Fachartikel

5.11.2019
erschienen in GIESSEREI Heft 11|2019

Wie die Druckguss-Industrie vom 3-D-Druck profitieren kann

Bild 2: Additiv gefertigter Motorträger aus AlSi10Mg mit integrierten Kühlkanälen für den Bugatti Chiron.

Die Gießerei-Industrie und ihre Zulieferer setzen sich bereits seit längerer Zeit intensiv mit den Chancen und Herausforderungen des 3-D-Drucks auseinander. Deren Umsetzung und die damit einhergehende weitere Automatisierung der Fertigung haben das Potenzial, einen entscheidenden Beitrag zur effizienteren und kostenoptimierten Produktion zu leisten.

VON RALF FROHWERK, LÜBECK

In allen Industrien sind die Prozessabläufe zu einer erfolgreichen Nutzung der Selective Laser Melting Technologie (Bild 1) ähnlich. Unternehmen, wie SLM Solutions, stehen zunächst in der Verantwortung, der Industrie den zugrundeliegenden Prozess verständlich zu machen, dazu gehört es auch, Vertrauen zu schaffen. Deutlich werden muss, dass das Ziel nicht darin besteht, die Druckgussfertigung zu ersetzen. Vielmehr muss die Branche für die Zukunft stark und wettbewerbsfähig bleiben. Das funktioniert, indem das SLM Solutions-Verfahren als Add-On in der Produktion eingesetzt wird.

Wo wir stehen

Die Kernfrage lautet, in welchen Produktionssegmenten der metallbasierte 3-D-Druck sinnvoll und effizient eingesetzt werden kann. Die Antwort darauf ist stark abhängig vom Produkt sowie dessen Design und Funktionalität, aber auch vom jährlichen Produktionsbedarf. Fachkenntnisse über den 3-D-Prozess und 3-D-gerechtes Design sowie der klare Wille und entsprechende Budgets sind entscheidend, um die 3-D-Technologie erfolgreich zu implementieren. Gerade für mittelständische Unternehmen stellt sich die Frage, mit welcher Zielvorgabe und mit welchen Ressourcen dieser Weg zu gehen ist.

Anforderungen und Chancen der Additiven Fertigung

Um ein additiv gefertigtes Produkt in einer hohen Qualität in Serie anbieten zu können, muss die gesamte Prozesskette aufeinander abgestimmt werden. Dazu gehören nicht nur robuste, verlässliche Maschinen, sondern das Bauteil muss auch zunächst für den additiven Fertigungsprozess neu konstruiert bzw. entwickelt werden, um die Vorteile der additiven Fertigung optimal nutzen zu können. Durch die Integration von konturnahen Kühlkanälen lassen sich zum Beispiel Werkzeugeinsätze mit dem Selective Laser Melting Verfahren herstellen, die bei Druckgusswerkzeugen zu kürzeren Abkühlzeiten und somit zur Reduzierung des gesamten Herstellungsprozesses beitragen. Durch die Verwendung von inneren Strukturen kann das Bauteilgewicht reduziert und die Stabilität erhöht werden. Nach einer erfolgreichen Fertigung erfolgt die ebenso wichtige Nachbearbeitung des Bauteils. Dieses muss von der Bauplatte gelöst und die Supportstrukturen entfernt werden.

Lohnt sich die Additive Fertigung?

Je nach Einsatzgebiet kann die Additive Fertigung zu zahlreichen kommerziellen und technischen Vorteilen führen, die es den Unternehmen erlauben, ihre Wettbewerbsposition zu stärken. Die Druckguss-Industrie fokussiert heute insbesondere bei der Herstellung von Prototypen und Kleinserien auf additive Fertigungsverfahren, da in diesem Bereich die Herstellung von Werkzeugen einen großen Kostenanteil ausmacht. Auch die Entwicklungszeit kann massiv reduziert werden. Für das SLM Solutions-Verfahren sind schon heute diverse Aluminium-Legierungen wie AlSi10Mg, AlSi7Mg und AlSi9Cu3 in der spezifizierten Pulverqualität erhältlich.

Besonders zu erwähnen ist, dass die Materialeigenschaften eines 3-D-gedruckten Bauteils in der Regel besser sind als beim Druckgussteil, da eine wesentlich höhere Dichte erzeugt wird. Hinzukommt, dass nicht jede für die Serienproduktion benötigte Aluminiumlegierung auch in Sandgussformen verwendet werden kann.Namhafte Hersteller zeigen, wie die Technologie bereits heute erfolgreich in Serie eingesetzt wird. Bugatti nutzt beispielsweise die Additive Fertigung für die Herstellung eines Motorträgers aus AlSi10Mg mit integrierten Kühlkanälen (Bild 2). Diese Konsole dient als aktiver Hitzeschild und wird seit Serienstart im Bugatti Chiron verbaut. In der Entwicklung befinden sich auch ein Bremssattel und eine Heckflügelmechanik, die mit topologieoptimiertem Design im SLM Solutions-Verfahren hergestellt werden. Damit setzt Bugatti eine konsequente Leichtbauweise um, wodurch die Funktionsweise der Fahrzeuge stetig optimiert werden kann. Auch das Unternehmen Hirschvogel zeigt, wie der Einsatz der Additiven Fertigung gelingen kann. Bei der Herstellung eines Pkw-Schwenklagers (Bild 3) konnten dadurch 40 % Material gegenüber der konventionellen Ausfertigung eingespart werden.

