Druckgießformen Lasercusing ermöglicht konturnahe Kühlung in Werkzeugkernen und -einsätzen

Das Lasercusing verbessert die Kühlung in temperaturkritischen Bereichen von Druckgießformen. Der Ansatz dazu liegt in der Herstellung konturnaher Kühlkanäle in lokalen Werkzeugeinsätzen. Voraussetzung dafür war die Entwicklung eines für die Serienfertigung von Aluminium-Druckgießteilen geeigneten Warmarbeitsstahls, der sich Schicht für Schicht komplett aufschmelzen und verschweißen lässt. Aus diesem Werkstoff werden Kerne und Einsätze hergestellt, an denen man die Großserienproduktion erfolgreich erprobt hat.

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Das Lasercusing ermöglicht, die üblichen Schwachstellen der Lasersintertechnik zu überwinden. Der Einsatz moderner Lasersysteme, die Nutzung speziell entwickelter patentierter Belichtungskonzepte sowie die Verarbeitung von Stahlschlüssel-Standardwerkstoffen in Pulverform brachten den Erfolg: die Herstellung verzugsarmer, nahezu einhundertprozentig dichter Bauteile.

Unter Verwendung von Originalwerkstoffen werden heute massive großvolumige Teile, zum Beispiel intensiv kühlbare Werkzeugeinsätze, hergestellt. Die Werkstoffeigenschaften sind mit denen des Serienstahls identisch und ermöglichen den Gebrauch dieser Teile unter Produktionsbedingungen. Das hat nun den Werkzeugbau der Aluminiumgießerei eines Automobilherstellers veranlasst, das Verfahren für eine Druckgießform zu nutzen.

Das Lasercusing ist ein „generatives“ Fertigungsverfahren. Es ermöglicht, aus so gut wie allen schweißbaren Werkstoffen – zum Beispiel Edelstahl, Warmarbeits- und Vergütungsstahl – Bauteile schichtweise aufzubauen. Das geschieht durch Verschmelzen einkomponentiger Pulverwerkstoffe mit Hilfe eines Lasers. Dabei wird Schicht für Schicht das Pulver komplett aufgeschmolzen. Die typische Dicke der Pulverschichten liegt bei 20 und 50 µm.

Dieses Fertigungsprinzip hat dem Lasercusing die Tür zum traditionellen Werkzeug- und Formenbau geöffnet. So ist das Verfahren derzeit dabei, den Anwendungsbereich Druckgießformen zu erschließen. Ein erster Schritt dazu wurde in Zusammenarbeit mit der Aluminiumgießerei bei einem Werkzeug zum Druckgießen eines Zylinderkurbelgehäuses getan.

Warmarbeitsstahl für gekühlte Werkzeugkerne entwickelt

Die Herstellung von Werkzeugkernen für das Aluminium-Druckgießen setzt als Schichtwerkstoff einen Warmarbeitsstahl voraus, dessen Entwicklung und Qualifizierung von Concept Laser verifiziert wurde. Das Ergebnis ist der serientaugliche Werkstoff CL 60 DG, der gleiche mechanische Werkstoffeigenschaften hat wie der Warmarbeitsstahl 1.2709 und sich hervorragend zur Herstellung von gekühlten Werkzeugkernen eignet. Kennzeichnend für diesen Stahl ist eine gute Grundzähigkeit, eine Zugfestigkeit bis 1800 N/mm² und eine Härte bis zu 54 HRC. Das Lasercusing ermöglicht die Einarbeitung einer konturnahen Kühlung in temperaturkritische Kernbereiche. Dadurch lassen sich die Zykluszeiten reduzieren und die Werkzeugstandzeit beträchtlich verlängern. Von der enormen Verbesserung der Produktqualität, die sich aus der Erprobung der Kerne unter Praxisbedingungen ergab, zeigten sich beide Kooperationspartner beeindruckt.

