28.08.2019

Additive Manufacturing – Konkurrenz oder Bereicherung?

Franz-Josef Wöstmann ist Abteilungsleiter Gießereitechnologie und Leichtbau am Fraunhofer IFAM in Bremen.

Das Fraunhofer IFAM in Bremen erforscht die lokale Integration additiv gefertigter Metallstrukturen in gegossene Bauteile. Ziel der Technologieentwicklung ist die Kombination der Vorteile der metallischen additiven Fertigung mit hohem Komplexitätsgrad und des wirtschaftlichen Metallgießprozesses. Die GIESSEREI fragte die Gießereiforscher in Bremen nach den Hintergründen, Vorteilen und Einsatzmöglichkeiten der Verfahrenskombination.

Wie ist die Idee zu dieser Kombination aus Druckgießen und Additive Manufacturing entstanden?
Im Druckgießprozess können Großserien geometrisch großer und dünnwandiger Gussbauteile wirtschaftlich realisiert werden. Allerdings stößt der Prozess bei komplizierteren Bauteilen mit gewünschter Funktionsintegration aufgrund von Fertigungsrestriktionen wie bspw. Hinterschneidungen an seine Grenzen. Der Einsatz von AM-Technologien wie dem sogenannten Laser-Strahlschmelzen (LBM) ermöglicht hingegen die Herstellung komplexer sowie funktionaler Geometrien aus diversen Metallen. Das Bauteilvolumen bestimmt hierbei allerdings maßgeblich die Fertigungszeit und somit die Kosten. Größere Bauteilserien sind aktuell deshalb noch nicht realisierbar. Insbesondere bei großen Bauteilen wie bspw. Strukturteilen oder Antriebskomponenten entsteht häufig die Diskrepanz zwischen dem Wunsch großvolumige Bauteile mit lokaler Funktionsintegration herzustellen. Die Verfahrenskombination des Druckgießens sowie des LBM-Prozesses unter den genannten Voraussetzungen bietet Potenzial für einen wirtschaftlichen Serienprozess.

Wo sehen Sie die Vorteile dieser Kombination? Was ist das Potenzial?
Je nach Anwendungsfall können die AM-Funktionsstrukturen entsprechend der Anforderungen konzeptioniert, ausgelegt und gefertigt werden. Es besteht die Möglichkeit sowohl die äußere Gestalt als auch innenliegende Bereiche zu funktionalisieren. Durch gradiert poröse oder offene, strukturierte Randschichten am AM-Bauteil, können die Verbindungseigenschaften zu der gegossenen Komponente definiert eingestellt werden. Mechanische Kennwerte der Fügezone werden dadurch optimiert und unerwünschte Steifigkeitssprünge reduziert. Durch die lokale Integration hochfester metallischer AM-Strukturen ist andererseits eine lastpfadgerechte Auslegung und Optimierung des Hybridgussteils möglich. Die mechanischen Eigenschaften können dadurch verbessert und an die jeweiligen Belastungen optimal angepasst werden. Für Anwendungen, in denen der Wärmeübergang im Fokus steht, bietet das Einbringen angepasster AM-Strukturen bspw. in Form eines Kühlkanals Vorteile. Eine vergrößerte und strukturoptimierte innere Oberfläche als auch eine gradierte Übergangszone zwischen AM-Bauteil und Gussbauteil bieten hervorragende Wärmeübergangskoeffizienten und dadurch eine gesteigerte Kühlleistung.

Können Sie uns einen näheren Einblick in die bisherigen Forschungsinhalte geben?
Um die Vorteile beider Verfahren in Kombination zu demonstrieren, wurde eine neuartige außen- und innenfunktionalisierte AM-Struktur in Form eines Gewindeträgers mit begrenztem Volumen realisiert, der in ein Druckgießteil integriert wurde. Durch das möglichst kleingehaltene AM-Bauteilvolumen des Gewindeträgers als Beispiel werden kurze Fertigungszeiten und gleichzeitig die Herstellung mehrerer Teile in einem Prozesszyklus ermöglicht. Der Gewindeträger vereint die Vorteile von Steck- und Schraubverbindungen und kompensiert gleichzeitig deren Nachteile. Im Inneren wurden in Anlehnung an ein Normgewinde flexible vereinzelte Pin-Strukturen entlang der Steigung eines Standardgewindes umgesetzt. Genormte Schrauben können einerseits in einem schnellen Steckvorgang mit dem Gewindeträger als Aufnahme gefügt, bei Bedarf die Schrauben durch eine Drehbewegung analog zu Schraubverbindungen aber auch wieder gelöst werden. Auf der äußeren Oberfläche des Gewindeträgers wurden verschiedene offene und offen poröse Strukturierungen untersucht, um anwendungsbezogen eine optimale Anbindung an das Gussteil zu gewährleisten.

Wo sehen Sie weiterhin Einsatzpotenziale dieser Verfahrenskombination?
Der hier vorgestellte Gewindeträger ist lediglich ein Beispiel dieser Technologiekombination in Form eines Demonstrators, um die Machbarkeit zunächst aufzuzeigen. Potenziale sehen wir zum Beispiel in der Realisierung dünner Kühlkanalstrukturen, die mittels des Druckgießverfahrens kaum oder gar nicht umgesetzt werden können. Hinsichtlich aktueller Bauteilentwicklungen sicherlich eine Anforderung, die mehr und mehr bspw. für Gehäusekomponenten, für elektrische Antriebe wie Motoren oder Batteriewannen an Bedeutung gewinnt. Auch passive Kühlelemente mit filigranen Strukturen können über diese Technologiekombination direkt umgesetzt werden.

Wie können diese zusätzlichen AM-Komponenten in den Prozess integriert werden?
Die Funktionselemente können im bestehenden Druckgießprozess direkt nach dem Trennmittelauftrag automatisiert zugeführt werden. Dadurch resultiert einerseits ein wirtschaftlicher Prozess zur Integration der Funktionselemente, andererseits können Nacharbeitsschritte eingespart werden.

Mit der GIESSEREI sprachen Armin Schmid, Jan Clausen, Franz-Josef Wöstmann und Claus Aumund-Kopp vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen