Weniger Ausschuss durch Lasercusing

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Weniger Ausschuss und kürzere Zykluszeit

Aufgrund dieser Testergebnisse entschied sich die AE Group Anfang 2006, in eine M3- Linear-Industrielaseranlage der Concept Laser GmbH zu investieren und diese als Lösung standardmässig einzusetzen. Mit der Bauraumgrösse von 300×350×300mm und dem modularen Aufbau ist die Anlage prädestiniert für den Einsatz im Bereich Aluminiumdruckguss.

«Bei Druckgussteilen liegt die Stärke der Lasercusing-Technologie eindeutig in der Optimierung der Teilequalität», teilte uns Herr Sagert, Leitung AE-Projektmanagement mit. Denn durch die Einbringung von konturnaher Kühlung im Werkzeugeinsatz wird die Abkühlung des ca. 700°C heissen flüssigen Aluminiums beschleunigt.

Dies hat zur Folge, dass in den problematischen Bereichen eine lokal geringere Lunkerbildung (Lufteinschlüsse oder Porositäten) im fertigen Gussteil auftreten. Beachtlich reduzierte Ausschusszahlen aufgrund von Fehlstellen sind das Resultat, das durch den Einsatz der Anlage erzielt wird. «Parallel dazu haben wir so gut wie immer eine Reduzierung der Zykluszeit», ergänzte Herr Sagert.

Warmarbeitsstahl für das generative Verfahren

Zur Fertigung dieser Werkzeugkerne wird das Material CL 60DG, ein serientauglicher Warmarbeitsstahl, verwendet. Der Werkstoff besitzt eine gute Grundzähigkeit, eine Zugfestigkeit von bis zu 1800N/mm2 und eine Härte von bis zu 48HRC. Der Werkzeugkern mit konturnaher Kühlung wird in der Laseranlage schichtweise aufgebaut, das Metallpulver wird also Schicht für Schicht aufgeschmolzen.

Die typische Dicke der Pulverschichten liegt zwischen 20 und 50µm. Um so effektiv wie möglich zu arbeiten, werden die Einsatzsegmente in Hybridbauweise gefertigt. D.h. der untere Teil des Werkzeugs wird konventionell gefertigt und lediglich die Restgeometrie mit konturnahem Kühlprozess läuft vollautomatisch, d.h. ohne Bedienpersonal ab. Anschliessend erfolgen die Nacharbeit des Kerns und der Einbau in das Werkzeug. Diese Vorgehensweise reduziert Fertigungszeiten um bis zu 80 Prozent.

Serientaugliche Spitzentechnologie in Spitzenqualität

Die AE Group fertigt ein Pumpengehäuse mit dem Lasercusing-Verfahren in Serie; das Beispiel zeigt die Vorteile, von denen das Unternehmen profitiert. Bei dem Pumpengehäuse liegt die Problemzone in der Mantelfläche der Pumpenkammer. Aufgrund von Materialanhäufung in diesem anschnittfernen Bereich traten nach der Bearbeitung an 8-10 Prozent der Teile im Druckgussverfahren unzulässige Porositäten auf.

Das Team der Firma hatte die hohe Ausschussrate zum Anlass genommen, eine Werkzeugoptimierung vorzunehmen. Als Testlauf wurde ein Teileeinsatz mit konturnaher Kühlung in der Konchoide in Nest 2 eingebaut. Der Einsatz wurde im Hybridverfahren gefertigt. Auf das Unterteil wurde die Restgeometrie mit konturnaher Kühlung Schicht für Schicht aufgeschmolzen. Nach wenigen Stunden konnte der Kern nachgearbeitet und in das Werkzeug eingesetzt werden.

50 Prozent weniger Ausschuss im Problembereich

Vor der Optimierung ist im kritischen Bereich eine Temperatur von 350°C analysiert worden, die entsprechenden Einfluss auf die lokale Erstarrung im Bauteil hat. Mit Einbringung des Lasercusing-Teileeinsatzes in das Nest 2 und die realisierte konturnahe Kühlung soll die lokale Lunkerbildung verringert und die Ausschussrate reduziert werden. Ebenso ist angestrebt worden, den Wärmetransport mit der konturnahen Kühlung zu optimieren.

Jetzt beträgt die Temperatur im kritischen Bereich vor dem Sprühen im Nest 2 nur noch 250°C. Verglichen mit den übrigen Nestern ist das eine Temperaturdifferenz von ca. 100°C. Durch diese Massnahme kann das flüssige Aluminium in Nest 2 schneller abkühlen und so die Lunkerbildung deutlich reduziert werden. Durch die Einbringung des Teileeinsatzes mit konturnaher Kühlung in Nest 2 konnte der Materialausschuss aufgrund von Porositäten im Pumpenbereich bei dem Testlauf lokal um mehr als 50 Prozent eliminiert werden. Aufgrund dieses positiven Ergebnisses entschied sich das Team einstimmig dafür, alle vier Nester mit Lasercusing-Teileeinsätzen zu versehen.

Wirtschaftliche und qualitative Vorteile

Die entstandenen Werkzeug-Mehrkosten für die vier Lasercusing-Einsätze betragen ca. 12000 Euro. Nach Angaben des Unternehmens entspricht dies Mehrkosten pro Teil von ca. 0,025 Euro, d.h. 2,5 Cent. Bei verringertem Ausschuss um nur ein Prozent sind diese Mehrkosten bereits ausgeglichen.

Aufbau der Anlagen für das Lasercusing

Die Laserbearbeitungsanlagen der Concept Laser GmbH aus dem fränkischen Lichtenfels sind mit neuester Faserlaser-Technologie ausgestattet. In Kombination mit dem bei Raumtemperatur geführten Lasercusing-Prozess gewährleistet dies hohe Detailauflösung und hervorragende Fertigungseigenschaften der hergestellten Werkzeugeinsätze und Bauteile.

Der Hersteller der Laseranlagen forciert die Entwicklung verschiedenster Kühltechniken. Die Lichtenfelser Ingenieure forschen und entwickeln in Bereichen wie Parallelkühlung oder effektiver Flächenkühlung. Mit diesen Methoden sind viele neue Prozessanwendungen realisierbar.

«Auf dem Gebiet der Laserschmelz-Technologie fühlen wir uns als Pioniere. Wir wollen Regie führen am Markt - und unseren Kunden Vorteile verschaffen», kommentiert Frank Herzog, Geschäftsführer der Concept Laser GmbH, die Zusammenarbeit mit der AE Group.

Grösstes Bauteil im Laserschmelzverfahren auf der MAK

Die Concept Laser GmbH, Mitglied der Hofmann Innovation Group AG, stellte zusammen mit ihrem russischen Kunden National Institute of Aviation Technologies (NIAT), JS auf der neunten Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung MAKS vom 18.-23.August 2009 in Moskau aus. Die Concept Laser GmbH präsentierte vorort das bisher grösste Bauteil (Durchmesser 300 mm), das jemals mit dem Metall- Laserschmelzverfahren gebaut wurde. Es handelt sich um ein Test-Gehäuseteil für einen Kunden aus dem Bereich Luft- und Raumfahrt mit Sitz in England.

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