Fachartikel

2.08.2016
erschienen in GIESSEREI Heft 8|2016

Werkstoffkompetenz beim Gießen und 3-D-Laserschmelzen

Durch computergesteuertes Verschmelzen von Metallpulverschichten mit dem Laser können sehr aufwendige Geometrien z. B. mit konturnahen Temperierkanälen hergestellt werden (Fotos: Klaus Vollrath)

Zu den wesentlichen Vorteilen des Gießens zählt der hohe Freiheitsgrad, welcher dem Konstrukteur bei der Gestaltung der Geometrie ermöglicht wird. Mit dem Aufkommen des 3-D-Laserschmelzens ergeben sich heute zusätzliche gestalterische Möglichkeiten wie z. B. freigeformte Strömungskanäle für Temperiermedien. Durch Bündelung dieser verschiedenen Technologien stehen dem Anwender heute zusätzliche Möglichkeiten offen. Für ihre optimale Nutzung ist die umfassende Werkstoffkompetenz des Gießers von entscheidender Bedeutung.

VON KLAUS VOLLRATH, AARWANGEN, SCHWEIZ

Wir sind Spezialisten für besonders anspruchsvolle Gussteile aus Eisen, Stahl und Sonderwerkstoffen und deren Bearbeitung“, sagt Urs Tanner, Leiter Zerspanungstechnik der Wolfensberger AG in Bauma, Schweiz. Das familiengeführte mittelständische Gießereiunternehmen vergießt eine sehr breite Werkstoffpalette, die von legierten Gusseisenwerkstoffen z. B. für verschleißbeanspruchte Bauteile über Kohlenstoffstähle und Edelstähle bis zu Sonderwerkstoffen wie Nickelbasislegierungen reicht. Auch bezüglich der eingesetzten Gießverfahren nimmt man eine Sonderstellung ein und setzt neben dem klassischen Sandgießen auch auf das Präzisionsgießverfahren Exacast. Hiermit lassen sich in wichtigen Gussteilbereichen Genauigkeiten erzielen wie sonst nur mit Feingießverfahren, dies jedoch bei wesentlich größeren Abmessungen und Gewichten. Darüber hinaus agiert das Unternehmen dank seiner umfassenden Kompetenz in den Bereichen Werkstoffe, Bauteil-Engineering und Prozessoptimierung als Entwicklungspartner seiner Kunden und übernimmt auch alle weiteren erforderlichen Aufgaben von der Bearbeitung über die Montage bis hin zur einbaufertigen Anlieferung in die Montageabteilungen des Kunden.

Ergänzung des 3-D-Laserschmelzens ...

„Mit dem Aufkommen neuer Verfahren wie dem 3-D-Laserschmelzen haben wir unsere Verfahrensbandbreite schon vor Jahren um diese hochinteressante Technologie erweitert“, ergänzt Michael Sieger, Leiter Qualitätssicherung/ Labor/ Schweißaufsicht bei Wolfensberger. Hier könne man das vorhandene Know-how im Bereich Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren z. B. durch das Verschweißen kleinerer Komponenten zu größeren Bauteilen bzw. Baugruppen hervorragend einsetzen. Im Ergebnis verfüge man damit über zusätzliche Freiheitsgrade, um dem Kunden das jeweils für seinen Bedarf geeignetste Verfahren anzubieten. Darüber hinaus könne man auch verschiedene Verfahren kombinieren, z. B. durch schweißtechnisches Fügen von gegossenen Teilen mit solchen, die mittels 3-D-Laserschmelzen hergestellt wurden.

