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Expertenbeitrag

 Markus Oettel

Markus Oettel

Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Hybridfertigung Additive Fertigung und Guss - ein neuartiger Hybridansatz

| Autor / Redakteur: Markus Oettel, Stefan Polenz, Sebastian Flügel, Andreas Kleine, Andreas Schrader / Stefan Guggenberger

Die Additive Fertigung findet zunehmend Anwendung im industriellen Umfeld. Lange Fertigungszeiten hemmen jedoch derzeit einen Einsatz in der Groß-Serienfertigung, wie sie in der Automobilbranche üblich ist. Die Verbindung klassischer Verfahren mit AM kann eine Lösung sein, diese Herausforderung zu bewältigen.

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Dieser Demonstrator zeigt, wie durch die Verbindung von Guss und AM das Blistern (Expansion der unter Druck eingeschlossenen Gase) nahezu komplett unterbinden wird. Die Demonstratorbauteile für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen zur Umsetzung von Szenario 2 wurden durch Audi von einem externen Gießer zur Verfügung gestellt.
Dieser Demonstrator zeigt, wie durch die Verbindung von Guss und AM das Blistern (Expansion der unter Druck eingeschlossenen Gase) nahezu komplett unterbinden wird. Die Demonstratorbauteile für das Laser-Pulver-Auftragsschweißen zur Umsetzung von Szenario 2 wurden durch Audi von einem externen Gießer zur Verfügung gestellt.
(Bild: Fraunhofer IWS und YXLON)

AM und Leichtmetallguss ergänzen sich

Die Additive Fertigung findet zunehmend Anwendung im industriellen Umfeld. Die geometrischen Freiheiten der Verfahren, insbesondere des Laserstrahlschmelzens (LBM) und des Laser-Pulver-Auftragschweißens (LMD), ermöglichen bisher nicht herstellbare Strukturen in metallischen Materiealien umzusetzen. Lange Fertigungszeiten hemmen jedoch derzeit einen Einsatz in einer Groß-Serienfertigung, wie beispielsweise in der Automobilindustrie.

Um die beschriebenen Herausforderungen zu adressieren, wurden neuartige hybride Prozessketten entwickelt, welche die Vorteile der Additiven Fertigung mit denen des Leichtmetalldruckgusses kombinieren und an zwei Demonstratoren aus dem Bereich Automotiv umgesetzt. Im Projekt wurden LBM (Szenario 1) und LMD (Szenario 2) jeweils mit dem Leichtmetalldruckguss kombiniert. Im Szenario 1 wurden additiv gefertigte Funktionsstrukturen um- beziehungsweise angegossen, um verschiedene Varianten und zusätzliche Funktionen im Druckgussbauteil Halter Nebenaggregate abzubilden. Für eine Individualisierung und Verstärkung wurden, im Szenario 2, auf dem Gussbauteil Motorstütze Geometriebereiche aufgetragen.

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Umsetzung Szenario 1 - Laserstrahlschmelzen (LBM)

In dieser Animation ist der Demonstrator mit den additiv gefertigten Funktionsgeometrien dargestellt:

Wie in der Animation zu sehen, besitzt das Druckgussbauteile eine Bauteilverstärkung aus Edelstahl (rot), eine flexible Adaptergeometrie aus Aluminium (grün) sowie einen Wärmetauscher aus einer kupferhaltigen Legierung (orange). Die Funktionsgeometrien wurden durch Um- und Angießen im Druckgießprozess zu einem monolithischen Bauteil verbunden. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Verbindung zwischen AM und Druckgussteil durch spezifisch entwickelte Interfacestrukturen.

Um die mechanischen Eigenschaften der Verbindungen zwischen den verschiedenen Geometrien und Materialien zu bestimmen, wurden im Projekt spezielle Prüfkörper entwickelt, multikriteriell bewertet und geprüft. Dabei wurde sich an bekannten Normen, wie beispielsweise DIN EN 50125:2016-12 [1] und DIN 50099:2015-08 [2], orientiert. Die Strukturen „Pilz“, „Bogen“ und „Trichter“ sind in Abbildung 1 dargestellt und wurden als besonders geeignet eingestuft.

