkt an Funktionsflächen enden, die ohne weitere Bearbeitung Maß- oder Formfunktion übernehmen sollen. Hier bleiben oft leicht erhöhte Bereiche, Poren oder Mikrokerben zurück, die sich auf Passungsspiel, Dichtheit oder Verschleißverhalten auswirken.

Oberflächen, die direkt aus dem Stützbereich kommen, sind in der Regel deutlich rauer und unruhiger als frei gebaute Zonen. Die Kontaktpunkte der Stützen hinterlassen kleine Krater oder „Pickel“, hinzu kommt die erhöhte thermische Belastung in diesem Bereich. Für Spritzgießwerkzeuge ist deshalb die Grundregel einfach: Alle stützkontaminierten Flächen mit funktionaler Relevanz werden mit ausreichend Aufmaß versehen und nach dem Entfernen der Stützen spanend nachbearbeitet. Nur in unkritischen Bereichen, etwa auf Montageflächen ohne Dichtfunktion oder in innenliegenden, nicht benetzten Zonen, können gestrahlte Supportflächen toleriert werden.

Ein Praxisbeispiel: In einem 16-fach-Werkzeug für Steckverbinder wurden SLM-Kerne mit konturnaher Kühlung eingesetzt. In einer frühen Version liefen Stützstrukturen bis nahe an die Trennebene und einzelne Polflächen heran. Das Entfernen der Stützen erzeugte lokal Kerben und Aufrauungen, die sich trotz Nacharbeit noch im Dichtbild und in der Trennfuge bemerkbar machten. In einer überarbeiteten Version wurden zusätzliche Aufmaßringe unterhalb der Trennebene eingeführt, die Stützen wurden konsequent auf diese Ringe konzentriert, und die Trennebene selbst blieb stützfrei. Die Folge waren deutlich reproduzierbarere Toleranzen und ein stabileres Dichtverhalten, bei praktisch unverändertem Bauaufwand.

Aus Sicht des Werkzeugbaus lässt sich sagen: Stützstrukturen sind ein zentraler Teil des Prozessdesigns und müssen von Beginn an im CAD mitgedacht werden. Wer Stützen in „Müllzonen“ mit definierter Nachbearbeitung bündelt, kritische Flächen stützfrei hält und den Zusammenhang zwischen Support, Eigenspannung und Toleranz sauber berücksichtigt, erhält prozesssichere Einsätze. Wer sie hingegen dem Automatikmodus der Slicer-Software überlässt, riskiert unnötigen Nacharbeitsaufwand, unklare Maßabweichungen und Oberflächen, die im Serienwerkzeug nur schwer stabil zu beherrschen sind.

33. Wie gut lassen sich SLM-Teile anschließend z. B. fräsen, drehen, schleifen oder bohren, und übernehmen Sie diese mechanische Nachbearbeitung mit?

SLM-Teile aus typischen Werkzeugstählen lassen sich grundsätzlich gut zerspanen, bewegen sich aber je nach Wärmebehandlungszustand in einem Bereich von „zäh wie vergüteter Werkzeugstahl“ bis „hart wie hochlegierter Warmarbeitsstahl“. Entscheidend ist, ob Sie im lösungsgeglühten beziehungsweise spannungsarm geglühten Zustand bearbeiten oder erst nach einer Härtung beziehungsweise Alterung. Im weichen Zustand ist die Zerspanbarkeit vergleichbar mit klassischem Werkzeugstahl im Vergütungsbereich 30–35 HRC, nach dem Aushärten steigen Kräfte und Verschleiß deutlich, dann dominieren Schleifen, Läppen und Polieren.

Beim Fräsen von SLM-Formeinsätzen hat sich eine HSC-Bearbeitung im vorgehärteten oder angelassenen Zustand bewährt. Die Gefügestruktur ist fein und homogen, wodurch die Schnitkräfte relativ stabil bleiben und keine ausgeprägten Härtebänder auftreten wie bei gewalzten Platten mit Walzhaut. Gleichzeitig kann eine leichte Restporosität (bei gutem Prozess im Zehntel-Prozentbereich) dazu führen, dass an scharfen Kanten oder sehr kleinen Radien gelegentlich Mikroporen aufbrechen. In der Praxis wird das durch ausreichende Bearbeitungszugaben im Bereich 0,3–0,8 Millimeter an Kavitätsflächen abgefangen, die in einem letzten Schlichtgang entfernt werden.

