Rapid Tooling für den Magnesiumdruckguß

Rapid Tooling für den Magnesiumdruckguß
Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart (iwb), Dipl.-Ing. Jörg Fährer (iwb), Dipl.-Ing. Frank Breitinger (apppex GmbH)

Zur Unterstützung der Produktentwicklung werden schon in frühen Phasen funktionale Prototypen benötigt, die sich durch den Einsatz des Serienwerkstoffs und des Serienverfahrens auszeichnen. Auf diese Weise kann eine Übertragbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Prototypen auf Serienbauteile erreicht werden. Außerdem werden frühzeitig Erfahrungen über den Fertigungsprozeß gewonnen.
Ermöglichen kann dies die Strategie des Rapid Tooling. Dabei handelt es sich um ein Gesamtkonzept zur schnellen Herstellung von Werkzeugen für den Spritz- und Druckguß, das drei wesentliche Komponenten beinhaltet (Lorenzen & Pieverling 1998):

An die Rapid Prototyping-Verfahren (RP-Verfahren) wurden hohe Erwartungen gestellt. Die Stärke dieser Verfahren, sehr komplexe Bauteile schnell und kostengünstig herstellen zu können, kann auch im Werkzeug- und Formenbau bei der Fertigung von Formeinsätzen genutzt werden. Aufgrund der hohen Anforderungen des Werkzeug- und Formenbaus, insbesondere beim Leichtmetall-Druckguß, sind jedoch nur wenige RP-Verfahren wirklich geeignet. In diesem Artikel werden einige dieser Prozeßketten vorgestellt.

Kennzeichnend für Rapid Tooling ist eine modulare Werkzeugkonstruktion auf Basis der fertigungsgerechten CAD-Daten des Bauteiles. Das Werkzeug wird dabei in Formeinsätze und die Werkzeugstammform aufgeteilt. Die Formeinsätze werden so unterteilt, daß sie je nach Anforderung über spanende oder RP-Verfahren hergestellt werden können. Nach Ablauf des jeweiligen Fertigungsprozesses werden die Formeinsätze im vorbereiteten Formrahmen vereinigt und die werkzeugtechnische Peripherie installiert.
Zur Aufnahme der Formeinsätze wird eine weitgehend standardisierte Stammform verwendet. Mit ihrer Fertigung kann bereits begonnen werden, sobald die prinzipiellen Abmessungen des Bauteiles bekannt sind (Lorenzen & Pieverling 1998).

RP-Verfahren finden in erster Linie bei der Herstellung von sehr komplexen Formeinsätzen Anwendung. Wo der Einsatz von RP-Verfahren Vorteile im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie Fräsen oder Erodieren bringt, läßt sich oft nur aus Erfahrungswerten bestimmen. Generell kann aber gesagt werden, daß vor allem bei Formeinsätzen mit zahlreichen und tiefen Nuten RP-Verfahren sinnvoll eingesetzt werden können.
Ein weiterer wichtiger Aspekt zur Einordnung von RP-Verfahren in das Rapid Tooling-Konzept ist der Anteil der Formeinsatzfertigung an einem Rapid Tooling-Projekt insgesamt. Folgende Prozeßschritte finden in einem Rapid Tooling-Projekt statt:

Zur Beurteilung des Zeitanteils der einzelnen Prozeßschritte werden konkrete Projekte des Rapid Tooling-Dienstleisters apppex GmbH herangezogen. Die folgende Grafik zeigt das Verhältnis des Zeitaufwands für die einzelnen Prozeßschritte aus vier Rapid Tooling-Projekten. Bei allen vier Projekten ging es um die Fertigung von Werkzeugen für Bauteile ähnlicher Komplexität und Größe. Bei der Herstellung von Formeinsätzen kamen die Fertigungsverfahren Fräsen, Erodieren und Metall-Lasersintern zum Einsatz. Berücksichtigt wurden nur die in Bild 2 genannten Prozeßschritte. Transport- und Liegezeiten wurden nicht erfaßt. Ebenso sind Zeiten von Vorgängen nicht erfaßt, die extern durchgeführt wurden. Jedoch wurde kein Prozeßschritt systematisch ausgelagert.

