GIESSEREI - Concept Laser GmbH

Autoren: Detlev Sagert, Ilona Scholl, Fotos: Concept Laser
Vom Versuch zur Standardtechnologie
Qualitätsprobleme waren im Jahr
2005 der Auslöser für die ae group,
sich näher mit dem Thema Laser-
Cusing zu befassen. Nach einigen
Versuchsreihen hatten sich die Mitarbeiter
von der Standzeit der aus
Metallpulver geschmolzenen Werkzeugkerne
überzeugt. Anfang 2006
entschied sich das Unternehmen
aufgrund von Testergebnissen dazu,
in eine Industrielaseranlage zu investieren
und setzt seit diesem Zeitpunkt
die LaserCusing-Technologie
standardmäßig ein.
F a c h m a g a z i n F ü r P r a K T i K E r 5/2009
GIESSEREI
Erfahrungsaustausch
Sonderdruck aus „Giesserei-Erfahrungsaustausch“ 53 (2009), Heft 5, Seiten 12–15
Nachdruck verboten. Giesserei-Verlag GmbH, Düsseldorf
LaserCusing-Werkzeugkerne aus Warmarbeitsstahl reduzieren Ausschussrate
Bild 1: Links Pumpengehäuse, rechts Problemzone Mantelfläche im Pumpengehäuse
Die ae group ist eine konzernunabhängige
Aluminiumdruckgießerei mit
Hauptsitz in Gerstungen/Thüringen.
Das Unternehmen mit sieben Standorten
in Deutschland, Polen und den
USA beschäftigt rund 1400 Mitarbeiter
und ist ein Zulieferer von montagefertigen
Aluminiumdruckgussteilen
und Komponenten vor allem für die
Automobilindustrie und deren Systemlieferanten
sowie die Luftfahrt.
Die Qualitätsanforderungen der
Druckgussbauteile steigen ständig.
Druckdichtigkeit, Öldichtigkeit und
8,– EUR
weitestgehend Porenfreiheit, zum Beispiel
in Kolbenlaufbahnen, O-Ring-
Nuten und Dichtungszonen, sind Eigenschaften,
die beispielsweise bei
Getriebe-, Kupplungs- und Pumpengehäusen
zwingend notwendig sind.
Unterschiedlich dicke Wandstärken
verbunden mit langen Fließwegen
lassen die Druckgießtechnologie jedoch
an ihre Grenzen stoßen und führen
nicht selten zu unzulässigen Porositäten
in den Gussteilen.
Qualitätsprobleme aufgrund von
Problemzonen bei unterschiedlichen

GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 5 / 2009 PRODUKTION & TECHNIK
Bild 2: CAD-Daten des Werkzeugunterteils und der Restgeometrie
mit konturnaher Kühlung
Wandstärken verbunden mit langen
Fließwegen waren im Jahr 2005 der
Auslöser für die ae group, sich näher
mit dem Thema LaserCusing zu befassen.
Dieser Begriff ist zusammengesetzt
aus dem „C“ des Anbieters Concept
Laser GmbH, Lichtenfels, und
dem englischen „Fusing“ (= komplett
aufschmelzen). Das Schmelzverfahren
generiert Schicht für Schicht teils
großvolumige Bauteile unter Verwendung
von 3-D-CAD-Daten. Nach einigen
gelungenen Versuchsreihen
hatten sich die Mitarbeiter der ae
group von der Standzeit der aus Metallpulver
geschmolzenen Werkzeugkerne
überzeugt. Sie stellten fest, dass
ein „gecuster“ Werkzeugkern genauso
haltbar ist wie ein bisher mit herkömmlicher
Technologie gefertigter
Teileeinsatz. Die Standzeiten der so
gefertigten Kerne waren ebenso lang
wie die der konventionell gefertigten
Kerne, teilweise sogar länger.
Aufgrund dieser Testergebnisse entschied
sich das Unternehmen Anfang
2006 dazu, in eine Industrielaseranlage
vom Typ M3 linear zu investieren,
die aufgrund der Bauraumgröße von
300 mm x 350 mm x 300 mm und des
modularen Aufbaus prädestiniert für
den Einsatz im Bereich Aluminiumdruckguss
ist. Seit diesem Zeitpunkt
setzt das Druckgießunternehmen LaserCusing-Technologiestandardmäßig
als Lösung ein, um Problemstellen
durch unterschiedlich dicke Wand-
stärken verbunden mit langen Fließwegen
zu entschärfen.
