CAD-Modell des Kurbelwellen-Segments nebst zugehörigem, generativ gefertigten Schmiedegesenk.

Bilder: Fraunhofer IWU

Universelles Muttergesenk mit generativ gefertigtem Gesenkeinsatz und Rohling.

In Wochenfrist zum Prototyp

PDF

Zurück

Erstmals im Werkzeugbau eingesetzt worden waren generative Verfahren nach dem Aufkommen der so genannten Rapid-Technologies vor rund zwanzig Jahren wie der Stereolithographie oder dem Laminated Object Manufacturing (LOM). Sie sind unter der Kategorie Rapid Tooling bekannt. Mit der Entwicklung des Lasersinter-Verfahrens (SLS) und insbesondere dem Metall-Laser-Sinterns wurde prinzipiell auch die direkte generative Herstellung metallischer Werkzeuge möglich. Aber erst mit Entstehen des Laserstrahl-Schmelzens ließen sich Werkzeugbaustähle generativ in Serie verarbeiten. Sie wurden im Herstellprozess vollständig aufgeschmolzen und lieferten so ein fast zu 100 % dichtes Werkstoffgefüge. Die Massivumformung indes wurde bisher kaum auf Chancen für generativ gefertigte Werkzeuge untersucht. Die erfolgreiche Anwendung im Kunststoff-Spritzgießen und Leichtmetall-Druckgießen zeigt jedoch, dass eine genauere Betrachtung sich lohnt.
Beim Laserstrahlschmelzen wird das Bauteil ausgehend von seinem 3D-CAD-Modell schichtweise aus pulverförmigem Werkzeugstahl aufgebaut. Es können aber auch andere Serienwerkstoffe wie Edelstahl, Aluminium, Titan oder Inconel verarbeitet werden. Das Material wird durch einen Laser lokal komplett aufgeschmolzen und erhält nach Erstarrung ein vollständig dichtes Gefüge. Die mechanischen Eigenschaften stehen konventionell gefertigten Werkzeugen in der Regel nichts nach. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus der Bauteile – der Generierung – bietet dieses Verfahren unbegrenzte gestalterische sowie konstruktive Freiheit und ermöglicht die Fertigung beliebig komplexer Geometrien und innerer Strukturen, beispielsweise solche von Kühlkanälen. Durch die Fertigung von Werkzeugeinsätzen mittels Laserstrahl-Schmelzen und deren Einbau in konventionell gefertigte Tools lassen sich Mehrwert und Zusatzfunktionalitäten lokal in Umformwerkzeuge zusammenfassen – und zwar genau an der gewünschten Stelle.

Am Fraunhofer IWU konnte so ein Prototypen-Schmiedegesenk für ein Leichtbau-Kurbelwellensegment generativ gefertigt und erfolgreich im Schmiedeprozess eingesetzt werden. Die Laserstrahl-geschmolzenen Einsätze widerstanden dabei der hohen Temperatur und mechanischen Beanspruchung beim Schmieden und ermöglichten die erfolgreiche Teilefertigung. Gerade für das Schmieden fordert die Industrie echte Werkzeug-Prototypen in kürzestmöglicher Lieferzeit. Das ehrgeizige Ziel, echte Schmiedestücke innerhalb einer Woche zu liefern, gab den Ansporn, Gesenkeinsätze mittels Laserstrahl-Schmelzen zu fertigen. Die Schmiedetechnik selbst soll auf diese Weise einen Schub für neue Serienanwendung erfahren. So kann der Bauteil-Konstrukteur echte Schmiedeteile bereits im Entwicklungszyklus und der Entscheidungsphase über die Serien-Fertigungstechnik in Händen halten und sogar testen. Die niedrigeren Oberflächen- und Maßhaltigkeits-Anforderungen beim Schmieden bieten die Chance, auf eine mechanische Nachbearbeitung der Gesenkkontur zu verzichten, wodurch sich eine erhebliche Zeiteinsparung in der Werkzeugfertigung ergibt – nicht nur durch die entfallene Bearbeitungsoperation selbst, sondern auch durch den Wegfall aller Vorbereitungsschritte.
Projektziel war, die Anwendbarkeit Laserstrahl-geschmolzener Werkzeuge im Gesenkschmieden zur Herstellung geschmiedeter Prototypen nachzuweisen, basierend auf einem realen Referenzteil mit anspruchsvoller Geometrie und unter Nutzung einer Standard-Schmiedepresse für Zwecke der Serienproduktion. Das Referenzteil für dieses Projekt war ein Segment einer Pkw-Leichtbau-Kurbelwelle, die aus einzelnen Segmenten zusammengefügt wird. Das Teil repräsentiert typische Anforderungen an ein Schmiedewerkstück wie mittlere Komplexität, tiefe Kavität und Napf-Form. Eine besondere Herausforderung hierbei waren die zwei asymmetrisch versetzten Dorne zur Formung der hohlen Zapfen mit unrunder innerer Kontur, die die Formfüllung und den damit verbundenen Materialfluss schwierig gestalten. Dies führt im Schmiedeprozess zu zusätzlichen, auf das Werkzeug wirkenden Scherkräften.
Zum Erreichen kurzer Lieferzeiten konnte der Fertigungsaufwand für das Gesenk durch die Verwendung eines konventionell gefertigten universellen Muttergesenks begrenzt werden, in das die Laserstrahl-geschmolzenen Aktivteile eingesetzt werden. Beide Gesenkeinsätze wurden am Fraunhofer IWU generativ mittels Laserstrahlschmelzen hergestellt. Beide Einsätze wurden vor jeglichen Polierarbeiten vermessen und zeigten sehr gute Maßhaltigkeit mit typischen Abweichungen von weniger als 0,1 mm. Die Gesenkkontur wurde nicht mechanisch nachbearbeitet, sondern lediglich gründlich von Hand poliert und gestrahlt. Der Außendurchmesser und die Rückseite wurden auf Presspassung zum Muttergesenk nachgefräst. Nach der Bearbeitung wurden die Einsätze in das Muttergesenk eingeschrumpft und so das Schmiedegesenk produktionsfertig montiert. Die Versuche fanden am Fraunhofer IWU in Chemnitz auf einer konventionellen, serientypischen Kupplungs-Spindelpresse statt.

Eine Schlüsselrolle für künftige Anwendungen spielen der Anstieg der Bauraten und der Preis für das Pulvermaterial. Hierbei hat das Fraunhofer IWU bereits Erfolge erzielt: Mit einem 400-W-Laser wurde die Produktivität beim Laserstrahl-Schmelzen um 80 % gegenüber dem marktüblichen 200-W-Laser gesteigert – bei gleich bleibender Gefügedichte von 99,8 %. Außerdem konnten die Preise des Ausgangsmaterials dank verbesserter Herstellung um 30 % gesenkt werden. Weitere Forschungen am Fraunhofer IWU betreffen das so genannte Downsizing. So soll das Volumen der Werkzeugeinsätze verringert werden sowie hybride Konzepte aus gefrästem Grundkörper und generativ erzeugtem Konturaufbau entwickelt werden. Aber auch Fügetechnik zur einfachen Verbindung der Laserstrahl-geschmolzenen Einsätze mit universellen Mutterwerkzeugen wird erforscht. Die Wissenschaftler am Fraunhofer IWU sind zuversichtlich, bald das von der Industrie formulierte Ziel echter Schmiedeteile innerhalb einer Woche durch Laserstrahl-Schmelzen von Schmiedegesenken zu erreichen.