Drehen spielt im klassischen Spritzgieß-Werkzeugbau eine kleinere Rolle, kommt aber bei Düsen, Rundaufnahmen oder rotatorischen Spannkomponenten vor. Auch hier verhalten sich maragingartige SLM-Stähle und heißarbeitsfeste Stähle weitgehend wie ihre konventionellen Pendants. Wichtig ist eine stabile Spanntechnik, weil SLM-Rohlinge selten perfekt rechtwinklig zur Bauplatte stehen und sich beim Abtrennen leicht verziehen können. In der Praxis werden Rundteile daher häufig erst grob auf der Fräsmaschine vorbereitet (Planflächen, Zentrierungen), bevor sie in den Drehprozess gehen.

Bohren und Reiben von Bohrungen ist unkritisch, solange der Grundprozess eine hohe Dichte erreicht und keine ausgedehnten Bindefehler vorliegen. Für Anschlussbohrungen von Kühlkreisen, Gewinde und Passbohrungen werden übliche HSS- oder Hartmetallwerkzeuge eingesetzt. Kritisch sind sehr kleine Bohrungsdurchmesser in der Nähe der SLM-Oberfläche oder in Bereichen mit hoher Spannungsdichte – hier können Mikroporen oder harte Randzonen zu leichtem „Rattern“ und Maßstreuungen führen. Wo Toleranzen im Bereich IT7/IT8 gefordert sind, wird deshalb meist mit Kernbohrung und Reiben gearbeitet, teils ergänzt um ein leichtes Honen, um die Bohrungsqualität zu stabilisieren.

Schleifen ist im SLM-Kontext ein Standardprozess für Trennebenen, Passungen, Dichtkonturen und Auflageflächen. Der Werkstoff verhält sich – nach korrekt durchgeführter Wärmebehandlung – ähnlich wie ein hochvergüteter Werkzeugstahl. Die thermische Empfindlichkeit ist jedoch hoch: Wenn zu viel Wärme in die Oberfläche eingebracht wird, kann es zu Anlasstemperschichten, Randschädigungen oder lokalem Risswachstum kommen. Ein kontrolliertes Schleifregime mit angepassten Zustellungen und Kühlschmierstoffzufuhr ist daher essenziell, insbesondere bei hochbelasteten Konturen und Kanten.

Aus Sicht der Prozesskette ist es in vielen Fällen sinnvoll, die mechanische Nachbearbeitung direkt beim SLM-Anbieter mit einzuplanen. Dann können Baujob, Spannmittelkonzept und Bearbeitungszugaben aufeinander abgestimmt werden, und die komplette Kette von HSC-Fräsen, Schleifen, Bohren bis hin zur Politur läuft aus einer Hand. Üblich ist eine Abfolge wie: SLM-Bau + Spannungsarmglühen, Abtrennen und Grobfräsen, gegebenenfalls HIP, HSC-Schlichten der Kavitäten, Schleifen von Pass- und Trennebenen, Polieren der Sichtflächen und abschließende Maß- und Rauheitsprüfung. Für manche Anwendungen kommt noch eine Härtebehandlung oder Beschichtung hinzu, die wiederum einen finalen Schleif- oder Läppschritt nach sich ziehen kann.

Ein Praxisbeispiel aus dem Bereich technischer Spritzgussteile zeigt die typische Nachbearbeitungskette: Für ein 8-fach-Werkzeug wurden SLM-Kerne mit konturnaher Kühlung gefertigt. Nach dem SLM-Prozess und Spannungsarmglühen wurden die Kerne zunächst 5-achsig vorgeschruppt, um die Aufmaßzonen zu definieren. Anschließend erfolgte ein präziser Schlichtgang der Kavitätsflächen mit 0,2–0,3 Millimetern Restzugabe zur späteren Politur. Trennebenen und Passflächen wurden geschliffen, die Kühlkanalanschlüsse gebohrt und gerieben. Erst danach wurden die Sichtflächen manuell bis zum gewünschten Glanzgrad poliert. Das Ergebnis waren Formeinsätze, die sich in der Montage und im Prozess wie konventionelle Kerne verhielten – mit dem Zusatznutzen der verbesserten Kühlung.