Trotz einzelner Ungenauigkeiten, die sich aufgrund der beschränkten Möglichkeiten der Datenaufnahme, z. B. Zeiten bei externen Dienstleistern, ergeben, wird die Signifikanz des Zeitanteils für die Fertigung der Formeinsätze deutlich.
Für die gleichen Projekte wurden auch die Kosten ermittelt. Hierbei wurden die Kosten der genannten Prozeßschritte erfaßt. Kosten für externe Dienstleistungen, die diese Prozeßschritte betreffen, wurden ebenfalls aufgenommen.
Der Kostenanteil für die Stammform ist in erster Linie wegen der Materialkosten derart hoch. Die eigentliche Wertschöpfung ist wesentlich niedriger als bei der Fertigung der Formeinsätze.

Insgesamt zeigt sich, daß die Fertigung der Formeinsätze innerhalb eines Rapid Tooling-Projekts eine signifikante Rolle spielt.

Ausgangsbasis ist bei allen RP-Verfahren ein 3D-CAD-Volumenmodell des zu fertigenden Bauteils. Beim Rapid Tooling muß entsprechend ein 3D-CAD-Modell des zu fertigenden Formeinsatzes vorhanden sein. Nach Ausgabe des Modells über die STL-Schnittstelle wird es rechnerintern in einzelne Schichten zerlegt, die dann als Steuerinformationen für den Prozeßrechner der RP-Anlage dienen. Im jeweiligen RP-Prozeß wird dann das Bauteil Schicht für Schicht entsprechend den Steuerinformationen des rechnerinternen Modells aufgebaut. Resultat ist ein körperliches Modell des 3D-CAD-Volumenmodells. Durch den Einsatz von Folgeverfahren, deren Ausgangsbasis ein RP-Modell ist, können Materialien zur Anwendung kommen, die nicht direkt mit RP-Verfahren verarbeitet werden können. Ein Beispiel für ein solches Folgeverfahren ist der Feinguß, bei dem dann statt eines konventionell hergestellten Wachsmodells z. B. ein mit RP hergestelltes Polystyrolmodell verwendet wird.

Es wurde bereits nachgewiesen, daß es grundsätzlich möglich ist, Formeinsätze für Spritz- und Druckgießwerkzeuge mit Hilfe von RP-Prozeßketten herzustellen (Reinhart, u. a. 1998). Gibt es für die Herstellung von Spritzgießformeinsätzen je nach geforderter Standzeit noch zahlreiche geeignete Verfahren, ist die Auswahlmöglichkeit bei der Herstellung von Formeinsätzen für den Leichtmetalldruckguß deutlich geringer. Dies liegt an den hohen thermischen Beanspruchungen der Formeinsätze. So treten beim Magnesium-Druckguß (Legierung AZ91) am Formeinsatz Temperaturschwankungen zwischen 120°C und 680°C innerhalb von Sekundenbruchteilen auf.

Für den Magnesium-Druckguß bieten sich somit in erster Linie RP-Verfahren bzw. Prozeßketten an, mit denen metallische Formeinsätze hergestellt werden können. Im vom BMBF geförderten Projekt MADICA werden folgende Prozeßketten untersucht:

Ziel war es, die genannten Prozeßketten hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung von Formeinsätzen für den Mg-Druckguß zu überprüfen. Zu diesem Zweck wurde ein Testwerkzeug für ein Magnesiumdruckgußbauteil (Ölpumpengehäuse) konstruiert. Mit den unterschiedlichen Prozeßketten wurden dann die Formeinsätze dieses Testwerkzeugs hergestellt. Das Werkzeug wurde aufgebaut und bemustert.
Aufgrund des Projektstandes können in diesem Artikel nur die Ergebnisse für folgende Prozeßketten präsentiert werden:

In einer Lasersintermaschine wird kunstoffummanteltes Metallpulver mit einem Rollermechanismus in 0,13 mm dünnen Schichten aufgetragen. Auf jeder Pulverschicht wird nach dem Auftrag der Laserstrahl entsprechend der Bauteilkontur über die Oberfläche bewegt. Die Kunststoffummantelung des Metallpulvers muß dabei soweit angeschmolzen werden, daß sich die Schichten zu einem zusammenhängenden Bauteil verbinden können. Resultat ist der Grünling.

Der erste Ofenprozeß dient zum Austreiben des Polymerbinders und zum Versintern des Metallpulvers. Der Binder verdampft bei Temperaturen zwischen 450°C und 650°C. Die Ofentemperatur erhöht man mit einer Heizrate von ca. 170°C pro Stunde bis auf 1120°C, um das Metallpulver in weiteren drei Stunden bei dieser Temperatur zu versintern. Anschließend läßt man den Ofen langsam abkühlen, um einen Bauteilverzug zu vermeiden. Das gesinterte Werkstück, der Braunling, kann unterhalb von 200°C aus dem Ofen entnommen werden.

In einem zweiten Ofenprozeß infiltriert man den porösen Braunling mit Bronze (CuSn10). Die Temperatur des Ofens wird auf 1050°C erhöht und drei Stunden auf diesem Niveau gehalten, damit das Infiltrationsmaterial in den Braunling fließen kann. Nach langsamer Abkühlung kann man das fertige Bauteil unterhalb von 200°C aus dem Ofen nehmen. Eine abschließende Nachbearbeitung ist notwendig.

Mit dem selektiven Lasersinterprozeß wird ein Modell des Formeinsatzes aus pulverförmigem Polystyrol aufgebaut. Wie beim ersten Prozeßschritt des indirekten Metall-Lasersinterprozesses wird schichtweise aufgetragenes Pulver durch einen Laserstrahl entsprechend den Schichtkonturen des zu fertigenden Formeinsatzes verschmolzen. Nach Infiltration des Formeinsatzes mit Wachs und einer Nachbearbeitung wird das Polystyrolmodell an Eingußtrichtern und Gießläufen aus Wachs montiert. Anschließend erfolgt das stufenweise Auftragen, Besanden und Trocknen der keramischen Schichten. Nach ausreichender Trocknung wird das Modell aus der Form ausgebrannt. Die entstandene Keramikform wird temperiert und kann danach abgegossen werden. Hierfür wurde ein Stahl (GS-C25) verwendet. Andere RP-Feingußprozeßketten unterscheiden sich hauptsächlich im Werkstoff des verlorenen Modells. Dies hat dann in erster Linie Auswirkungen auf das Ausbrennverhalten des Modells im Feingießprozeß.

Ausgangspunkt zur Erzeugung von Formeinsätzen ist ein Modell eines Werkzeugformeinsatzes, der gewöhnlich mit Stereolithographie hergestellt wird. Dieser Formeinsatz wird in Silikon abgeformt. In dieses Negativ der Werkzeugkomponente wird dann ein Metallpulver-Binder-Gemisch eingefüllt. Dieses Gemisch mit einer variablen Korngröße von 1 mm bis 20 mm wird bei ca. 100°C ausgehärtet. Der somit entstandene Grünling wird vorsichtig der Form entnommen. In einem Sinterofenprozeß ähnlich dem bereits beschriebenen indirekten Metall-Lasersinterprozeß von DTM wird der Binder ausgetrieben, drucklos versintert und mit Kupfer infiltriert. Das Bauteil besteht zu 70% aus A6-Werkzeugstahl und zu 30% aus Kupfer.

4.2 Vergleich Genauigkeit und Materialeigenschaften
Im Rahmen von Vorversuchen wurden die wichtigsten Qualitätsmerkmale der genannten Verfahren ermittelt. Dies sind zum einen die erreichbare Genauigkeit zum anderen die Materialeigenschaften der mit den jeweiligen Prozessen hergestellten Formeinsätze.

