Erfolgreiche Demonstration Fraunhofer-Forscher bauen komplexe Gusswerkzeuge per 3D-Drucker

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Das Fraunhofer-ILT und „MacLean“-Fogg haben ein komplexes Druckguss-Werkzeuginlay für große Aluminiumteile mittels Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) gefertigt. Möglich macht das der Spezialstahl L-40.

Die Automobilindustrie macht derzeit bekanntlich einen umfassenden Umbruch durch. Steigender Kostendruck und der Übergang zur Elektromobilität zwingen deshalb viele Hersteller dazu, die Fahrzeugarchitektur und die Produktionsprozesse zu überdenken. Ein Weg aus der Problemzone ist es dabei, die Zahl einzelner Pressteile zu verringern. Man setze dabei auf möglichst wenige, aber dafür hochkomplexe Strukturbauteilen. Das gelte vor allem für große Aluminiumbauteile, etwa Rahmen- oder Getriebekomponenten. Doch mit dieser Strategie steigen parallel die Anforderungen an die Werkzeuge, so die Experten vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT). Denn sie müssen dann thermisch hoch belastbar sein, Varianten erlauben und sich deshalb möglichst schnell an neue Geometrien anpassen lassen. Dieser Wandel bringt also neue Herausforderungen mit sich! Denn die dafür benötigten Gussformen müssen nicht nur größer sein als bisher, sondern auch widerstandsfähiger bei gleichzeitig komplexerer Geometrie und kürzerer Entwicklungszeit, so die Forscher. Das ist der Punkt, an dem das ILT und „MacLean-Fogg“ der Hersteller des neuartigen Werkzeugstahl-Pulvers L-40 den Verbesserungshebel ansetzen. Und mithilfe einer am ILT entwickelten PBF-LB/M Maschine in Gantry-Bauweise, die ein skalierbares Bauvolumen bietet und dem L-40-Pulver konnten erstmals sehr große Druckgussformen mit konturnaher Kühlung additiv gefertigt werden. Wie betont wird, sind die Formen für großvolumige Komponenten geeignet, die per Hochdruckguss (HPDC) hergestellt werden sollen, denn sie halten die Prozessbedingungen aus. Das gilt als echter Durchbruch!

Bisher war der 3D-Druck für Gussformen nicht anwendbar

Zwei zentrale Probleme haben bisher die additive Fertigung mit Blick auf großformatige Druckgussformen limitiert, erklären die Aachener Experten. Denn zum einen war das verfügbare Bauvolumen klassischer PBF-LB/M-Maschinen zu klein, um Formeinsätze im Bereich von 600 × 600 Millimetern oder mehr in einem Stück herzustellen. Zum anderen sind die bisher eingesetzten Werkzeugstähle – insbesondere H11 (1.2343), H13 (1.2344) oder M300 – in dieser Größenordnung (>20.000 Kubikzentimeter) nicht prozesssicher zu verarbeiten. Selbst bei optimalen Parametern drohten nämlich Risse im Teil, thermischer Verzug und mangelhafte mechanische Eigenschaften. Das galt sowohl während des laserbasierten Aufbaus als auch für die nachgelagerte Wärmebehandlung. Das Risiko sei außerdem umso größer, je stärker die Ausprägung der Temperaturgradienten innerhalb des Bauteils während des Fertigungsprozesses sind – ein Effekt, der bei großvolumigen Werkstücken besonders stark auftritt. Um diese Hürden zu nehmen, heißt es weiter, mussten also neue 3D-Druck-Maschinen her und Werkstoffe, die keine Probleme bei großen Bauteilvolumina machen. Die Maschine in Gantry-Bauweise und der neue Werkzeugstahl als Pulver lösten das Problem aber nun. Und die Fertigung großer Gussformen per additiver Fertigung adressiere gleich mehrere zentrale Herausforderungen der Automobilproduktion – insbesondere im Kontext Transformation zur Elektromobilität. Ein entscheidender Vorteil seien die damit ausführbaren, konturnahen Kühlsysteme, die sich durch den 3D-Druck erstmals frei gestalten lassen. Die konturnahe Kühlung ist effektiv und senkt lokal die Temperaturspitzen, sie reduziert thermomechanischen Verschleiß und verlängert die Lebensdauer der Form signifikant.

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