Mit Hilfe von Versuchsreihen wurden verfahrensbezogene Belastungen an Probekörpern getestet und Rückschlüsse auf die Bauteilgestaltung gezogen. Nach erfolgreichem Abschluss dieser Vorversuche ging man an die Erprobung von Versuchskernen in einer Druckgießform zur Herstellung eines Steuergehäuses (Bild 1). Die Kerne wurden in der Laser-Anlage M3 linear von Concept Laser Schicht für Schicht „aufgebaut“. Das geschieht automatisch: Das Lasercusing läuft grundsätzlich ohne Bedienpersonal ab. Anschließend erfolgt die Nachbearbeitung der Kerne und der Einbau ins Werkzeug.

Diese Versuche haben Aufschluss über die Haltbarkeit und Heißrissneigung der Versuchskerne gegeben (Bild 2). Die bis dato andauernden Testreihen liefern ein überzeugendes Resultat. So befindet sich der Versuchskern im Angussbereich des Werkzeugs nach Abguss von über 100 000 Teilen in einem sehr guten Zustand. Am konventionell hergestellten Werkzeug gibt es dagegen vergrößerte Brandrisse.

Keine Rissbildung und Unebenheiten erkennbar

Nach dem Abguss von 104 Musterteilen hatte der Versuchskern identische Eigenschaften konventioneller Werkzeugkerne. Es waren keine Rissbildung und Unebenheiten erkennbar. Dies galt auch nach dem 1905. Schuss. In dieser Phase wurde der Versuchskern zur besseren Überprüfung im Sandstrahlverfahren gereinigt. Nach 55 964 gegossenen Teilen befindet sich der Versuchskern immer noch in sehr gutem Zustand. Er hat immer noch keine Brandrisse im Gegensatz zur Bohrung im konventionellen Werkzeug. Dort sind erste Risse feststellbar. Nach dem Abguss von 71 282 Teilen hat sich am fertigungstechnischen Zustand des Kerns nichts geändert. Nur die Brandrisse der Bohrung sind gewachsen.

Nach der erfolgreichen Erprobung wurde ein Pilotprojekt gestartet – mit dem Ziel, die Serienreife in Angriff zu nehmen. Für dieses Vorhaben hat der Werkzeugbau der Aluminiumgießerei die konturnahe Temperierung beim Vier-Zylinder-Kurbelgehäuse im Bereich Klopfsensor als Anwendung ausgewählt.

Er legte fest, an welcher Stelle ein im Lasercusing-Verfahren hergestellter Werkzeugeinsatz eingebaut werden soll. Die Entscheidung fiel auf die Werkzeugkontur im Bereich Klopfsensorauge im Schiebervorsatz (Bild 3). Der Einsatz sollte sich innerhalb kürzester Zeit auswechseln lassen, damit es keine langen Produktionsunterbrechungen gibt. Beim Wechsel der Werkzeugkerne bleibt daher die Druckgießform auf der Maschine. Um die Praxistauglichkeit zu beweisen, wurden sämtliche Versuche unter Produktionsbedingungen für Großserien vorgenommen.

Temperaturverteilung ist gleichmäßiger

Untersucht wurden vor allem Zustand und Standzeit der Einsätze in Abhängigkeit von der Schusszahl, die erstellten Wärmebilder der einzelnen Einsätze bei Öltemperierung und Wasserkühlung sowie die Qualität der Gussteile im Bereich Klopfsensor bei Öltemperierung und Wasserkühlung. Umfangreiche Versuchsreihen belegen deutlich, welche Qualitätsvorteile der Lasercusing-Werkzeugeinsatz bewirkt.

