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Gießen & Additiv

Hybride Fertigungsketten für automobile Anwendungen

Additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting/LBM) oder das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) bieten den Vorteil der werkzeuglosen, endkonturnahen Fertigung komplexer Geometrien. Die Herstellung geometrisch komplexer, topologieoptimierter Bauteile in Einzelfertigung bis hin zur Kleinserie ist besonders für die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, den Werkzeugbau und zunehmend auch für den Automobilbau interessant.

Trotz der Vielzahl der Vorteile halten additive Verfahren nur langsam Einzug in die industrielle Fertigung. Hauptgrund dafür sind relativ lange Fertigungszeiten und damit hohe Fertigungskosten. Im Unterschied zur additiven Fertigung können beim Druckgießen hohe Stückzahlen in kurzer Zeit hergestellt werden. Dies liegt unter anderem an der sehr hohen Formfüllgeschwindigkeit von bis zu 12 m/s und der damit einhergehenden kurzen Zykluszeit von nur wenigen Minuten pro Bauteil. Die hohe Produktivität ist jedoch auch mit Nachteilen verbunden. Bauteile höherer Komplexität mit Hinterschneidungen und Kühlkanälen sind nicht oder nur bedingt darstellbar und erfordern aufwendige Gussformen, in denen zudem jeweils nur eine Bauteilgeometrie gegossen werden kann. Zusätzlich resultieren hohe mechanische Anforderungen, Verschleiß beim Auftreffen der Schmelze und Temperaturschwankungen in kostenintensiven Druckgießformen.

Die hier beschriebenen Arbeiten haben sich zum Ziel gesetzt, die additive Fertigung mit dem Druckgießen zu neuartigen, hybriden Fertigungsketten zu vereinen und so die Vorteile beider Verfahren optimal zu nutzen. Einfach geformte, großvolumige Einheitsbereiche sollen aus Zeit- und Kostengründen druckgegossen werden. Funktionalisierte bzw. hochkomplexe Bauteilbereiche werden additiv hergestellt. Die hybride Fertigung kann, wie im Projekt demonstriert, in zwei verschiedenen Szenarien erfolgen.

Bei dieser Verfahrensvariante werden komplexe Bauteilkomponenten wie Versteifungen, Wärmetauscher und Adaptergeometrien designt und mittels Laserstrahlschmelzen gefertigt und in die Druckgussform eingelegt. Beim eigentlichen Druckgießprozess werden sie dann an- bzw. umgossen. Der Einfluss verschiedener Schnittstellengeometrien und Oberflächenmodifikationen auf die Adhäsion sowie auf die Verbindung zwischen additiven und druckgegossenen Bauteilbereichen durch Form- bzw. Kraftschluss wurde untersucht.

Als Grundlage für den Demonstrator diente die Druckgießform eines Nebenaggregatehalters aus der Automobilindustrie. Die Gießform wurde so modifiziert, dass die komplexen Einlegeteile modular in der Form aufgenommen werden können. Bei Entwicklung und Konstruktion der laserstrahlgeschmolzenen Einlegeteile wurde besonderes Augenmerk auf die Schnittstellengeometrien und Oberflächenmodifikationen in der Anbindungszone gelegt. Die Funktionsgeometrien wurden durch Um- und Angießen im Druckgießprozess zu einem monolithischen Bauteil verbunden. Die Auswahl der Schnittstellengeometrien erfolgte basierend auf numerischen Berechnungen der Festigkeit und des Gießprozesses. Um die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen zwischen den verschiedenen Geometrien und Materialien zu bestimmen, wurden auf Grundlage der Normen DIN EN 20125:2016-12 und DIN 50099:2015-08 spezielle Prüfkörper entwickelt, multikriteriell bewertet und geprüft. Die Strukturen Trichter, Pilz und Bogen wurden als besonders geeignet eingestuft. Die ermittelten Kennwerte ergaben, dass mit der Struktur „Pilz“ über alle Materialkombinationen hinweg die besten mechanischen Eigenschaften der betrachteten Verbindungen erreicht werden konnten. 

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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 03/2020 Seiten 40-44
© BDG, Düsseldorf
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Großes Potenzial für den Automobilleichtbau: Über Hybride Fertigungsprozesse können Guss-Gleichteile gezielt derivatisiert werden.

FOTO: EDAG