Prüfung eines Fräswerkzeugs mit konformen Kühlkanälen, hergestellt mittels selektivem Laserschmelzen

Kühlere Werkzeuge für schonendere Bearbeitung

Moderne Fabriken verlassen sich auf spanabhebende Werkzeuge, die enorme Kräfte und intensive Hitze aushalten müssen. Diese Studie zeigt, wie 3D-Druck einen intelligenteren Fräser mit feinen, gekrümmten Kanälen im Inneren erzeugen kann, die das Kühlmittel direkt zur Schneide führen. Indem das Werkzeug von innen heraus neu gestaltet und das verwendete Metall sorgfältig geprüft wurde, erzeugten die Autoren einen Fräser, der seine Einsätze kühler hält und länger hält als ein Standardwerkzeug.

Warum die Werkzeugtemperatur wichtig ist

Immer wenn ein rotierender Fräser Stahl oder Aluminium bearbeitet, erwärmt sich die Kontaktzone zwischen Einsatz und Werkstück schnell. Wird diese Wärme nicht abgeführt, weicht die Schneide auf, verschleißt und kann sogar ausbrechen oder brechen. Konventionelle Fräswerkzeuge haben gerade gebohrte Löcher, die das Kühlmittel irgendwo in die Nähe der Einsätze führen, aber nicht genau dort, wo es am dringendsten gebraucht wird. Mit steigenden Schnittgeschwindigkeiten und Produktivitätsanforderungen wird dieser ältere Kühlansatz zum begrenzenden Faktor, verkürzt die Werkzeugstandzeit und erhöht die Kosten.

Aufbau einer neuen Art von Fräser

Das Team nutzte den Metall-3D-Druck, konkret selektives Laserschmelzen, um den Körper eines 25-Millimeter-Fräsers aus einem hochfesten Maraging-Stahl namens M300 herzustellen. Bevor dieses Material in einem beanspruchten Werkzeug eingesetzt wurde, druckten und wärmebehandelten sie Proben, untersuchten deren innere Struktur und maßen Festigkeit und Härte. Mikroskope zeigten einen dichten Stahl mit nur winzigen Poren und vielen nanoskaligen Partikeln, die während der Wärmebehandlung entstanden und die Härte sowie die Verformungsbeständigkeit deutlich erhöhten. Diese Prüfungen bestätigten, dass der gedruckte Stahl die beim Schneiden auftretenden hohen Lasten sicher tragen kann.

Kühlwegsführung, die der Schneide folgt

Mit qualifiziertem Material entwarfen die Autoren einen neuen Fräskörper, dessen versteckte Kanäle sich biegen und krümmen, sodass das Kühlmittel direkt hinter jeder Schneide austritt. Computersimulationen wurden eingesetzt, um sicherzustellen, dass diese Kanäle und die Gesamtgeometrie das Werkzeug unter Belastung nicht schwächen. Die Finite-Elemente-Analyse zeigte, dass die Spannungen im 3D-gedruckten Design deutlich unter der Festigkeit des Stahls lagen und sogar niedriger waren als bei einem konventionellen Werkzeug, teils weil die neue Geometrie scharfe Ecken vermied, die Spannungskonzentrationen hervorrufen. Nach dem Druck wurden nur die wichtigen Kontaktflächen und Gewinde präzisionsbearbeitet, damit handelsübliche Einsätze genau montiert werden konnten.

Das gedruckte Werkzeug im Praxistest

Die Forschenden verglichen den 3D-gedruckten Fräser anschließend in einer Reihe realer Zerspanungsversuche mit einem traditionellen Vollkörper. Sie führten Stirn-, Nuten- und Schulterschnitte an Aluminium und Baustahl durch und führten später Langzeittests zur Verschleißfestigkeit an Werkzeugstählen sowohl im weichen Zustand als auch nach dem Härten durch. Schnittkräfte maßen sie mit einem Dynamometer und die Oberflächenrauheit mit hochauflösenden optischen Messgeräten; außerdem verfolgten sie, wie schnell die Einsätze unter Trockenbearbeitung und interner Kühlung verschlissen. In nahezu allen Bearbeitungsfällen erforderte das gedruckte Werkzeug geringere Schnittkräfte, es trennt also leichter. Die Oberflächenqualität war beim gedruckten Körper teilweise etwas schlechter, was sie auf eine geringe Unwucht zurückführten, da nicht alle Außenflächen vollständig nachbearbeitet waren.

Kühlmittelfokussiertes Design verlängert Werkzeugstandzeit

Der deutlichste Vorteil der konformen Kühlkanäle zeigte sich in den Dauerlauftests. Sobald Kühlmittel durch das Werkzeug geführt wurde, hielten Einsätze im 3D-gedruckten Körper etwa 20 Prozent länger als in dem konventionellen Fräser, dank direkterer Kühlung der Schneide und besserer Spanabfuhr. Bei Trockenbearbeitung, also ohne Kühlmittel, schnitten beide Werkzeuge ähnlich ab, was bestätigt, dass der Hauptvorteil vom verbesserten Kühlweg und nicht von anderen Designmerkmalen herrührt. Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass der Metall-3D-Druck dichte, starke Werkzeugkörper mit integrierten gekrümmten Kanälen liefern kann, die mit herkömmlichem Bohren nicht realisierbar sind, und so den Weg für langlebigere, effizientere Fräser ebnet, besonders für schwer zerspanbare Materialien.

Zitation: Kolomy, S., Slany, M., Sedlak, J. et al. Testing of milling cutter with the conformal cooling channels produced by the selective laser melting technology. Sci Rep 16, 9599 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-31338-x

Schlüsselwörter: 3D-gedruckte Schneidwerkzeuge, konforme Kühlkanäle, Maraging-Stahl M300, Lebensdauer von Fräswerkzeugen, selektives Laserschmelzen