Durch Reduzierung der Trennmittelsprühdauer wird die Zykluszeit verkürzt, weil sich der Temperaturunterschied ?T zwischen Werkzeugeinsatz und Gussteil verkleinert. Diese kleinere Temperaturdifferenz verringert die thermische Belastung des Einsatzes. So wird die Brandrissgefahr durch Thermoschock reduziert. Außerdem erhöht der sparsamere Gebrauch von Trennmittel die Sauberkeit und führt zur Einsparung von Sprüh- und Entsorgungskosten. Generell liegen die Temperaturen am Werkzeugeinsatz ohne konturnahe Temperierung nach dem Sprühen weit auseinander (Bild 4). Die Wärmebildaufnahmen zeigen, dass der Temperaturhaushalt durch das Sprühen allein nicht vollständig in den Griff zu bekommen ist.

Auf Wunsch der Aluminiumgießerei wurde der Werkzeugeinsatz separat temperiert und an einen vom Schieber unabhängigen Kreislauf angeschlossen. Dadurch entfallen O-Ringe, eine Undichtheit ist ausgeschlossen. Der bemerkenswerte Vorteil der konturnahen Kühlung liegt darin, dass der Konturverlauf frei wählbar ist. Es bestehen also keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der fertigungstechnischen Vorgaben. So können bei Anwendung des Lasercusing-Verfahrens Kanäle und Auswerfer sich geschickt „umgehen“. Im Vergleich dazu sind konventionelle Maschinen nur in der Lage, geradlinige Bohrungen herzustellen.

Die Kühlungsmechanismen sind maßgeblich für die Gussteilqualität verantwortlich. So fallen aufgrund der konturnahen Kühlung die Temperaturschwankungen im Werkzeug kleiner aus. Das führt zu einem niedrigeren Werkzeugverschleiß. Die Standzeiten der Werkzeugeinsätze erhöhen sich. Die Abkühlung des etwa 700 °C heißen flüssigen Aluminiums wird beschleunigt, was geringere Lunkerbildung (Lufteinschlüsse oder Porosität im Werk-stoff) zur Folge hat.

Bewiesene Serientauglichkeit des Lasercusing bewirkt weitere Anwendungen

Beim Automobilhersteller hat man das Lasercusing einhellig als ein serientaugliches Verfahren klassifiziert. Es eignet sich als Schnittstelle, die im Werkzeugbau den Übergang vom Prototypenstadium zum Serieneinsatz charakterisiert. Für den Werkzeugbau ergeben sich damit handfeste qualitative, kalkulatorische und dadurch wirtschaftliche Vorteile:

• Aufgrund der konturnahen Kühlung erhöht sich merklich die Produktivität des Druckgießwerkzeugs.
• Die optimierte Kühlwirkung vermindert drastisch Gussteilverzug.
• Die Reduzierung von Lunkerbildung verbessert wesentlich die Qualität und Funktionalität der Teile.
• Die formgebende Kontur der Werkzeugeinsätze ist vorgearbeitet.
• Die Herstellung der Einsätze im Lasercusing-Verfahren ist zeitlich kurz und erfolgt automatisch.
• Der Programmieraufwand für das Lasercusing ist auf ein Minimum reduzert, die Flexibilität somit erhöht.
• Die patentierte Hybridbauweise ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von größeren Werkzeugeinsätzen. Dadurch ist der Anwendungsbereich des Lasercusings im Werkzeug- und Formenbau größer.

Das mehrjährige Gemeinschaftsprojekt hat die Serientauglichkeit des Verfahrens bei Druckgießwerkzeugen bewiesen. So will der Automobilhersteller das Lasercusing künftig im Werkzeugbau strategisch einsetzen und für weitere Fertigungsbereiche nutzen. Inzwischen werden dort Neuwerkzeuge mit intensiv gekühlten Einsätzen bestückt. Zur Herstellung der Einsätze kommt das Lasercusing zur Anwendung (Bild 5).

Dipl.-Ing. Frank Herzog ist Geschäftsführer der Concept Laser GmbH in 96215 Lichtenfels, Tel. (09571) 949-228, Fax (09571) 949-239, info@concept-laser.de

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