Geringere Lunkerbildung
„Bei Druckgussteilen liegt die Stärke
der LaserCusing-Technologie eindeutig
in der Optimierung der Teilequalität“,
so Detlev Sagert, Leitung
Projektmanagement bei der Aluminiumdruckgießerei
aus Gerstungen.
Denn durch das Einbringen von konturnaher
Kühlung im Werkzeugeinsatz
wird die Abkühlung des etwa
700°C heißen flüssigen Aluminiums
beschleunigt. Dies hat zur Folge, dass
in den problematischen Bereichen
Bild 3: CAD-Daten der Restgeometrie mit konturnaher Kühlung
Bild 4: Einbau des LaserCusing-Teileeinsatzes in Nest 2
eine lokal geringere Lunkerbildung
(Lufteinschlüsse oder Porositäten) im
fertigen Gussteil auftritt.
Beachtlich reduzierte Ausschusszahlen
aufgrund von Fehlstellen sind
das Resultat, das durch den Einsatz
der Industrielaseranlage M3 linear erzielt
wird. „Parallel dazu haben wir so
gut wie immer eine Reduzierung der
Zykluszeit“ ergänzt Sagert.
Zur Fertigung dieser Werkzeugkerne
kommt das Material CL 60DG, ein serientauglicher
Warmarbeitsstahl, zum
Einsatz. Der Werkstoff hat eine gute
Grundzähigkeit, eine Zugfestigkeit bis
zu 1800 N/mm 2 und eine Härte bis
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14 PRODUKTION & TECHNIK
GIESSEREI-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH 5 / 2009
Bild 5: Ohne LaserCusing-Teileeinsatz in Nest 2
Bild 6: Mit LaserCusing-Teileeinsatz in Nest 2
zu 48 HRC.
Der Werkzeugkern mit konturnaher
Kühlung wird in der Industrielaseranlage
schichtweise aufgebaut, sprich
das Metallpulver wird Schicht für
Schicht aufgeschmolzen. Die typische
Dicke der Pulverschichten liegt zwischen
20 und 50 µm. Um so effektiv
wie möglich zu arbeiten, werden beim
Anwender die Einsatzsegmente in der
von Concept Laser verwendeten Hybridbauweise
gefertigt. Das heißt, der
untere Teil des Werkzeugs wird konventionell
gefertigt, und lediglich die
Restgeometrie wird mit konturnaher
Kühlung aufgeschmolzen. Der Pro-
zess läuft vollautomatisch, das heißt
ohne Bedienpersonal, ab. Anschließend
erfolgen Nacharbeit des Kerns
und Einbau in das Werkzeug. Diese
Vorgehensweise reduziert Fertigungszeiten
um bis zu 80%.
Serientaugliche Technologie
Am Beispiel eines in Serie produzierten
Pumpengehäuses erklärt das
Team der ae group die Vorteile, von
denen die Unternehmensgruppe durch
den Einsatz der Industrielaseranlage
profitiert. Wie in Bild 1 erkennbar
ist, liegt bei dem Pumpengehäuse die
Problemzone in der Mantelfläche der
Pumpenkammer. Aufgrund von Materialanhäufung
in diesem anschnittfernen
Bereich traten nach der Bearbeitung
an 8 bis 10 % der Teile
unzulässige Porositäten auf. Der Anwender
hatte die hohe Ausschussrate
zum Anlass genommen, eine Werkzeugoptimierung
vorzunehmen.
Als Testlauf wurde ein Teileeinsatz
mit konturnaher Kühlung in der Konchoide
(die Konchoide bezeichnet die
Innenkontur des Gehäuses) in Nest 2
eingebaut. Der Einsatz wurde im Hybridverfahren
gefertigt. Auf das Unterteil
(Bild 2) wurde die Restgeometrie
mit konturnaher Kühlung (Bild 3)
Schicht für Schicht aufgeschmolzen.
Nach wenigen Stunden konnte der
Kern nachgearbeitet und in das Werkzeug
eingesetzt werden (Bild 4).
Bild 5 beschreibt den Zustand vor der
Optimierung. In der Wärmebildaufnahme
ist im kritischen Bereich eine
Temperatur von 350°C analysiert worden,
die entsprechenden Einfluss auf
die lokale Erstarrung im Bauteil hat.
