Generative Fertigung von Werkzeugen

| Redakteur: Anne Richter

Christoph Hauck, Geschäftsführer von Toolcraft: «Laserschmelzen bedeutet einen Quantensprung, um funktionelle, kompakte und preisgünstige Bauteile anzubieten.»
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Christoph Hauck, Geschäftsführer von Toolcraft: «Laserschmelzen bedeutet einen Quantensprung, um funktionelle, kompakte und preisgünstige Bauteile anzubieten.» (Bild: Concept Laser)

>> Der Hersteller von Präzisionsteilen und Baugruppen Toolcraft setzt neben seinen Kernkompetenzen Drehen, Fräsen und Erosion auch auf generative Herstellungsverfahren. Bauteile können so innert weniger Werktage hergestellt werden. Dabei entstehen Bauteile aus Originalwerkstoffen in Pulverform.

ari. Die Präzisionsteile von Toolcraft begründen seit Jahren einen ausgezeichneten Ruf des Unternehmens aus Mittelfranken als Ideengeber und Technologietreiber. Schliesslich erhält der Kunde alles aus einer Hand: komplette Lösungen einer Baugruppe über die gesamte Prozesskette – von der Entwicklung bis zur Auslieferung. Wichtig seien hier, so Christoph Hauck, einer der drei Geschäftsführer des Unternehmens: «eine material- und verfahrenstechnisch unabhängige Beratung und Entwicklungsleistung. Nur so finden wir die funktional beste und gleichzeitig kostenvorteiligste Lösung.» Technologieübergreifend entstehen so Teile und komplexe Baugruppen in Stahl, Kunststoff, Magnesium, Alu, Titan, Nickelbasislegierungen und neuerdings in einkristallinen Superlegierungen, die bis dato als nicht zerspanbar galten.

Laserschmelzteile mit anschliessender Zerspanung

Durch die erfolgreiche Einführung der neuen Fertigungstechnologie Lasercusing von Concept Laser im Jahre 2011 und die zunehmende Beliebtheit der Laserschmelzteile im Kundenkreis ermutigt, investierte Toolcraft Anfang 2012 in eine weitere Anlage von Concept Laser. Gefertigt werden Laserschmelzteile, die in der Regel zerspantechnisch veredelt werden. «Dabei konzentrieren wir uns derzeit auf so genannte Kernmaterialien, die von unseren Kunden aus den Bereichen Luftfahrt, Motorsport und Medizin gefordert werden», erläutert Hauck. Zu diesen Kernmaterialien zählen derzeit Aluminium- und Nickelbasislegierungen. Das Pulver wird nach jedem Bauprozess in einer externen Siebstation von Concept Laser gesiebt, um Verunreinigungen zu entfernen und so eine gleich bleibend hohe Bauteilequalität sicherstellen zu können.

Geschlossene Stickstoff- oder Argon-Atmosphäre

Wesentliches Qualitätsmerkmal bei den Anlagen von Concept Laser ist eine geschlossene Stickstoff- oder Argon-Atmosphäre. Auch im kompletten Aufbau durch Laserschmelzen mit anschliessender zerspantechnischer Veredelung sind natürlich funktionsintegrierte Bauteile möglich, wie beispielsweise der Kühlmantel für einen E-Motor. Dieses extrem kompakte Teil aus Inconel 718 verfügt über eine integrierte Kühlung mit Zu- und Ablauf des Kühlmediums, die den E-Motor vor Überhitzung schützen. Die Kühlung selbst wurde bei dem schichtweisen Aufbau des Kühlmantels in einem Fertigungsschritt mitgebaut. Nach dem Laserschmelzen auf der Anlage von Concept Laser findet eine fräs- und drehtechnische Nachbearbeitung der Konturen statt. Mit dieser Massnahme wird die Einhaltung der Toleranzen sichergestellt. Als positiven Nebeneffekt erhält das Bauteil an den überfrästen Stellen die gewohnte glänzende Oberfläche, die dem Kunden vertraut ist. «Die generative Technologie eröffnet uns auch neue Entwicklungsoptionen», so Hauck: «Dabei dürfen wir nun in ganz neuen Kategorien denken. Umdenken, weg von einer formgebundenen Lösung oder dem Fräsen aus dem Vollen und hin zu einer nahezu freien Geometrie. Das sind Freiheitsgrade, in die sich ein Konstrukteur erst mal einfinden muss.» Die Kunden sind zunehmend begeistert von den neuen Möglichkeiten, die sich hier auf der konstruktiven Seite für Entwicklungsgeschwindigkeit, Funktion oder Leichtbau auftun.