Die Ermittlung der Kennwerte (siehe Abbildung 2) ergab, dass mit der Struktur „Pilz“ über alle Materialkombinationen hinweg die besten mechanischen Eigenschaften der betrachteten Verbindungen erreicht werden konnten.

Durch verschiedene Halter für die Lenkhilfepumpe (siehe Abbildung 3) kann zukünftig eine große Variantenvielfalt des „Halter Nebenaggregate“ realisiert werden. Dafür wurde eine besondere Anschlussgeometrie mit einem „Standard“-Adapterbereich vorgesehen. Auf der Außenseite kann der Halter beliebig angepasst werden, auf der Bauteil zugewandten Seite befindet sich die entsprechende „Pilz“-Interfacestruktur. Die Bauteilverstärkung und der Wärmetauscher benötigten in dem vorliegenden Fall keine besondere Interfacestruktur, da diese vollständig umgossen werden. Aufgrund der Komplexität des Druckgießwerkzeugs, erfolgte die Einarbeitung der Funktionsgeometrien schrittweise, bis der finale Demonstrator in Abbildung 4 erfolgreich hergestellt werden konnte.

Abbildung 4: Demonstrator aus Szenario 1 mit integrierten Wärmetauscher, flexiblen Geometrie und einer Bauteilverstärkung.
Abbildung 4: Demonstrator aus Szenario 1 mit integrierten Wärmetauscher, flexiblen Geometrie und einer Bauteilverstärkung.
(Bild: BOHAI TRIMET Automotive Holding GmbH)

Abschließend erfolgte ein Korrosionstest nach PV 1210 mit 15 Zyklen. Nach derzeitigem Wissensstand hat sich keine außergewöhnliche Korrosion zwischen den Materialien eingestellt und die Funktionsfähigkeit bleibt uneingeschränkt bestehen.

Umsetzung Szenario 2 - Laser-Pulver-Auftragschweißens (LMD)

In Szenario 2 wurde als Substratkörper wie in Abbildung 5 zu sehen eine Motorstütze (grau) verwendet. Mittels LMD wurden Versteifungen, Fügeelemente und andere individuelle Geometrien additiv ergänzt. Wie in Szenario 1 spielte auch hier die Anbindung mit dem artgleichen Werkstoff eine entscheidende Rolle. Nicht durch Form- und Kraftschluss erfolgte hier eine Anbindung sondern durch eine Schweißverbindung. Zu Projektstart wurden Gaseinschlüsse, die während des Druckgießprozesses im Substrat verbleiben als kritisch eingestuft. Es wurde vermutet, dass es bei der Bearbeitung zum Blistern kommt, das heißt, zu einer Expansion der unter Druck eingeschlossenen Gase. Die Folgen wären heftige Schweißspritzer, ein aufgeschäumter Substratwerkstoff und ein frühzeitiger Prozessabbruch.

Abbildung 5: Schematische Darstellung des Demonstrators „Motorstütze“ für LMD-Strukturen auf einem druckgegossenem Bauteil.
Abbildung 5: Schematische Darstellung des Demonstrators „Motorstütze“ für LMD-Strukturen auf einem druckgegossenem Bauteil.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Zur Unterbindung des Blisterns wurden verschiedene Strategien getestet. Aufgrund der nicht gleichmäßigen Verteilung der Poren in der Bearbeitungszone, konnten sich keine Methode eindeutig durchsetzen. Gezeigt werden konnte jedoch generell, dass der Aufbau auf solchen mit unregelmäßig verteilten Gaseinschlüssen behafteten Druckgussoberflächen ohne Prozessabbruch mittels LMD möglich ist.

