Mit kühl- und beheizbaren Werkzeugen lassen sich hohe Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität sowie gute mechanische und physikalische Eigenschaften durch relativ homogene Gefüge erreichen. Ein wichtiger Faktor ist die kontrollierte Abkühlung der Druckgussteile in der Form und die Positionierung des Angusses. Typische Gussfehler wie Gaseinschlüsse, Lunker und Heißrisse können in druckgegossenen Bauteilen auftreten. Druckgussteile werden hauptsächlich für den metallischen Leichtbau verwendet, zum Beispiel in der Automobilindustrie.
Gießen nur in großen Mengen rentabel
Druckgussformen sind jedoch sehr teuer und der Herstellungsprozess ist zeitaufwändig. Das liegt vor allem daran, dass die Formen nach dem Entwurf und der Simulation am Computer oft durch spanabhebende Verfahren wie Fräsen aus dem vollen Materialblock hergestellt werden müssen, um die geforderte hohe Oberflächenqualität zu erreichen. Kühlkanäle und Bohrungen für die Aufhängung und die Mechanik müssen in den meisten Fällen später hinzugefügt werden. Da Druckgusswerkzeuge sehr teuer sind, lohnt sich ihr Einsatz erst ab einer Stückzahl von etwa 30.000 Teilen wirtschaftlich.
Die additive Fertigung wird derzeit hauptsächlich zur Herstellung von Einzelteilen und Kleinserien eingesetzt. Mittlerweile gibt es jedoch zahlreiche Verfahren, die unter die Definition der additiven Fertigung fallen. Zur Herstellung von Metallteilen sind pulverbettbasierte Verfahren wie Laserstrahlschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder Binder-Jetting weit verbreitet. Zu den Verfahren mit höherer Baurate gehören die additive Fertigung mit Drahtbogen (WAAM) oder das Laserauftragsschweißen. Auch Verfahren, die typischerweise für die Herstellung von Polymerbauteilen verwendet werden, werden durch die Zugabe von Metallpulvern für die Herstellung von Metallbauteilen angepasst (zum Beispiel das BMD-Verfahren von Desktop Metal oder das ADAM-Verfahren von Mark3D). Die Teile werden anschließend wie metallische Sinterteile verdichtet. Prinzipiell können auch die im Druckguss verwendeten Leichtmetalle mit additiven Verfahren verarbeitet werden. Für Kupferlegierungen wurden laserbasierte Verfahren mit grünen statt der üblichen roten Laser entwickelt, und vor allem reines Kupfer kann auch durch Elektronenstrahlschmelzen bearbeitet werden.
AM bietet mehrere Vorteile
Je nach gewünschten Bauteileigenschaften und Rahmenbedingungen (Kosten, Komplexität, Nachbearbeitungsaufwand, Prozessgeschwindigkeit, Bauteilgröße usw.) müssen unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Die additive Fertigung bietet gegenüber konventionellen Verfahren wie dem Druckguss folgende Vorteile:
- Nahezu beliebige Komplexität ohne Zusatzkosten
- Kleine Losgrößen ohne zusätzliche Kosten
- Einfache und schnelle Anpassung/Veränderung des Bauteils
- Flexible Produktion auf Abruf
Allerdings kann selbst das schnellste additive Fertigungsverfahren (noch) nicht mit den Prozessraten des Druckgusses mithalten. Insbesondere große Stückzahlen komplexer Bauteile, die im Druckguss hergestellt werden können, lassen sich mit der additiven Fertigung nicht wirtschaftlich herstellen.
Dennoch ist die additive Fertigung für Druckgussgießereien attraktiv. Da die Herstellung von Spezialwerkzeugen extrem teuer ist, kann das Potenzial der additiven Fertigung voll ausgeschöpft werden. Der hohe Grad an Gestaltungsfreiheit, den die additiven Verfahren bieten, ermöglicht die Integration von Bohrungen und Halterungen während des Konstruktionsprozesses. Außerdem lassen sich mit dem 3D-Druck komplexe Formen und bessere Funktionen abbilden. Innere, komplexe und oberflächennahe Kühlkanäle, die bisher nicht möglich waren, können nun realisiert werden. Auch verschlissene Werkzeuge können durch Verfahren wie WAAM oder Laserauftragsschweißen repariert werden, was eine teure Nachfertigung überflüssig macht. Besonders sinnvoll ist es, Werkzeugeinsätze mittels additiver Fertigung herzustellen, da sich dadurch die Bauzeit im Vergleich zu kompletten Werkzeugen deutlich reduziert, aber dennoch die Vorteile der hohen Komplexität und der internen Kühlkanäle genutzt werden können.
Auch für Druckgussgießereien kann die additive Fertigung mit Kunststoffen eine interessante Option sein. Diese Verfahren sind oft kostengünstiger als die für Metalle und erlauben vor allem die schnelle und einfache Realisierung von Prototypen und Modellen. Dadurch wird die Entwicklungszeit für neue Werkzeuge und Produkte verkürzt.
Neue Kunden und Märkte
Schließlich ist die direkte Fertigung von Kleinserien und Einzelteilen, die für Druckgießereien aufgrund der aufwendigen Werkzeugherstellung unwirtschaftlich ist, eine Möglichkeit, durch additive Verfahren neue Kunden und Märkte zu gewinnen. Das vorhandene Know-how über die Verarbeitung und die Eigenschaften von Leichtmetallen sowie über die Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und mechanischen und physikalischen Eigenschaften kann an die additive Fertigung angepasst werden. Dies ermöglicht es den Unternehmen, neue Kompetenzen zu entwickeln und ihr Portfolio zu erweitern.
Allerdings ist zu bedenken, dass bei dem derzeitigen Entwicklungsstand der Maschinen auch viel prozessspezifisches Know-how entwickelt und angewendet werden muss. Um die Prozesse zu beherrschen, müssen in der Regel viele Parameter definiert werden und deren Auswirkung auf das Bauteil bekannt sein, um die Eigenschaften des Bauteils vorhersagen zu können. Insbesondere wenn Einzelteile gefertigt werden sollen, ist eine zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile notwendig, um die kostenintensive Herstellung von Mustern zu vermeiden.