Typischerweise übernimmt ein professioneller SLM-Dienstleister diese mechanische Nachbearbeitung vollständig oder zumindest in wesentlichen Teilen, insbesondere HSC-Fräsen, Schleifen und Bohren. Der Vorteil liegt darin, dass alle Prozessschritte aufeinander abgestimmt sind und Sie als Werkzeugbauer einen einbaufertigen Einsatz mit definierten Toleranzen, Rauheitswerten und Härteprofilen erhalten. Alternativ ist auch eine Aufteilung möglich: Der Dienstleister liefert entpulverte, grob bearbeitete Rohlinge mit definierter Referenzgeometrie, die finale Feinbearbeitung und Politur erfolgt in Ihrem eigenen Werkzeugbau, wenn Sie hier spezielle Prozesse oder Oberflächenstandards etabliert haben.

Unterm Strich gilt: SLM-Teile sind aus zerspanungstechnischer Sicht keine „Exoten“, solange Werkstoff und Wärmebehandlung beherrscht sind. Mit abgestimmten Bearbeitungszugaben, einer klar definierten Prozesskette und sinnvollen Toleranzvorgaben lassen sich SLM-Formeinsätze genauso fräsen, drehen, schleifen und bohren wie konventionelle Werkzeugeinsätze – oft mit dem zusätzlichen Vorteil, dass weniger Schweißnähte, Fügeflächen und schwer zugängliche Restmaterialien im Spiel sind.

34. Wie werden unsere CAD-Daten und projektspezifischen Informationen im Hinblick auf Vertraulichkeit und Datensicherheit geschützt?

Der Schutz Ihrer CAD-Daten und projektspezifischen Informationen beginnt nicht erst beim Upload der Dateien, sondern bei einer klar geregelten vertraglichen Basis und einem strukturierten Informationssicherheitskonzept. Üblich ist eine Vertraulichkeitsvereinbarung (NDA), die den Umgang mit Konstruktionsdaten, Zeichnungen, Stücklisten, Prozessparametern und Werkzeugdokumentation eindeutig regelt. Darin wird festgelegt, dass die Daten ausschließlich zur Bearbeitung des jeweiligen Projekts verwendet, nicht an Dritte weitergegeben und nach Projektende nur in abgestimmtem Umfang archiviert werden.

Organisatorisch ist der Zugriff auf Ihre Daten in der Regel auf einen definierten Personenkreis beschränkt: Projektleiter, Konstruktion/Arbeitsvorbereitung, Programmierung (Slicer, CAM) und Qualitätssicherung. Dieser Zugriff erfolgt rollenbasiert über ein Berechtigungskonzept im ERP-/PDM- bzw. DMS-System. Das heißt konkret: Produktionsmitarbeiter in der Fertigung sehen nur die Daten, die sie zur Ausführung benötigen (zum Beispiel Aufspannskizzen, Arbeitspläne, NC-Programme), nicht jedoch vollständige CAD-Modelle oder vollständige Projektunterlagen.

Technisch werden CAD- und Projektdaten in einem zentralen, abgesicherten Datenmanagement-System abgelegt – typischerweise PDM/PLM oder ein strukturiertes Dokumentenmanagement mit versionierter Ablage. Zugriffe werden protokolliert, Änderungen nachvollziehbar versioniert, und es existieren klare Regeln für Datenfreigaben und -sperrungen. Wo externe Übertragungswege genutzt werden (Kundenportal, SFTP, verschlüsselte E-Mail), erfolgt die Übertragung grundsätzlich verschlüsselt, und es werden nach Möglichkeit keine offenen Cloud-Links ohne Zugriffskontrolle verwendet.