Der Aufbau von ersten Demonstratorkörpern, wie Abbildung 6 links zeigt, erfolgte auf von der AUDI AG bereitgestellte Motorstützen. Mittels Computertomographie konnte eine annähernde Porenfreiheit, der mit LMD eingebrachten Versteifungsrippe, nachgewiesen werden (Abbildung 6, rechts). Lediglich in der Übergangszone zwischen Druckguss und additiv gefertigter Struktur sind Poren durch den Effekt des Blisterns eingeschlossen. Untersuchungen des Gesamten Bauteiles ergaben, dass diese Poren nicht kritisch für den Einsatzfall sind. An Proben durchgeführte mechanische Prüfungen und Korrosionsversuche zeigten durchweg positive Ergebnisse und erfüllen die Vorgaben der Automobilindustrie.

Abbildung 7: Links: originale Prozessstrategie auf Vakuumdruckgusssubstrat und stark reduziertem Blistern in der Anbindungszone. Rechts: Probe mit Vakuumdruckguss und angepasster Verfahrstrategie.
Abbildung 7: Links: originale Prozessstrategie auf Vakuumdruckgusssubstrat und stark reduziertem Blistern in der Anbindungszone. Rechts: Probe mit Vakuumdruckguss und angepasster Verfahrstrategie.
(Bild: Fraunhofer IWS und YXLON)

Um aufzuzeigen, dass eine Anpassung der Gussstrategie in Kombination mit einer zusätzlich verbesserten LMD-Aufbaustrategie das Blistern nahezu komplett unterbinden kann, wurden zwei weitere Proben angefertigt und mittels CT analysiert (Abbildung 7). Bei der linken Probe ist bereits deutlich zu sehen, dass durch Vakuum unterstützten Druckguss weniger Poren in der Anbindungszone entstehen, da weniger Gase im Druckguss eingeschlossen und komprimiert werden, die bei der späteren Bearbeitung zum Blistern führen. Eine weitere Verbesserung zeigt die Anpassung der Verfahrstrategie. Da bei den in Abbildung 7 gezeigten Proben die Zugänglichkeit des Bearbeitungskopfes zum Substrat aufgrund der Substratgeometrie größer war, konnte mit einem optimaleren Bearbeitungswinkel der Düse zum Substrat gearbeitet werden. Dies reduzierte die verbleibende Porosität im Probekörper (Abbildung 7, rechts) abermals.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Projekt konnten erfolgreich zwei neue hybride Prozessketten zur Kombination AM und Druckgießen entwickelt werden. Es ergeben sich jedoch weitere/neue/zusätzliche Forschungsfragen aus den einzelnen Szenarien. Beispielsweise bedarf es weiterführender Untersuchungen zur Verbesserung der stoffschlüssigen Anbindungen im Interfacebereich in Szenario 1 (LBM). In Szenario 2 (LMD) gilt es die LMD-Prozessparameter dahingehend zu optimieren, dass eine Fertigung der Überhänge, wie beispielsweise Brücken-Strukturen, prozesssicher möglich ist. Noch mehr Informationen finden Sie auf der Projektwebsite.

Literaturverzeichnis

[1] DIN 50125:2016-12 - Prüfung metallischer Werkstoffe - Zugproben

[2] Entwurf DIN 50099:2015-08. Zugversuch an metallischen zellularen Werkstoffen

Förderhinweis:

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Projektes "CastAutoGen – Entwicklung einer hybriden Fertigungsprozesskette Gießen-Generieren für automobile Anwendungen" (FKZ: 03ZZ0213A) durchgeführt. „CastAutoGen“ wurde im Rahmen des Vorhabens AGENT-3D umgesetzt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« mit insgesamt 45 Mio. Euro gefördert wird.

An dem hier vorgestellten Projekt „CastAutoGen“ beteiligen sich neben dem Fraunhofer IWU (LBM-Prozess), das Fraunhofer IWS (LMD-Prozess), EDAG Engineering GmbH (Simulation, Entwicklung), BOHAI TRIMET Automotive Holding GmbH (Aluminiumguss), Oerlikon AM Europe (Fertigungsdienstleiter) und als assoziierte Partner Audi AG und ZF Friedrichshafen AG (OEM).

(ID:46291303)

Über den Autor

 Markus Oettel

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU