Additive Fertigung ermöglicht großformatige Druckgusswerkzeuge

Forschende des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT haben gemeinsam mit MacLean-Fogg und Toyota erstmals ein großvolumiges Druckguss-Werkzeuginlay mithilfe von Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) gefertigt. Grundlage ist der neu entwickelte Werkzeugstahl L-40, der die additive Herstellung stark belasteter Werkzeuge erlaubt und erstmals konturnahe Kühlung in großformatigen Aluminiumdruckgussformen ermöglicht. Das Verfahren wurde am Beispiel eines hybriden Werkzeugs für das Getriebegehäuse des Toyota Yaris Hybrid erfolgreich demonstriert.

Additiv gefertigtes Druckguss-Werkzeuginlay aus dem Werkzeugstahl L-40: Die großvolumige Form wurde am Fraunhofer ILT per Laser Powder Bed Fusion hergestellt – mit konturnaher Kühlung.

Neue Werkstoff- und Maschinentechnik für großvolumige Anwendungen

Bislang war die additive Fertigung großformatiger Druckgussformen durch begrenzte Bauvolumina und hohe Rissneigung klassischer Werkzeugstähle wie H11 oder H13 eingeschränkt. Mit dem am Fraunhofer ILT entwickelten gantry-basierten 5-Laser-System konnte das Bauvolumen nun auf 1.000 × 800 × 350 mm³ erweitert werden. In Kombination mit einer beheizbaren Bauplattform, die bis zu 200 °C erreicht, lassen sich thermisch bedingte Spannungen deutlich reduzieren.

„Um diese Limitation zu überwinden, braucht es eine neue Generation von Maschinen und Werkstoffen, die speziell auf großformatige Werkzeuge zugeschnitten sind“, erklärt Niklas Prätzsch, Gruppenleiter LPBF-Prozesstechnik am Fraunhofer ILT. „Genau diese Kombination war Gegenstand der nun realisierten Entwicklungen.“

Loading component...

Werkstoff L-40 mit hoher Prozesssicherheit

Der von MacLean-Fogg entwickelte Werkzeugstahl L-40 wurde gezielt auf die Anforderungen der additiven Fertigung abgestimmt. Er weist im Vergleich zu konventionellen Stählen eine geringere Rissneigung auf und erreicht bereits im as-built-Zustand hohe mechanische Kennwerte: 48 HRC Härte, 1420 MPa Zugfestigkeit und über 60 J Kerbschlagzähigkeit. Damit eignet sich der Werkstoff auch für großvolumige Werkzeugeinsätze mit komplexen Geometrien und frei gestalteten Kühlkanälen.

Grafischer Vergleich der Standzeit konventionell gefertigter und additiv hergestellter Werkzeuge aus L-40 — Vergleich der Standzeit konventionell gefertigter und additiv hergestellter Werkzeuge aus L-40: Die optimierte konturnahe Kühlung temperiert kritische Zonen gezielt, reduziert die thermische Belastung und steigert die Lebensdauer. In früheren Projekten steigerte sich die Lebensdauer der Werkzeuge um fast das Vierfache.

Loading component...

Newsletter der EUROGUSS 365

Registrieren Sie sich, um keine Informationen und Neuigkeiten der Druckgussbranche zu verpassen!

Zum Newsletter!

Loading component...

Hybride Fertigung verkürzt Durchlaufzeiten

Für die Werkzeugherstellung kombinierten die Projektpartner additive und konventionelle Verfahren. Der auf einer Preform aufgebaute Formeinsatz beinhaltet ein dichtes Netzwerk konturnaher Kühlkanäle, die eine gezielte Temperierung kritischer Bereiche ermöglichen und so die Standzeit deutlich verlängern. Frühere Anwendungen zeigten bereits eine bis zu vierfach höhere Lebensdauer gegenüber herkömmlichen Werkzeugen aus H13-Stahl.

Nach dem Aufbau folgten eine industrielle Wärmebehandlung und präzise Fräsbearbeitung der Funktionsflächen. Aufgrund der hohen Maßhaltigkeit des additiven Grundkörpers war nur eine minimale Nachbearbeitung erforderlich.

Additive Fertigung als Wegbereiter effizienter Werkzeugstrategien

Die Technologie eröffnet neue Perspektiven für OEMs, die ihre Produktionsarchitekturen an die Anforderungen der Elektromobilität anpassen. Großvolumige Werkzeuge können künftig schneller und flexibler gefertigt werden – mit kürzeren Entwicklungszeiten, geringerem Materialeinsatz und längerer Lebensdauer.

„Mit L-40 haben wir uns vorgenommen, die Grenzen der additiven Fertigung für Druckgusswerkzeuge zu verschieben“, sagt Harald Lemke, Director of Product Management bei MacLean-Fogg Component Solutions.

„Dieses Projekt zeigt, dass großformatige, hochbelastbare Einsätze wirtschaftlich realisierbar sind. Additive Fertigung ist bereit für den industriellen Maßstab.“

Breites Anwendungspotenzial

Die entwickelte Prozesskette aus skalierbarer PBF-LB/M-Technologie, neuem Werkstoff und hybridem Aufbau eignet sich nicht nur für Aluminium-HPDC-Werkzeuge, sondern auch für Warm- und Kaltumformwerkzeuge, Stanz-, Gewinde- oder Spritzgießeinsätze. Überall dort, wo komplexe Kühlstrukturen und hohe Belastbarkeit gefordert sind, kann die additive Fertigung künftig deutliche Effizienzvorteile bieten.