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Rapid-Prototyping ist eine industriell eingeführte Verfahrensgruppe zur schnellen Fertigung von Funktionsmustern und Prototypen. Das wachsende Interesse der Industrie an den entsprechenden Verfahren ist vor allem auf ständig kürzer werdende Produktentwicklungszeiten zurückzuführen, welche die Herstellung von Bauteil- und Werkzeugmustern innerhalb von wenigen Stunden erfordern. Durch technologische und werkstofftechnische Weiterentwicklung des 3D-Laser-Auftragschweißens und des Laser-Flüssigphasen-Sinterns ist es Dresdner Fraunhofer-Forschern jetzt erstmals gelungen, Werkzeuge und Bauteile aus harten und verschleißbeständigen Kobalt- und Nickel-Legierungen sowie aus Kalt- und Warmarbeitsstählen ohne Umwege direkt aus den 3D-Konstruktions-Daten flexibel und mit geringstem Zeitaufwand zu fertigen.
Die Ergebnisse werden auf der vom 2.-5. Dezember in Frankfurt / M. stattfindenden Messe EUROMOLD '98 gezeigt.
In vielen Unternehmen fast aller Industriezweige ist die Anwendung verschiedener Rapid-Prototyping-Verfahren fester Bestandteil bei der Entwicklung neuer Erzeugnisse geworden. Ursache sind der gewachsene Druck zur Zeit- und Kosteneinsparung sowie die ständig kürzer werdenden Produktentwicklungs- und Markteinführungszeiten. Entsprechend gewachsen ist der Bedarf an geeigneten Verfahren zur Herstellung von Bauteil- und Werkzeugmustern innerhalb weniger Stunden direkt aus CAD-Daten und unter Verwendung seriennaher, hochfester Werkstoffe wie zum Beispiel Stahl. Gerade letztgenannte Forderung können allerdings die etablierten Prototyping-Verfahren nicht oder nur auf Umwegen erfüllen.
Forschern des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ist es jetzt durch eine Weiterentwicklung des 3D-Laser-Auftragschweißens gelungen, auf direktem Weg 100%ig dichte und mechanisch hoch belastbare dreidimensionale Strukturen aus Stählen sowie aus Kobalt- und Nickel-Hartlegierungen zu generieren. Mit dieser Technologie ist es möglich, metallische Funktionsmuster und Prototypen schnell und ohne Umwege aus von den Konstrukteuren erarbeiteten 3D-CAD-Datensätzen herzustellen. "Dabei sind die hohe Rockwell-Härte, je nach Werkstoff zwischen 41 und 54 HRC, und die Riß- und Porenfreiheit der Gefüge sowie die ausgezeichnete Konturtreue und Oberflächenqualität beachtlich", bemerkt Dr. Steffen Nowotny, Leiter der Arbeitsgruppe Beschichtungsverfahren am Fraunhofer IWS. "Mit den herkömmlichen generierenden Fertigungsverfahren ist das Erzielen dieser Eigenschaften mit solchermaßen harten Werkstoffen nicht oder nur wesentlich umständlicher möglich", berichtet er weiter. Für einen bekannten Automobilhersteller wird derzeit an einer ersten Anwendung gearbeitet: Es soll ein komplex geformter Einsatz einer Spritzgußform (siehe Bild 1) komplett aus der Co-Hartlegierung Stellit 21 generiert werden.
Ein zweites Anwendungsgebiet der neuen Technologie ist die endkonturnahe und beanspruchungsgerechte Reparatur von verschleißgeschädigten Maschinenbauteilen und Werkzeugen. Hierbei wird zunächst die verschlissene Ist-Kontur mit Hilfe eines eigens für das Laser-Auftragschweißen entwickelten Digitalisiersystems schnell vom Bauteil abgenommen. In Abhängigkeit von der gewünschten Soll-Kontur werden anschließend technologische Daten und Prozeßparameter zum Werkstoffauftrag festgelegt und in ein NC-Programm umgewandelt. "Dabei wird durch die Präzision des Laser-Auftragschweißens und unter Nutzung eines neuentwickelten Schweißkopfes eine sehr hohe Endkonturnähe erreicht", erläutert Steffen Nowotny. Die aufwendige und teure Nachbearbeitung der harten Schichten wird dadurch erheblich verringert. Bild 2 vergleicht ein mit herkömmlichem Reparaturschweißen regeneriertes Warmumformwerkzeug (links) mit einem Werkzeug, welches durch Laser-Auftragschweißen instandgesetzt wurde. Der Aufwand für die Schleifbearbeitung auf Nennmaß konnte auf 25 % gesenkt werden. Durch die Verwendung der Co-Hartlegierung Stellit 6 liegen die Standzeiten der regenerierten Werkzeuge zusätzlich sogar höher als die der Neuteile.
