Der eigens entwickelte Werkzeugstahl L-40 erlaubt erstmals die additive Fertigung stark belasteter, großvolumiger Werkzeuge und so die Umsetzung konturnaher Kühlung. Erste Ergebnisse kleinerer Werkzeuge, die Toyota bereits in der Serie einsetzt, deuten auf eine deutlich verlängerte Standzeit der additiv gefertigten Werkzeuge hin. In einem aktuellen interdisziplinären Projekt entstand somit ein hybrides, großvolumiges Werkzeug für das Getriebegehäuse des Toyota Yaris Hybrid. Das kombinierte Verfahren mit konventionellem Vorformling plus additiv gefertigter Strukturen verkürzt die Fertigungszeit, senkt die Kosten und erlaubt eine hohe Variantenvielfalt auf einer gemeinsamen Werkzeugplattform.

Im Umbruch

Kostendruck und der Übergang zur Elektromobilität zwingen viele Hersteller dazu, ihre Fahrzeugarchitektur und Produktionsprozesse grundlegend zu überdenken. Viele Hersteller reduzieren derzeit die Zahl einzelner Pressteile und streben nach möglichst wenigen aber hochkomplexen Strukturbauteilen. Gerade bei großen Aluminiumbauteilen, etwa Rahmen- oder Getriebekomponenten, steigen damit auch die Anforderungen an die Werkzeuge: Sie müssen thermisch hochbelastbar sein, Varianten erlauben und sich möglichst schnell an neue Geometrien anpassen lassen. Dieser Wandel bringt neue Herausforderungen mit sich: Die dafür benötigten Gussformen müssen nicht nur größer sein als bisher, sondern auch widerstandsfähiger bei gleichzeitig komplexer Geometrie und kürzeren Entwicklungszeiten.

Interdisziplinäres Projekt

Genau hier setzt ein Projekt am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT gemeinsam mit dem L-40 Pulverhersteller MacLean-Fogg und Toyota als Endanwender an. Durch den Einsatz einer am Fraunhofer ILT entwickelten gantry-basierten PBF-LB/M Maschine mit skalierbarem Bauvolumen und dem von MacLean-Fogg für die additive Fertigung entwickelten Werkzeugstahl konnten erstmals sehr große Druckgussformen mit konturnaher Kühlung additiv gefertigt werden – geeignet für großvolumige Hochdruckguss (HPDC) Komponenten.

"Massive Geometrien führten im PBF-LB/M bislang zu Eigenspannungen und kritischen Defekten", erklärt Niklas Prätzsch, Gruppenleiter LPBF-Prozesstechnik am Fraunhofer ILT. "Genau diese Kombination war Gegenstand der nun realisierten Entwicklungen." Die neue Material- und Maschinentechnologie erlaubt es erstmals, auch großvolumige Werkzeuge mit freigeformter Kühlstruktur zu fertigen. Dadurch lassen sich nicht nur lokale Temperaturspitzen im Gussprozess gezielt absenken, auch die Variantenvielfalt bei gleichzeitig hoher Lebensdauer steigt. So lassen sich auf einer Werkzeugplattform unterschiedliche Bauteile fertigen, ohne jedes Mal neue Werkzeuge herstellen zu müssen.

Skalierbare Fertigung

Hierzu wurde die am Fraunhofer ILT entwickelte Gantry-basierte 5-Laser PBF-LB/M Maschine mit einem derzeitigen Bauvolumen von 1.000 x 800 x 350 mm³ weiterentwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen verfügt sie über einen verfahrbaren Bearbeitungskopf und lokaler Schutzgasführung, sodass das Bauvolumen bei gleichen Prozessrandbedingungen (Schutzgas-Strömungsgeschwindigkeit, Laserstrahl-Auslenkwinkel, etc.) entlang der Maschinenachsen linear skalierbar ist. Damit lassen sich perspektivisch auch noch größere Werkzeuge additiv herstellen als das in diesem Projekt betrachtete Werkzeuginlay mit einem Volumen von über 20.000 cm³ und einer Bounding Box von 515 x 485 x 206 mm³. Um die bei großvolumigen Werkzeugen kritischen Temperaturgradienten zu minimieren, wurde zusätzlich ein beheizbares Substratmodul entwickelt. Die Bauplattform erreicht nun eine Temperatur von 200 °C, wodurch jede neue Schicht nicht auf Raumtemperatur, sondern nur auf ein vordefiniertes thermisches Plateau abkühlt. Dieser Ansatz reduziert thermisch-induzierte Spannungen und die Gefahr von Rissbildung während des Bauprozesses. Die Kombination aus großem Bauraum, hoher Prozessstabilität und aktiver Vorheizung macht diese Anlage weltweit zu einem der ersten LPBF-Systeme, das für die wirtschaftliche Fertigung von einsatznahen Druckgussformen auch für Mega oder Giga Casting geeignet ist.

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