Additive Fertigung

Laser-Melting von Aluminium – schneller, leichter, wirtschaftlicher

Prototypen-, Vorserien- und Serienteile additiv gefertigt aus dem Werkstoff Aluminium sind die neuesten Bestandteile der Angebotspalette der FIT Fruth Innovative Technologien GmbH. Sie hat inzwischen einige Erfahrungen mit der Verarbeitung der Aluminiumlegierung AlSi10Mg gesammelt. Die Konzeptstudie eines Hinterachsdifferenzials zeigt das Potenzial für Leichtbau und verbesserte Kühlung.
Die Kühlkanäle in diesem Hinterachsdifferenzial, die von Luft (Fahrtwind) durchströmt werden liegen innerhalb der mit Öl durchfluteten Struktur. Die Kühlwirkung der Luft wird somit direkt ins Innere des Bauteils geleitet, wo die hauptsächliche Kühlung des Schmiermediums erfolgen soll. Bei herkömmlichen Getrieben, bei denen nur die Außenhaut der Rippen von dem Fahrtwind angeströmt wird, müssen sehr hohe Verluste bei der Kühleffizienz hingenommen werden. Aufbau: Wandstärke solide Außenhülle: 1,00 mm Tiefe der Struktur: 10,00 mm Strukturart: Diamant Größe Einheitzelle: 5 mm Strukturspezifikation: Strebendurchmesser: 1,60 mm Bauteilvolumen: 186,713 cm³ Abmaße (Outbox): 230 x 184 x 71 mm Bauprozess: Gesamtbauzeit: 22 h Schichtdicke: 50 µm Anzahl Schichten: 1709

Heiko Hartl, FIT

Grundsätzlich erweist sich für bestimmte Anwendungen, wie technische Prototypen mit den funktionalen Eigenschaften des späteren Serienteils, Einzelteile und Kleinserien, die Additive Fertigung als vorteilhaft und wirtschaftlich: Mit dem selektiven Laser-Melting-Verfahren (SLM) werden metallische Bauteile direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt. Nahezu beliebige Geometrien können realisiert werden, da der Aufbauprozess schichtweise in einem Pulver erfolgt. Entsprechend den durch das CAD-Modell vorgegebenen Flächen wird mit einem Laserstrahl die Pulverschicht aufgeschmolzen. Mit dieser Art der Fertigung können Anbieter wesentlich schneller auf den Kundenbedarf reagieren als mit konventionellen Methoden.

Aber auch die Additive Serienfertigung hat mittlerweile ein Level erreicht, auf welchem ein wirklich ‚wirtschaftlicher‘ Einsatz möglich ist. In einer Anlage können schließlich mehrere Teile gleichzeitig Schicht für Schicht hergestellt werden, so dass sich die Produktionszeit pro Teil verringert. Folglich hängen die Bauteilkosten nicht nur von dem aufzubauenden Volumen, sondern auch von der Teilegeometrie ab. Prozesskammern, die derzeit für das SLM-Verfahren erhältlich sind, haben ein Bauvolumen von etwa 250 x 250 x 350 mm³. Die FIT Production zeigt aktuell die Wirtschaftlichkeit Additiver Fertigung in Serie anhand der Produktion einer Extruderdüse für den neuartigen 3D-Heimdrucker Fabbster.

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Der Werkstoff Aluminium hat aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften ein weites Anwendungsgebiet, etwa in der Automobilindustrie, in der Automatisierungstechnik, der Luft- und Raumfahrt oder im Rennsport. Es verwundert demnach auch nicht, dass Aluminiumlegierungen nach Stahl zu den am häufigsten eingesetzten Metalllegierungen zählen. Das Bestreben, das Gewicht von Bauteilen zu minimieren, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen, bei einer gleichzeitig erhöhten Wirtschaftlichkeit der Fertigung, führte in der jüngsten Vergangenheit zu einem gesteigerten Interesse an Bauteilen aus Alu. Aus diesen Gründen sieht die FIT-Gruppe in der Kombination von Additiver Fertigung und dem Werkstoff Aluminium enormes Potenzial für die Zukunft.

Mechanische Eigenschaften übertreffen teilweise jene konventionell gefertigter Bauteile

Während es für das Verarbeiten von Titan- und Stahlwerkstoffen bereits umfangreiche Kenntnisse über die SLM-Prozessführung und die resultierenden mechanischen Eigenschaften gibt, ergaben sich zu Anfang Schwierigkeiten beim Lasersintern von Aluminium: Primäres Ziel bei der Verwendung eines Werkstoffes ist eine Bauteildichte von 100 Prozent. Bereits Ende 2008 wurde eine Studie präsentiert, bei der die mechanischen Eigenschaften generativ gefertigter Aluminiumteile erstmals umfassend analysiert wurden. Das Wichtigste vorneweg: Die mechanischen Eigenschaften entsprechen denen der konventionell gefertigten Bauteile, ja sie übertreffen diese sogar zum Teil. Ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz in der Industrie!

Ausschlaggebend dabei ist aber, das für die Aluminiumlegierung AlSi10Mg mit einer höheren Laserleistung gearbeitet wird, als typischerweise für Stahlwerkstoffe notwendig. Erst ab einer Laserleistung von 150 W erlangt man eine Dichte von 100 Prozent. Bei Verwendung einer Laserleistung von 250 W sind Scangeschwindigkeiten von zirka 500 mm/s möglich, was eine entsprechend wirtschaftliche Aufbaurate bewirkt. Die FIT-Gruppe wiederum hat eine Anlage vom deutschen Hersteller SLM Solutions in Betrieb, die mit 400 W Leistung arbeitet. So gelingt es, hochwertige, additiv gefertigte Aluminiumteile effizient und in kürzester Zeit aufzubauen.

Analysen komplexer Bauteilgeometrien aus der industriellen Praxis mit zerstörungsfreier Computertomographie zeigen, dass die Restporosität der Bauteile kleiner ist als bei denen, die mittels Druckguss hergestellt wurden: Die Restporositäten liegen mit SLM unter 1 Prozent, bei Druckguss betragen sie etwa 3 Prozent.

Diesen positiven Eindruck bestätigen auch die Ergebnisse aus den Zug- und Schwingversuchen: Die mechanischen Eigenschaften der SLM-Bauteile aus AlSi10Mg erreichen die Festigkeit von Druckguss-Serienbauteilen gemäß EN 1706: Mit 350 MPa für die Zugfestigkeit Rm und 250 MPa für die Dehngrenze Rp 0,2 stehen die SLM-Teile den Druckguss-Serienbauteilen in nichts nach.

Als eines der ersten Projekte, welches die FIT Production mit dem neuen Aluminium-Schichtbauverfahren realisierte, wurde ein neues, auf Leichtbau getrimmtes Design für ein Hinterachsdifferenzial entworfen und umgesetzt. Heutzutage sind Hinterachsdifferenziale bei Fahrzeugen so in die Achsenkonstruktionen integriert, dass diese immer weniger gut durch Fahrtwind gekühlt werden. Die dadurch entstehende Überhitzung des Getriebes führt zu einer reduzierten Lebensdauer des hochbelasteten Bauteils. Mittels der 3S-Technologie (Selective Space Structures) wurde eine Konzeptstudie entwickelt, die zeigen sollte, welche Möglichkeiten durch die intelligente Nutzung der additiven Fertigungstechnologien auch für das Themengebiet Leichtbau bestehen.

FIT Fruth Innovative Technologien GmbH, Lupburg/Parsberg Tel. 09492/9429-0, http://www.pro-fit.de

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