Typische Sicherheitsmaßnahmen im Umgang mit CAD- und Projektdaten

In einem professionell aufgesetzten SLM- und Werkzeugbau-Umfeld finden Sie typischerweise folgende Maßnahmen:

• schriftliche NDA/Vertraulichkeitsvereinbarung und klare vertragliche Regelungen zur Datenverwendung und -aufbewahrung
• rollenbasierte Zugriffskonzepte (least privilege), getrennte Projektbereiche und Benutzerkonten mit starker Authentifizierung
• zentrale, gesicherte Datenhaltung (PDM/PLM/DMS) mit Versionierung, Protokollierung und regelmäßigen Backups
• verschlüsselte Datenübertragung (SFTP, VPN, TLS-gesicherte Portale) statt unverschlüsselter E-Mail-Anhänge oder Filesharing ohne Authentifizierung
• definierte Lösch- und Archivierungsfristen: Was wird wann gelöscht, was wird wie lange für Nachweis- und Ersatzteilthemen aufbewahrt?

Ergänzend dazu können Zertifizierungen im Bereich Qualitäts- und Informationssicherheitsmanagement eine Rolle spielen, etwa ISO 9001 als Basis für strukturierte Prozesse und – wo erforderlich – ISO 27001 oder branchenspezifische Standards (zum Beispiel TISAX in der Automotive-Welt) für Informationssicherheit. Diese Zertifizierungen erzwingen eine systematische Betrachtung von Risiken, Notfallkonzepten, Backup- und Wiederanlaufplänen sowie regelmäßigen Audits – was Ihnen als Auftraggeber zusätzliche Sicherheit bietet.

Im praktischen Projektablauf wirkt sich Datensicherheit auch auf die Arbeitsweise aus. Konstruktion und Datenaufbereitung arbeiten auf zentralen Servern oder virtuellen Desktops, nicht auf unkontrollierten lokalen Workstations ohne Backup. Portable Datenträger (USB-Sticks, externe Platten) werden für CAD-Transfer entweder komplett vermieden oder streng geregelt. Wo externe Simulationen oder zusätzliche Dienstleister eingebunden werden (zum Beispiel für FEM, CT-Auswertung), geschieht dies nur auf Basis klarer Sub-NDAs und definierter Datenpakete, nicht über unkontrollierte Komplettweitergabe von Projektdaten.

Ein weiterer Aspekt ist der Umgang mit Papierunterlagen und physischen Datenträgern. Zeichnungen, Spannskizzen und Prüfdokumente, die sensible Geometrien enthalten, werden nur in den betroffenen Fertigungsbereichen ausgehängt oder bereitgestellt und nach Projektabschluss wieder eingesammelt bzw. vernichtet. Datenträger mit Projektdaten (etwa Baujob-DVDs älterer Anlagen, Backup-Bänder) werden in verschlossenen Schränken oder Serverräumen aufbewahrt, auf die nur autorisiertes Personal Zugriff hat.

Aus Sicht eines Werkzeug- und Formenbauers ist auch wichtig, wie mit langfristigen Themen wie Ersatzteilversorgung und Re-Design umgegangen wird. In vielen Fällen ist es sinnvoll, Ihre CAD-Daten nicht vollständig zu löschen, sondern sie in einer definierten Archivstruktur verschlüsselt vorzuhalten – mit klarer Regel: Zugriff nur nach schriftlicher Beauftragung, keine eigenständige Nutzung für andere Kunden, keine Weitergabe. So lassen sich nach Jahren Ersatz-Einsätze oder Anpassungen für Serienwerkzeuge realisieren, ohne dass Daten neu bereitgestellt werden müssen, und gleichzeitig bleibt die Vertraulichkeit gewahrt.

Für die Zusammenarbeit empfehle ich, den gewünschten Sicherheits- und Dokumentationsumfang explizit im Lastenheft zu beschreiben: Welche Verschlüsselungskanäle akzeptieren Sie? Welche Zertifizierungen erwarten Sie? Wie lange dürfen CAD-Daten, CAM-Programme, Baujobdaten und Prüfberichte gespeichert werden? Müssen bestimmte Daten nach Projektende nachweislich gelöscht werden? Je klarer diese Punkte vor Projektstart geklärt sind, desto reibungsloser lässt sich SLM in Ihre eigene Compliance- und IT-Sicherheitslandschaft integrieren – ohne dass dadurch der operative Projektablauf unnötig verkompliziert wird.