... durch die Werkstoffkompetenz des Gießers

„Als Gießer verfügen wir über ein Qualitätssicherungswesen, das den meisten 3-D-Laserschmelzanbietern nicht zugänglich ist“, erläutert Urs Tanner. Beim 3-D-Laserschmelzen entstehen die Bauteile aus dünnen Pulverschichten, die mithilfe eines Laserstrahls computergesteuert aufgeschmolzen und dadurch übereinander geschweißt werden. Interne Analysen konnten aufzeigen, dass die hierbei entstehende Schichtstruktur im Vergleich zu einem mithilfe anderer Technologien gefertigten Bauteil eine Dichte von 99,94 % bzw. eine Restporosität von lediglich 0,06 % aufweist. Das Gefüge ist daher gegenüber druckbeaufschlagten Medien wie Gasen oder Hydraulikflüssigkeiten faktisch dicht. Zu beachten ist lediglich eine gewisse Anisotropie. Das bedeutet, dass Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung oder Kerbschlagzähigkeit teilweise davon abhängen, wie das Bauteil bei seiner Entstehung relativ zur Baurichtung orientiert war. Wichtig ist in diesem Zusammenhang außerdem auch, wieweit sich eine eventuelle Wärmebehandlung auf diese Eigenschaften auswirkt. Dank des eigenen Prüflabors kann Wolfensberger solche Zusammenhänge schnell und effizient untersuchen und so die Bauteileigenschaften optimal an die Anforderungen des Kunden anpassen. Zunächst ist festzustellen, dass die 3-D-Laserproben durchweg gute, über den Erwartungen liegende Werte sowohl bezüglich ihrer Festigkeitswerte als auch mit Blick auf ihre Kerbschlagzähigkeit aufweisen. Durch geschickte Anordnung der Proben im Bauraum ist es zusätzlich möglich, z. B. zusätzliche Festigkeitsreserven von bis zu 15 % zu nutzen. Da sich Festigkeits- und Dehnungswerte gegenläufig verhalten, kann man umgekehrt auch höhere Zähigkeitsreserven anstreben. Hervorzuheben ist, dass die festgestellten Standardabweichungen sehr gering sind, was eine gute Beherrschung des Bauprozesses unterstreicht.

Vorteile des 3-D-Laserschmelzens

„Der Vorteil des 3-D-Laserschmelzens sind die im Vergleich zum Gießen nochmals erheblich erweiterten Freiheitsgrade für den Konstrukteur“, verrät Michael Sieger. Das Metallpulver, das von einem Schlitten nach und nach in dünnen Schichten auf dem Boden des Bauraums aufgetragen wird, bildet auch in den Bereichen, wo keine Verschmelzung durch den Laser erfolgt, ein dichtes „Bett“, welches auch zunächst isolierte, auf dem losen Pulver lediglich aufliegende Schmelzschichten stützt und an Ort und Stelle stabilisiert, bis sie in höher liegenden Bereichen wieder mit der restlichen Struktur zusammenwachsen. So lassen sich sogar ineinander liegende durchbrochene Kugeln unterschiedlichen Durchmessers darstellen, die untereinander gar keine mechanische Verbindung aufweisen. Von praktischer Bedeutung sind insbesondere innenliegende Hohlräume, schwer bearbeitbare Konturen mit strömungsoptimierter Geometrie oder komplex geformte Medienkanäle z. B. für Formeinsätze, die oberflächennah temperiert werden müssen. Einzige Beschränkung sind ausreichende Durchlässe, um das lose Pulver nach Abschluss des Bauprozesses aus dem Inneren des Hohlraums entfernen zu können. Mit speziellen Technologien ist es sogar möglich, die inneren Wände von mediendurchflossenen Bohrungen bzw. Kanälen zur Verringerung des Strömungswiderstandes glattzupolieren.

Alles aus einer Hand

„Bei einer solch anspruchsvollen Technologie wie dem 3-D-Laserschmelzen erweist es sich als entscheidender Vorteil, dass wir sämtliche Prüfungen und Bearbeitungen im eigenen Hause durchführen können“, weiß Tanner. Damit verfüge man im Vergleich zu vielen anderen Anbietern auf diesem Gebiet über entscheidende Vorteile. Zudem sei man in diese Technologie frühzeitig eingestiegen und könne deshalb im Bereich des Selective Laser Manufacturing (SLM) auf ein mittlerweile 15-jähriges Know-how zurückgreifen. Für die Wolfensberger-Kunden ergeben sich aus dieser Erfahrung sowie den zusätzlichen Kompetenzen entsprechende Vorteile. Zurzeit stehen drei Anlagen mit einer Bauraumgröße von jeweils 250 x 250 x 310 mm zur Verfügung, während eine vierte Anlage bereits in Auftrag gegeben wurde (Bild 5). Verarbeitet wird eine vergleichsweise breite Palette von legierten Stählen, Edelstählen, Werkzeugstählen sowie Sonderwerkstoffen wie Titan. Die Kunden kommen aus unterschiedlichsten Branchen wie dem Formen- und Werkzeugbau, dem Maschinenbau oder der Medizintechnik. Die Losgrößen reichen vom Einzelstück bis zu mittleren Serien. Nach dem Aufbau werden die Teile mithilfe von Verfahren wie dem Drahterodieren von der massiven Grundplatte getrennt und je nach Bedarf mithilfe spanabhebender Verfahren bzw. durch Wärmebehandlung oder Beschichtung weiter veredelt.

www.wolfensberger.ch