Mit Einbringung des Teileeinsatzes in
Nest 2 und die realisierte konturnahe
Kühlung sollte die lokale Lunkerbildung
verringert und die Ausschussrate
reduziert werden. Ebenso wurde
angestrebt, den Wärmetransport mit
der konturnahen Kühlung zu optimieren.
In Bild 6 ist erkennbar, dass
die Zielvorstellungen erreicht wurden.
Die Temperatur im kritischen
Bereich beträgt vor dem Sprühen in
Nest 2 nur noch 250°C. Verglichen
mit den übrigen Nestern ist das eine
Temperaturdifferenz von etwa 100°C.
Durch diese Maßnahme kann das flüssige
Aluminium in Nest 2 schneller
abkühlen und so die Lunkerbildung
deutlich reduziert werden.
Nach Angaben des Anwenders ließ
sich durch die Einbringung des Teileeinsatzes
mit konturnaher Kühlung
in Nest 2 der Materialausschuss aufgrund
von Porositäten im Pumpenbereich
bei dem Testlauf lokal um mehr
als 50% eliminieren. Aufgrund dieses
positiven Ergebnisses entschied sich
der Anwender dafür, alle vier Nester
mit LaserCusing-Teileeinsätzen zu
versehen.
Wirtschaftliche und qualitative
Vorteile
Anhand des Kosten-Nutzen-Vergleichs
erläutert der Anwender die
Rentabilität von Teileeinsätzen mit

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Bild 7: Konturnahe Parallelkühlung
konturnaher Kühlung am Beispiel
des Pumpengehäuses. Die entstandenen
Werkzeug-Mehrkosten für die
vier Einsätze betragen etwa 12000
Euro. Nach Angaben des Unternehmens
entspricht dies Mehrkosten pro
Teil von etwa 2,5 Cent. Bei verringertem
Ausschuss um 1% sind diese
Mehrkosten bereits ausgeglichen.
Die durchweg positiven Ergebnisse
dieser technischen und wirtschaftlichen
Betrachtung der Verwendung
von konturnah gekühlten Einsätzen
bestätigen die Entscheidung des
Anwenders für diese Technologie erneut.
Durch die Integration der LaserCusing-Technologie
ergeben sich folgende
Vorteile:
– wesentlich verbesserte Produktqualität
durch Reduzierung von Lunkerbildung,
An der Zeil 8
96215 Lichtenfels
– 50% weniger Ausschussteile bezogen
auf das anvisierte Fehlermerkmal,
– Verzug am Gussteil wird durch optimale
Kühlung deutlich verringert,
– Verlängerung der Haltbarkeit des
Werkzeugs durch Reduzierung der
Sprühzeiten,
– durch konturnahe Kühlung erhöht
sich die Produktivität im Werkzeug,
– kurze Herstellungszeit der Einsätze,
– vollautomatische Herstellung der
Einsätze,
– angewandte Hybridbauweise zur
wirtschaftlichen Herstellung von
größeren Werkzeugeinsätzen.
Die Laserbearbeitungsanlagen sind
mit neuester Faserlaser-Technologie
ausgestattet. In Kombination mit dem
bei Raumtemperatur geführten Prozess
gewährleistet dies hohe Detail-
Telefon: +49 9571 949-238
Telefax: +49 9571 949-239
Bild 8: Konturnahe Oberflächenkühlung
auflösung und – wie am Fallbeispiel
der ae group verdeutlicht – hervorragende
Fertigungseigenschaften der
hergestellten Werkzeugeinsätze und
Bauteile.
Die „Evolution“ verschiedenster Kühltechniken
geht bei Concept Laser in
großen Schritten voran. Der Anwender
profitierte in beschriebener Weise
von den in Hybridbauweise gefertigten
Werkzeugeinsätzen. Die Ingenieure
des Anbieters forschen und
entwickeln in Bereichen wie Parallelkühlung
(Bild 7) oder effektive
Flächenkühlung (Bild 8). Mit diesen
Methoden sind viele neue Prozessanwendungen
realisierbar.
Detlev Sagert, Leitung Projektmanagement,
ae group, Gerstungen,
Ilona Scholl, Marketing-Assistentin,
Concept Laser GmbH, Lichtenfels
info@concept-laser.de
www.concept-laser.de
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