35. Können Sie bestehende Fräs-, Guss- oder Schweißkonstruktionen für SLM redesignen, um Bauteile zu vereinfachen oder Funktionen zu integrieren?

Ein Redesign bestehender Fräs-, Guss- oder Schweißkonstruktionen in Richtung SLM ist in vielen Fällen der größte Hebel, um die Technologie wirtschaftlich und technisch sinnvoll zu nutzen. Statt Geometrien „eins-zu-eins“ zu übernehmen, wird geprüft, welche Funktionen zusammengefasst, welche Baugruppen eliminiert und welche Eigenschaften – etwa Kühlung, Steifigkeit, Gewicht – durch Funktionsintegration verbessert werden können. Ziel ist nicht das schöne Demonstratorbauteil, sondern ein robustes, im Werkzeugalltag belastbares Serienkonzept.

Am Anfang steht immer eine Funktions- und Anforderungsanalyse des bestehenden Bauteils oder der Baugruppe. Welche Lasten werden übertragen, welche Temperaturfelder treten auf, wo liegen Dicht- und Passflächen, wie sind Wartung und Austausch im Werkzeug gelöst? Parallel wird bewertet, wo heute der meiste Aufwand entsteht: aufwendige Bohr- und Erodieroperationen, Schweißnähte mit Leckagerisiko, schlecht zugängliche Verschraubungen, ungünstige Medienführung. Auf dieser Basis lässt sich recht klar abgrenzen, welche Funktionen sich durch SLM sinnvoll integrieren lassen und wo konventionelle Fertigung im Verbund weiterhin sinnvoll bleibt.

Ein typischer Ansatz besteht darin, eine bisher aus mehreren Bauteilen bestehende Schweiß- oder Gussbaugruppe auf einen additiven Formeinsatz mit zugehöriger Grundplatte zu reduzieren. Statt gekrümmter Bohrungen, Hartlötungen und aufgesetzter Kühlkanäle wird der funktionsnahe Bereich als monolithischer SLM-Einsatz mit konturnaher Kühlung ausgeführt, der auf einen konventionell gefrästen Trägerblock geschraubt oder gefügt wird. Dadurch entsteht eine klare Baugruppenreduzierung: weniger Teile, weniger Fügeprozesse, weniger Schnittstellen, an denen Undichtigkeiten oder Maßfehler auftreten können.

Wesentlich ist dabei das konsequente Design for Additive Manufacturing. Überhänge, Stützstrukturen, Bauteilorientierung, Entpulverbarkeit und spätere Zerspanung werden bereits im Redesign berücksichtigt. Überflüssige Komplexität – feine Gitter, extrem organische Formen ohne Mehrwert – wird bewusst vermieden. Stattdessen werden massive Volumen durch Rippen- und Hohlstrukturen ersetzt, Kühlkanäle folgen der Bauteilgeometrie, bleiben aber reinigungs- und fertigungsgerecht (Durchmesser, Radien, Wandabstände) und alle funktionskritischen Flächen werden mit definierten Bearbeitungszugaben ausgelegt, damit sie später gefräst oder geschliffen werden können.

Typischer Ablauf eines Redesign-Projekts

Ein Redesign-Projekt gliedert sich in der Praxis in mehrere Schritte, die eng mit Ihrem Werkzeugbau verzahnt sind. Zunächst erfolgt eine Bestandsaufnahme anhand der bestehenden CAD-Daten, Zeichnungen und – falls verfügbar – Erfahrungswerte aus der Produktion, etwa Hotspots in der Kühlung oder Verschleißstellen. Anschließend wird ein Funktionskonzept für die SLM-Variante entwickelt: Welche Volumenbereiche werden additiv, welche weiterhin konventionell gefertigt, wie sieht die Schnittstelle zwischen beiden aus, wo liegen Spann- und Bezugsflächen?