Kosteneffizienz durch Automatisierung

Der metallbasierte additive Fertigungsprozess bietet die Möglichkeit, Lean Production bei hoher Wirtschaftlichkeit und Losgröße 1 zu realisieren. Ebenso ist die Prozessautomatisierung in der gesamten Fertigungsindustrie, auch in der Additiven Fertigung, ein wichtiger Punkt, der die Akzeptanz der Technologie erhöht und Kostenvorteile schafft. Mit der Pulverversorgungseinheit PSV bietet SLM Solutions beispielsweise eine Lösung, die das manuelle Nachfüllen von Pulver erübrigt. Die gesamte Pulverförderung, das Sieben des Pulvers und die Lagerung erfolgen in einem geschlossenen Kreislauf unter Schutzgasatmosphäre. Durch das kontaktlose Pulverhandling wird auch ein hohes Maß an Arbeitssicherheit erreicht. Das Selective Laser Melting System SLM-800 (Bild 4) steht ebenfalls für die Automatisierung der Technologie. Die vollautomatische Auspackstation SLM-HUB der SLM-800 integriert zahlreiche Funktionen. Unter bestehender Schutzgasatmosphäre werden mehrere Bauzylinder parallel gehandelt.

Sowohl das Aufheizen als auch das kontrollierte Abkühlen der Bauzylinder sind Bestandteile des SLM-HUB. Die inerte Pulverentfernung erfolgt durch vollautomatische Rotation und Vibration der bebauten Substratplatte. Das unbenutzte Pulver wird vollständig entfernt und anschließend in die Tanks der zentralen Pulverförderung zurück-geführt und gesiebt, sodass ca. 98 % des nicht aufgeschmolzenen Pulvers wiederverwendet werden können. Bis zu fünf SLM-800 Maschinen können modular mit einem SLM-HUB betrieben werden (Bild 5). Die Maschinen werden automatisch durch Vakuumtechnologie von der zentralen Pulverstation mit integrierter Siebstation versorgt. Diese Automatisierung und verfahrenstechnischen Entwicklungen fördern das Erreichen der Wirtschaftlichkeitsziele.

Safety first

Als eine Herausforderung ist die Zertifizierung von Bauteilen und die Integration des 3-D-Drucks in bestehende Produktionslinien zu sehen. SLM Solutions unterstützt seine Kundenunternehmen durch fundierte Erfahrung und intelligente Software-Lösungen. Bei Zertifizierungen werden alle qualitätsrelevanten Prozessparameter mithilfe einer Auswirkungsanalyse (FMEA) analysiert sowie die Werte und deren Toleranzen für hohe Funktionalität im Bauteil ermittelt. Mithilfe der vorhandenen Qualitätssicherungstechnologie in SLM-Maschinen werden alle relevanten Werte dargestellt und gesteuert (Monitoring & Controlling).

Mit dem Melt-Pool-Monitoring (MPM) können beispielsweise die Vorgänge im Schmelzbad visualisiert werden. Das System erfasst die entstehende Wärmestrahlung aus der Schmelze während des gesamten Fertigungsprozesses. Die Soll- und die ausgegebene Ist-Laserleistung werden über das Laser-Power-Monitoring (LPM) kontinuierlich während des gesamten Fertigungsprozesses erfasst. Eine Überwachung des Pulverbetts erfolgt über das Layer-Control-System (LCS), das mögliche Unregelmäßigkeiten bei der Beschichtung detektiert. Diese Qualitätssicherungstools sorgen für eine fehlerarme Fertigung qualitativ hochwertiger Bauteile.

Ausblick

Das SLM Solutions-Verfahren wurde in Deutschland, unter anderem von SLM Solutions, entwickelt. Aus diesem Grund ist die Technologie in Deutschland sehr bekannt. Da bereits in den letzten 15 Jahren in Gesamteuropa ein großer Erfahrungsschatz aufgebaut wurde, ist die Bereitschaft die Technologie einzusetzen, verhältnismäßig groß. Es spricht vieles dafür, dass sich das selektive Laserschmelzen auch in der Druckgussindustrie durchsetzen wird, die passenden Lösungen und Systeme im SLM Solutions-Verfahren gibt es bereits.

Ralf Frohwerk, Global Head of Business Development, SLM Solutions Group AG, Lübeck

www.slm-solutions.com