Materialeinsparung und Reduzierung von Ausschuss

Die Möglichkeiten des Lasercusing ergeben gegenüber einem Druckgussverfahren weniger Verzug oder Lunker, im Ergebnis also eine Reduzierung der Ausschussrate und damit mehr Qualität. Zudem ergeben sich Kostenvorteile aus dem Verzicht auf Formen, mehr Geometriefreiheit und deutlich kürzere Produktions- und Entwicklungszeiten. Hauck von Toolcraft schätzt das Potential in der Reduktion der Stückkosten auf 20–30 Prozent. Gegenüber Frästeilen resultieren oft auch Vorteile: Grundsätzlich kommt es zu Materialeinsparungen mit teilweise erheblichen Kostenvorteilen. Bei einer Geometrie auf engstem Raum, was dem Trend der Zeit entspricht, gerät Fräsen oder Drehen an Grenzen. Sehr komplexe, dünnwandige Strukturen, wie in Gasturbinen oder Sensoren, zählen beispielsweise zu den Domänen des Laserschmelzens. «Beim Lasercusing wird nur das Material verbraucht, das auch tatsächlich für das Bauteil benötigt wird. Dies bedeutet eine enorme Materialeinsparung», erläutert Hauck. «Weiterhin können beim Laserschmelzen nahezu alle Bauteilgeometrien in nur einem Fertigungsschritt hergestellt werden.»

Partnerschaft mit Konzept

Ausserdem profitiert Toolcraft von dem Know-how, wie z. B. Hybridtechnik und Parallel- oder Flächenkühlung, die in der Hofmann-Gruppe, zu der Concept Laser gehört, entwickelt wurden. Hinzu kommen Schulungen, auch vor Ort, und zahlreiche Hilfestellungen zum Verfahren, der Anwendung oder zu den Materialien, deren Bandbreite ständig ergänzt wird. «Dabei», so Hauck, «handelt es sich um einen kontinuierlichen Prozess zur Unterstützung von kniffeligen Bauteilen.» Nach einer gründlichen Recherche der Angebote am Markt entschied sich Hauck für Concept Laser: «Das wechselseitige Lernen von Anbieter und Anwender verläuft bei Concept Laser auf einem sehr fairen und partnerschaftlichen Niveau, um der Laserschmelz-Technik eine möglichst dynamische Entwicklung zu ermöglichen.»

Metall-Laserschmelzen mit Potential für die Zukunft

Schon die bisherigen Möglichkeiten des Laserschmelzens revolutionierten bei Toolcraft die Herangehensweise an neue Projekte. «Alleine die Funktionsintegration und Gestaltungsfreiheit führen uns schon heute zu Lösungen, die vorher undenkbar schienen», meint Hauck. So kann beispielsweise mit dem Laserschmelzverfahren, im Vergleich zu konventionellen Technologien, eine grössere Oberfläche konstruiert werden, die es erlaubt, Wärme besser abzuführen. In der Zukunft sieht er noch reichlich Raum für neue Ideen: Für Anwendungen im Hochleistungsbereich werden neue Superlegierungen entwickelt und zertifiziert. Das gilt natürlich auch für hochfestes Aluminium und andere Materialien, die die Einsatzmöglichkeiten auf Originalwerkstoffbasis verbreitern. Auch bei den derzeit im Einsatz befindlichen 400-Watt-Faser-Lasern sieht Hauck bezüglich Schichtstärken und -breiten weitere Möglichkeiten, die Geschwindigkeit beim generativen Aufbau zu erhöhen. «Konstruktiv besonders relevant wird es sein, die Überhänge ohne Stützgeometrien zu erhöhen. Sie liegen derzeit bei rund 45°. Mittelfristige Zielsetzung ist es, diese Freiheit auf 30° voranzutreiben», gibt sich Hauck optimistisch. <<

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