Beide Ergebnisse werden auf der Messe für Werkzeug- und Formenbau EUROMOLD '98 vom 2.-5. Dezember 1998 in Frankfurt / M. erstmals präsentiert. Sie finden uns am Stand der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 9 Stand V32.
Auf der EUROMOLD präsentiert das Dresdner Institut noch ein weiteres Highlight, eine Weiterentwicklung des Laser-Flüssigphasen-Sinterns. Kompliziert geformte Spritz- und Druckgußwerkzeuge können damit erstmalig aus im Werkzeugbau üblichen Kalt- und Warmarbeitsstählen hergestellt werden. Bisher stand für das Selektive Laser-Sintern nur niedrigschmelzendes Ausgangsmaterial mit geringer Verschleißbeständigkeit (wie zum Beispiel Zinnbronze) zur Verfügung. "Jetzt verwenden wir ein Pulvergemisch, bestehend aus einer hochschmelzenden und verschleißbeständigen Strukturkomponente und einem niedrigschmelzenden Binder", erläutert Dr. Nowotny. "Da industriell gefertigte Pulver unseren Anforderungen und denen unserer Kunden nicht genügten, haben wir ein neues Pulver entwickelt und patentiert." Mit der neuen Technologie wurde beispielsweise ein Formeinsatzpaar eines Spritzgußwerkzeuges für einen Zulieferer der Automobilbranche gesintert. Derartige Sinterkörper erreichen im Sinterprozeß Dichten von bis zu 65 %. Durch thermische Infiltration von geeigneten Metallen wird die Dichte bis auf 99 % gesteigert. Die Verschleißfestigkeit ist dann der des kompakten Stahls vergleichbar. Während das gezeigte Spritzgießwerkzeug prinzipiell mit höherem Aufwand auch spanend hergestellt werden könnte, ist die Fertigung von Körpern mit komplexen Geometrien, Hinterschneidungen und komplizierten Innenstrukturen auf spanendem Weg oft unmöglich. Darin liegt ein weiterer Vorteil der Laser-Sinter-Technologie. Zugleich können die Bauteile durch Hohlräume leichter gemacht werden, woraus sich neben einer Werkstoff- und Energieeinsparung auch ein verbessertes dynamisches Verhalten von Maschinensystemen ergibt. Die neue Technologie ist von der Industrie mit großem Zuspruch angenommen worden, das bestehende Anwendungspotential allerdings bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Das Erschließen weiterer Anwendungsfelder ist deshalb das Anliegen der Präsentation des IWS Dresden am Stand V32 auf der EUROMOLD.
Ihre Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
01277 Dresden, Winterbergstr. 28
Fax: 0351 / 25 83-300, E-Mail: info@iws.fhg.de
Dr. Steffen Nowotny Tel.: 0351 / 25 83-241
Dr. Wolfgang Löschau Tel.: 0351 / 25 83-242
Presse und Öffentlichkeitsarbeit
Dr. Ralf Jäckel Tel.: 0351 / 25 83-444
Attraktive Fotos (auch in Farbe) stellen wir Ihnen auf Wunsch gern zur Verfügung.
http://www.iws.fhg.de/
http://www.iws.fhg.de/ext/allg/presse.htm
Durch viellagigen, NC-gesteuerten Werkstoffauftrag werden dichte und fehlerfreie Formkörper mit hohe ...
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Vergleich eines herkömmlich reparierten Warmumformwerkzeugs (links) mit einem Werkzeug, welches durc ...
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Criteria of this press release:
Economics / business administration, Materials sciences, Mechanical engineering, Zoology / agricultural and forest sciences
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications, Research projects
German
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