Fraunhofer ILT druckt mit neuem Werkzeugstahl L-40 großformatige Form für Toyota Yaris in 3D
Die Automobilindustrie strebt kontinuierlich nach mehr Effizienz, sowohl in Bezug auf die Fahrzeugleistung als auch auf die Produktionsprozesse. Additive Fertigungstechnologien spielen dabei eine zentrale Rolle, nicht nur in den Produktentwicklungszyklen, sondern auch in den Produktionslinien durch die Herstellung leistungsfähigerer Werkzeuge. Bis vor kurzem waren die Anwendungsmöglichkeiten für Werkzeuge jedoch durch die Größe der Pulverbett-Metall-AM-Systeme und die Materialauswahl begrenzt. Dies ändert sich jedoch, wie ein aktuelles Projekt unter der Leitung des Fraunhofer ILT, MacLean-Fogg und dem Automobilriesen Toyota zeigt.
In diesem Projekt gelang es den Partnern, eine großformatige, komplexe Druckgusswerkzeugeinlage mit einem vom Fraunhofer ILT entwickelten gantrybasierten LPBF-System und einem speziell für die additive Fertigung von MacLean-Fogg entwickelten L-40-Werkzeugstahl im 3D-Druck herzustellen. Das betreffende Werkzeug, das für den Hochdruckguss (HPDC) geeignet ist, wurde für das Getriebegehäuse des Toyota Yaris Hybrid entwickelt.
In diesem aktuellen Projekt sind mehrere Innovationen zusammengeführt worden. Zum einen integriert das Werkzeug komplexe interne Kühlkanäle, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht hergestellt werden können. Vor allem aber überwindet das großformatige Werkzeug die üblichen Probleme, die typischerweise mit 3D-gedruckten Werkzeugen verbunden sind, insbesondere in Bezug auf Größe und Qualität. Bisher war die Größe von einteiligen Werkzeugen durch die Abmessungen der LPBF-Plattformen begrenzt, mit denen Druckgusswerkzeuge oder Formeinsätze, die größer als 600 x 600 mm sind, nicht zuverlässig hergestellt werden konnten. Die Qualität wiederum wurde durch die verfügbaren Materialien beeinflusst: Wie das Fraunhofer ILT betont, neigen AM-kompatible Werkzeugstähle wie H11, H12 und M300 mit zunehmender Größe der Drucke zunehmend zu Rissen und thermischer Verformung.
Mit der gantrybasierten PBF-LB/M-Lösung des Fraunhofer ILT, die über ein Bauvolumen von 1.000 x 800 x 350 mm verfügt, und dem von MacLean-Fogg entwickelten Werkzeugstahl L-40 lassen sich diese Hürden jedoch überwinden. „Um diese Einschränkungen zu überwinden, brauchen wir eine neue Generation von Maschinen und Materialien, die speziell auf die Anforderungen großformatiger HPDC-Werkzeuge zugeschnitten sind“, sagte Niklas Prätzsch, Gruppenleiter LPBF-Prozesstechnologie am Fraunhofer ILT. „Genau diese Kombination war Gegenstand der jüngsten Änderungen, die wir umgesetzt haben.“
Der Metall-3D-Drucker zeichnet sich durch seinen beweglichen Verarbeitungskopf und ein lokales Schutzgasführungssystem aus, das es dem System ermöglicht, linear zu drucken, ohne Kompromisse bei den Prozessrandbedingungen eingehen zu müssen. Die Technologie nutzt außerdem ein beheizbares Substratmodul, das während des gesamten Druckprozesses konstante Temperaturgradienten aufrechterhält, was für großvolumige Bauteile von entscheidender Bedeutung ist. Nach Angaben der Einrichtung kann die Bauplattform derzeit Temperaturen von 200 °C erreichen, was Spannungen reduzieren und das Risiko von Rissen bei großformatigen Teilen minimieren kann.
Der 3D-Drucker ist nur eine Zutat im erfolgreichen Rezept für großformatige Werkzeuge. Wie Prätzsch erklärte: „Der Schlüssel zum Erfolg liegt im Material L-40 von MacLean-Fogg, das auf die Anforderungen von PBF-LB/M zugeschnitten ist.“ Das Stahlmaterial weist im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugstählen auch ein geringeres Rissrisiko auf und zeichnet sich durch hervorragende Maßgenauigkeit, Härte (48 HRC), Zugfestigkeit (1420 MPa) und Kerbschlagzähigkeit (>60 J) aus.
Der Werkzeugstahl L-40 wurde bereits für die Herstellung einer Reihe kleinerer Werkzeuge (die in Toyotas Produktionsstätte zum Einsatz kommen) verwendet, wodurch die gute Lebensdauer des Materials unter Beweis gestellt wurde. Das Getriebegehäuse-Werkzeug ist jedoch deutlich größer (im Bereich von >20.000 cm³), was zeigt, wie die Kombination aus der Technologie des Fraunhofer ILT und dem AM-Material erstmals die Herstellung großvolumiger Druckgusswerkzeuge mit einer freiformigen Kühlstruktur ermöglicht.
Für Automobilunternehmen wie Toyota kann diese neue Möglichkeit eine noch flexiblere und rationalisierte Fertigung ermöglichen, da großformatige Werkzeuge konsolidiert werden können und eine längere Lebensdauer haben. In diesem Fall wurde die Druckgussform für den Guss von Aluminiumkomponenten entwickelt, jedoch könnten die Plattform von Fraunhofer und der innovative Werkzeugstahl auch in der Kunststoffverarbeitung oder bei Verbundwerkstoffen Anwendung finden.
