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Expertenbeitrag

 Tina Johnscher

Tina Johnscher

Projektmanagerin Additive Fertigung / Project Manager Additive Manufacturing, Bayern Innovativ GmbH

Verfahrensvergleich Additive Fertigung im Druckguss – Konkurrenz oder sinnvolle Ergänzung?

| Autor / Redakteur: Tina Johnscher, Eva Schenk / Joscha Riemann

Die Additive Fertigung wird derzeit vorwiegend für die Herstellung von Prototypen, Kleinserien und komplexen Geometrien eingesetzt. Doch auch für Druckgießereien, die große Stückzahlen in kurzer Zeit fertigen, kann der Einsatz dieser Zukunftstechnologie sinnvoll sein.

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Additive Fertigung im Druckguss
Additive Fertigung im Druckguss
(Bild: Pixabay)

Der Druckguss ist ein Verfahren zur Herstellung komplexer und überwiegend dünnwandiger Bauteile aus niedrigschmelzenden Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium, Kupfer oder Zink und deren Legierungen. Die Komplexität der Form wird dabei durch den hohen Druck beim Einspritzen in das Werkzeug (Druckgießform) und der daraus resultierenden hohen Fließgeschwindigkeit erreicht. Durch kühl- und beheizbare Werkzeuge können dabei eine hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte bei guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften durch relativ homogene Gefüge erzielt werden. Wichtig dabei ist die kontrollierte Kühlung der Druckgussteile in der Form sowie die Platzierung des Angusses. Bei Bauteilen, die über den Druckguss hergestellt werden, können typische Gussfehler wie Gaseinschlüsse, Lunker und Heißrisse vorkommen. Druckgussteile werden vorwiegend für den metallischen Leichtbau, beispielsweise in der Automobilindustrie, verwendet. Die Kosten für die Druckgießformen sind allerdings sehr hoch, außerdem ist die Herstellung zeitintensiv. Dies liegt vor allem daran, dass die Formen nach der Konstruktion und Simulation am Computer oft über spanende Verfahren wie Fräsen aus dem vollen Materialblock hergestellt und die notwendige hohe Oberflächengüte erreicht werden muss. Meist nachträglich müssen noch Kühlkanäle und Bohrungen für die Aufhängung und Mechanik hinzugefügt werden. Aufgrund der hohen Kosten für Druckgießwerkzeuge ist der Einsatz des Druckgusses erst ab einer Stückzahl von etwa 30.000 Teilen wirtschaftlich rentabel. [1]

Mittels Druckguss hergestelltes Bauteil.
Mittels Druckguss hergestelltes Bauteil.
(Bild: D.Quitter/konstruktionspraxis)

Was die additive Fertigung ausmacht

Die Additive Fertigung wird aktuell überwiegend für die Herstellung von Einzelteilen und Kleinserien angewendet. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass es mittlerweile zahlreiche Verfahren gibt, die der Additiven Fertigung zugerechnet werden. Für die metallische Additive Fertigung sind vor allem pulverbettbasierte Verfahren wie das Laserstrahlschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder auch Binder-Jetting verbreitet. Zu den Verfahren mit höheren Aufbauraten zählen beispielsweise das Wire-Arc-Additive-Manufacturing (WAAM) oder auch das Laserauftragsschweißen. Auch Verfahren, die klassisch für die Erzeugung von Polymerbauteilen genutzt werden, werden durch das Einbringen von Metallpulvern für die Herstellung metallischer Bauteile angepasst (beispielsweise das BMD-Verfahren von Desktop Metal, oder der ADAM-Prozess von Mark3D) [2] [3]. Die erzeugten Teile werden im Nachgang ähnlich wie metallische Sinterteile verdichtet. Grundsätzlich können auch die im Druckguss verwendeten Leichtmetalle durch Additive Verfahren verarbeitet werden. [4] Für Kupferlegierungen wurden laserbasierte Verfahren mit grünen statt den üblichen roten Lasern entwickelt, auch über Elektronenstrahlschmelzen lassen sich Kupferlegierungen und vor allem auch Reinkupfer verarbeiten. [5] [6] Je nach angestrebten Bauteileigenschaften und Rahmenbedingungen wie

  • Kosten
  • Komplexität
  • Nachbearbeitungsaufwand
  • Prozessgeschwindigkeit
  • Bauteilgröße etc.

müssen unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Grundsätzlich bietet die Additive Fertigung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie dem Druckguss folgende Vorteile:

  • Nahezu beliebige Komplexität ohne Mehrkosten
  • Geringe Losgrößen ohne Mehrkosten
  • Leichte und schnelle Anpassung/Änderung des Bauteils
  • Flexible Fertigung auf Abruf

Allerdings kann selbst der schnellste additive Fertigungsprozess (noch) nicht mit den Prozessgeschwindigkeiten beim Druckguss mithalten. Besonders bei großen Stückzahlen von Bauteilen, deren Komplexität im Druckguss darstellbar ist, lohnt sich aus wirtschaftlichen Aspekten der Einsatz additiver Technologien in der Serienfertigung nicht.

Wann lohnt sich additive Fertigung im Druckguss?

Dennoch ist die Additive Fertigung für Druckgießereien interessant. Da vor allem die Herstellung der Werkzeuge äußerst kostenintensiv ist, können hier die Potenziale der Additiven Fertigung voll ausgespielt werden. Die hohe Designfreiheit der additiven Verfahren ermöglicht die Integration von Bohrungen und Halterungen während des Bauprozesses. Außerdem lassen sich komplexe Formen und bessere Funktionen durch den 3D-Druck abbilden. Innenliegende, komplex geformte und oberflächennahe Kühlkanäle, die bisher nicht möglich waren, können nun realisiert werden. Auch verschlissene Werkzeuge können durch Verfahren wie das WAAM oder das Laserauftragsschweißen repariert werden, wodurch die teure Nachproduktion entfällt. Sinnvoll ist vor allem die Herstellung von Werkzeugeinsätzen über die Additive Fertigung, da hierdurch die Bauzeit im Vergleich zu kompletten Werkzeugen deutlich verringert, aber die Vorteile der hohen Komplexität und innenliegender Kühlkanäle dennoch genutzt werden können. [7]

Die mit dem SLM-Verfahren hergestellten Einsätze dieser Druckgussform enthalten interne Kanäle, die eine konturnahe Temperierung ermöglichen.
Die mit dem SLM-Verfahren hergestellten Einsätze dieser Druckgussform enthalten interne Kanäle, die eine konturnahe Temperierung ermöglichen.
(Bild: Oskar Frech GmbH & Co. KG)

Auch die Additive Fertigung mit Kunststoffen kann für Druckgießereien interessant sein. Diese Verfahren sind oftmals kostengünstiger als die für Metalle und ermöglichen vor allem die einfache und schnelle Erstellung von Prototypen und Modellen. Dies verringert die Entwicklungszeit für neue Werkzeuge und Produkte. Schließlich ist die direkte Fertigung von Kleinserien und Einzelteilen, die durch die aufwendige Werkzeugherstellung für Druckgießereien unwirtschaftlich ist, durch additive Prozesse eine Möglichkeit, neue Kunden und Märkte zu erschließen.

Know-How in AM und Druckguss entscheidend

Das vorhandene Know-how über die Verarbeitung und Eigenschaften der Leichtmetalle sowie die Zusammenhänge von Mikrostruktur und mechanischen und physikalischen Eigenschaften können für die Additive Fertigung adaptiert werden. Hierdurch können Unternehmen neue Kompetenzen aufbauen und ihr Portfolio erweitern. Dabei sollte allerdings bedacht werden, dass beim aktuellen Entwicklungsstand der Maschinen auch viel verfahrensspezifisches Know-how aufgebaut und eingebracht werden muss. Zur Steuerung der Prozesse müssen meist sehr viele Parameter definiert werden und deren Einfluss auf das Bauteil bekannt sein, um die Bauteileigenschaften vorhersagen zu können. Vor allem, wenn Einzelteile gefertigt werden sollen, ist eine zerstörungsfreie Prüfung der Bauteile notwendig, um das kostenintensive Produzieren von Prüfkörpern zu vermeiden.

Über die Koordinierungsstelle Additive Fertigung

Die bei der Bayern Innovativ GmbH angesiedelte Koordinierungsstelle Additive Fertigung vernetzt als Knotenpunkt alle Kompetenzträger sowie Neueinsteiger im 3D-Druck und verknüpft Aktivitäten rund um das Zukunftsthema. Ziel ist es, die Technologieführerschaft Bayerns auszubauen. Die Koordinierungsstelle will insbesondere dem Mittelstand den Einstieg in die Additive Fertigung erleichtern.
www.bayern-innovativ.de

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