Darauf folgt die eigentliche Ausgestaltung des SLM-Bauteils. Hier werden konturnahe Kühlkanäle geführt, Hohlräume und Rippenstrukturen zur Massenreduktion modelliert, Stütz- und Abtragszonen definiert und Bearbeitungszugaben eingezogen. Parallel wird geprüft, ob die neue Geometrie spann-, zerspan- und polierfreundlich bleibt. Wo sinnvoll, werden einfache FEM-Analysen genutzt, um Steifigkeit und Spannungen zu validieren; bei thermisch kritischen Werkzeugen wird die Kühlwirkung abgeschätzt und mit der Ausgangskonstruktion verglichen. Das Ergebnis ist ein CAD-Modell, das sowohl additiv als auch konventionell beherrschbar ist.

In vielen Fällen wird ein solcher Redesign für SLM-Ansatz zunächst über einen Versuchseinsatz verifiziert. Ein einzelner Formeinsatz oder eine kleine Gruppe von Kavitäten wird in der SLM-Ausführung gebaut, bemustert und im realen Spritzgießprozess getestet. Dabei werden Prozessgrößen wie Zykluszeit, Temperaturverteilung, Formteilqualität, Ablagerungsverhalten und Verschleiß beobachtet. Wenn sich dabei Verbesserungen gegenüber der Ausgangskonstruktion zeigen – etwa 20–30 Prozent kürzere Zykluszeit oder stabilere Formteilmaße – wird das Konzept auf das komplette Werkzeug oder auf weitere Werkzeuge der gleichen Bauteilfamilie übertragen.

Ein konkretes Praxisbeispiel: Eine konventionelle Schweißkonstruktion aus mehreren gefrästen Platten und angeschweißten Kühlleisten für ein Mehrkavitätenwerkzeug führte regelmäßig zu Leckagen und ungleichmäßiger Temperierung. Im Redesign wurden die bisher geschweißten Kühlvolumina als einteiliger SLM-Einsatz mit integrierten, spiralförmig geführten Kanälen ausgeführt, der auf eine gefräste Grundplatte verschraubt wurde. Neben dem Wegfall von Schweißnähten und Dichtfugen sank die Zykluszeit deutlich, gleichzeitig ließ sich der Einsatz im Wartungsfall als Einheit ausbauen und bei Bedarf durch einen modifizierten SLM-Einsatz ersetzen, ohne den Grundaufbau anzutasten.

Ein weiteres Beispiel betrifft einen großvolumigen, gefrästen Kern mit vielen Bohrungen, Fräs- und Erodieroperationen zur Erzeugung der Temperierung. Durch das Redesign als SLM-Leichtbaukern mit konturnaher Kühlung und einem konventionellen Träger konnten Bearbeitungszeit und Komplexität der Fertigungsfolge deutlich reduziert werden. Die Anzahl der Aufspannungen in der Zerspanung sank, das Risiko für Fehler in Bohrbildern und Querbohrungen ging zurück, und die Dokumentation beschränkte sich im Wesentlichen auf einen additiven Einsatz und eine einfache Schnittstelle.

Wichtig ist auch, die Grenzen eines Redesigns klar zu benennen. Nicht jede Fräs- oder Gusskonstruktion wird durch SLM automatisch besser oder günstiger. Volumige Standardteile mit einfachen Geometrien, niedriger thermischer Anforderung und großen Stückzahlen bleiben meist im Vorteil, wenn sie konventionell gefertigt werden. SLM spielt seine Stärke dort aus, wo vorhandene Konstruktionen heute viele Prozessschritte, Fügeoperationen oder Kompromisse in Kühlung und Bauteilfunktion erfordern. Genau dort lohnt sich das Redesign, um Komplexität aus der Gesamtfertigung zu nehmen und Funktionen in einem Bauteil zu bündeln.

Am Ende entscheidet die nüchterne Betrachtung von Bauteilfunktion, Fertigungsaufwand und Lebenszykluskosten. Ein strukturiertes Redesign konventioneller Fräs-, Guss- oder Schweißkonstruktionen in Richtung SLM ist dann sinnvoll, wenn es Baugruppen vereinfacht, Funktionen integriert und gleichzeitig zerspan- und wartungsfreundlich bleibt. Mit einem sauberen Vorgehen – vom Funktionskonzept über SLM-gerechtes Design bis zum bemusterten Versuchseinsatz – wird aus der „additiven Option“ ein belastbares Werkzeugkonzept, das sich in Ihrer Serienfertigung langfristig rechnet.

36. Wie läuft ein typisches SLM-Projekt bei Ihnen ab – von der ersten Anfrage über die Designberatung bis zur Serie?

Ein SLM-Projekt im Werkzeug- und Formenbau folgt idealerweise einem klar strukturierten Ablauf, der sich eng an Ihren Werkzeugneubau oder Änderungsprozess anlehnt. Entscheidend ist, dass Ziele, Qualitätsanforderungen und Randbedingungen von Beginn an transparent sind: Geht es um einen Funktionsprototyp, eine Kleinserie von Einsätzen oder um einen robusten Standard für die Serienfertigung? Davon hängt ab, wie tief Designberatung, Qualifizierung und Prüfkonzept ausfallen müssen.

Am Anfang steht die Anfrage mit CAD-Daten und Basisinformationen zum Einsatzfall. Üblicherweise übermitteln Sie 3D-Daten (meist STEP/Parasolid), relevante Zeichnungen und Kerninformationen zu Kunststoff, Werkzeugkonzept, geforderter Standzeit und Kühlkonzept. In einer ersten Machbarkeits- und Nutzenabschätzung wird geprüft, ob sich SLM technisch anbietet und wo der Mehrwert liegt: konturnahe Kühlung, Baugruppenreduzierung, kürzere Lieferzeit oder eine Kombination aus allem. In dieser Phase erhalten Sie eine erste Einschätzung zu technischem Risiko, grober Lieferzeit und zu erwartendem Kostenniveau.

Es folgt die Designberatung beziehungsweise das Design for Additive Manufacturing (DfAM). Hier werden Ihre bestehenden Konstruktionen gemeinsam „auseinandergenommen“: Welche Bereiche bleiben konventionell, welche werden additiv? Welche Wandstärken, Kanaldurchmesser und Wandabstände sind sinnvoll, wie wird die Stützkonstruktion geführt, welche Flächen erhalten Bearbeitungszugaben? Parallel werden Werkstoff, Wärmebehandlung, Zielhärte und Qualitätsumfang festgelegt. Diese Phase endet typischerweise mit einem abgestimmten CAD-Modell des SLM-Einsatzes und klaren Zeichnungsangaben zu Toleranzen, Rauheiten und Prüfmerkmalen.

Auf dieser Grundlage wird das verbindliche Angebot erstellt und das Projekt formal freigegeben. Im Angebot sind nicht nur der SLM-Bau, sondern die komplette Kette abgebildet: Datenaufbereitung, Baujob, Wärmebehandlung (Spannungsarmglühen, gegebenenfalls HIP, Härten), mechanische Bearbeitung, Polieren und Messung sowie – falls gewünscht – zusätzliche Prüfungen wie Dichtheitsprüfung oder CT. Gleichzeitig wird der Projektplan abgestimmt: Meilensteine für Dateneinfrierung, Mustertermin (Werkzeugbemusterung), Serienfreigabe und etwaige Änderungsfenster.

Phasen eines SLM-Projekts im Werkzeugbau

Typischerweise gliedert sich der Ablauf in folgende Phasen:

• Anfrage, Machbarkeits- und Nutzenabschätzung, Abstimmung Zielsetzung (Prototyp, Kleinserie, Serie)
• DfAM/Designberatung und Ausarbeitung der SLM-spezifischen Geometrie inklusive Prüf- und Werkstoffkonzept
• Angebot, Projektfreigabe und Einplanung in Bau- und Bearbeitungskapazitäten
• Datenaufbereitung, Bauraumplanung, Generierung der Stützstrukturen und Baujobdefinition mit Probenkörpern
• SLM-Bau, Entpulvern, Spannungsarmglühen und gegebenenfalls HIP/Härten
• mechanische Nachbearbeitung (Fräsen, Schleifen, Bohren, Polieren) und definierte Prüfungen
• Bemusterung im Spritzgießprozess, Serienfreigabe und Überführung in den Regelbetrieb

In der Phase der Datenaufbereitung wird das abgestimmte CAD-Modell bauraumgerecht ausgerichtet, mit Stützstrukturen versehen und in den Baujob integriert. Gleichzeitig werden Probenkörper (Dichtewürfel, Zugstäbe) und gegebenenfalls Referenzgeometrien mitgeplant, um mechanische Werte und Prozessstabilität nachweisen zu können. Alle Parameter (Schichtdicke, Laserleistung, Scangeschwindigkeit) werden dokumentiert, und es entsteht ein vollständiger Baujobdatensatz, der später für Serienfertigung und Rückverfolgung genutzt wird.

Während der Fertigungsphase laufen SLM-Bau, Entpulvern, Wärmebehandlung und mechanische Nachbearbeitung in der definierten Prozesskette. Nach dem Abtrennen von der Bauplatte werden Aufmaßflächen geschruppt, Kavitäten HSC-geschlichtet, Trennebenen geschliffen, Bohrungen und Gewinde eingebracht und die Oberflächen bis zum geforderten Niveau poliert. Parallel werden Proben geprüft (Zugversuche, Härtemessung), Maße aufgenommen und gegebenenfalls Dichtheitsprüfungen oder CT-Untersuchungen durchgeführt. Das Ergebnis ist ein einbaufertiger Einsatz mit dokumentierten Eigenschaften.

Die nächste Stufe ist die Bemusterung im realen Spritzgießprozess. Hier zeigt sich, ob das Konzept im Werkzeugalltag trägt: Zykluszeiten, Temperaturverteilung, Entformungsverhalten, Formteilmaße und Oberflächenqualität werden bewertet. Oft werden in dieser Phase kleine Optimierungen vorgenommen – etwa leichte Anpassungen der Temperierung, Politurgrade oder Trennkonturen. Bei sicherheits- oder funktionskritischen Bauteilen können zusätzlich Lebensdauerversuche, Langzeitläufe oder erweiterte Prüfungen vereinbart werden, bevor die endgültige Serienfreigabe erfolgt.

Der Übergang in die Serie bedeutet, dass Geometrie, Prozessparameter, Wärmebehandlung und Prüfpläne eingefroren werden. Für wiederkehrende Bestellungen werden Rahmenbedingungen definiert: Abrufmengen, Lieferzeiten, Dokumentationsumfang und Ersatzteilkonzepte (zum Beispiel Reserveeinsätze, definierte Nachfertigungszeiten). Baujob-Setups, Spannkonzepte und Messprogramme stehen ab diesem Zeitpunkt stabil zur Verfügung, sodass ein späterer Nachbau eines identischen Einsatzes mit minimalem Engineering-Aufwand möglich ist.

Ein praxisnaher Mikro-Case: Ein Werkzeugbauer für Automobil-Steckverbinder startete mit zwei SLM-Versuchskernen für ein 16-fach-Werkzeug mit Ziel „Zykluszeitreduktion und Temperaturhomogenität“. Nach Anfrage, DfAM-Phase und Angebot wurden die Kerne im Versuchslos gefertigt, im Werkzeug bemustert und mit umfangreicher Temperatursensorik bewertet. Die Messung ergab eine Zykluszeitreduktion von rund 25 Prozent bei deutlich engerer Temperaturverteilung in der Kavität. Darauf aufbauend wurde das SLM-Konzept als Standard auf alle 16 Kavitäten übertragen, Prozess und Prüfpläne wurden eingefroren, und spätere Ersatzkerne konnten innerhalb weniger Wochen nach identischem Muster nachproduziert werden.

So entsteht aus einem einmaligen SLM-Projekt eine reproduzierbare Prozesskette: von der initialen Designberatung über den qualifizierten Musterlauf bis zur stabilen Serie mit klar definierten Parametern, Prüfungen und Lieferzeiten. Entscheidend ist, dass dieser Ablauf zu Ihren internen Werkzeug- und Projektprozessen passt – dann lässt sich SLM als normale, planbare Technologie in Ihre Serienlandschaft integrieren, statt als einmaliges Sonderthema zu „nebenher“ zu laufen.