	IMLS	Feinguß	KelTool
Genauigkeit [%]	0,30	0,7	0,05
max. Baugröße	280 x 150 x 200 mm	keine Angaben verfügbar	230 x 150 x 100 mm
Zugfestigkeit [MPa] bei 20°C	580	515	keine Angaben verfügbar
Bruchdehnung [%] bei 20°C	0,9	22	keine Angaben verfügbar
E-Modul [MPa]	263000	200000	keine Angaben verfügbar
Wärmeleitfähigkeit [W/mK]	23	30	keine Angaben verfügbar

Die Genauigkeitsangaben ergeben sich aus Messungen an den Formeinsätzen. Da es sich um vergleichsweise wenige Meßstellen handelt, die mit dem jeweiligen Ver-fahren hergestellten Formeinsätze unterschiedlich sind und die Messungen von ver-schiedenen Unternehmen bzw. Instituten durchgeführt wurden, können die Genauigkeitsangaben nur Größenordnungen vermitteln. Für einen exakten Vergleich müßten in jedem Verfahren die gleichen Testteile mit zahlreichen Meßstellen hergestellt werden. Die Angaben zu Materialeigenschaften sind Herstellerangaben.

Folgende systembedingte Schwächen der einzelnen Verfahren lassen sich ausmachen:
Beim indirekten Metall-Lasersinterprozeß fällt in erster Linie die niedrige Bruchdehnung auf. Das Material ist im Vergleich zu Stahl spröde. Besonders kleine Formelemente neigen zum Abbrechen.

Feinguß mit Stahl hat zwei wesentliche Schwächen. Zum einen lassen sich schmale und tiefe Spalte am verlorenen Modell nur schwer mit Keramikschlicker füllen und werden somit nicht abgebildet. Die Herstellung von Formeinsätzen mit schmalen und tiefen Nuten ist jedoch der wesentliche Einsatzbereich von RP-Prozeßketten. Zum anderen zeichnet sich der Stahlguß durch eine sehr hohe Schwindung aus. Bei massiven Bauteilen wie z. B. Formeinsätzen wirkt sich dies zum einen signifikant auf die Genauigkeit aus. Zum anderen entstehen Lunker und Einfallstellen.

Der KelTool-Prozeß läßt nur eine sehr geringe Baugröße zu. Größere Formeinsätze müssen also segmentiert werden.

4.3 Vergleich der Prozeßketten hinsichtlich des Zeitaufwands
Die drei vorgestellten Prozeßketten werden hinsichtlich des Zeitaufwandes für die einzelnen Prozeßschritte miteinander verglichen. Dieser Vergleich gestaltet sich schwierig, da einzelne Prozeßschritte extern durchgeführt wurden. Liegezeiten lassen sich somit nur schwer erfassen. Außerdem kommen noch Zeiten und auch Kosten für den Transport der Formeinsätze hinzu.

4.3.1 Indirekter Metall-Lasersinterprozeß (IMLS)
Mit dem IMLS wurde im Projekt Madica der angußseitige Formeinsatz eines Testwerkzeuges (Ölpumpengehäuse) hergestellt. Die Stundenangaben sind somit auf dieses Bauteil zu beziehen. Dabei hat die Bauteilgeometrie jedoch nur Einfluß auf die Bauzeit des selektiven Lasersinterprozesses. Die Zeiten der beiden Ofenprozesse sind unabhängig von der Geometrie.

Der zeitliche Aufwand wird in den Aufwand für die Herstellung des Formeinsatzes und die Nachbearbeitung untergliedert.
Bei der Herstellungszeit sind Liegezeiten nicht berücksichtigt. Diese fallen allerdings bei den weitgehend mannlos ablaufenden Prozeßschritten kaum an. Ein weiterer Vorteil ist, daß keine Prozeßschritte ausgelagert werden müssen.

Auch bei der Nachbearbeitungszeit wurden Liegezeiten nicht mit aufgenommen. Da z. B. für das Polieren externe Dienstleistungen in Anspruch genommen werden mußten, kommen noch Zeiten für den Transport und sonstige Auftragsabwicklungszeiten hinzu.

Der auswerferseitige Formeinsatz wurde mit einer Feingußprozeßkette hergestellt. Der eigentliche Feingußprozeß wurde extern durchgeführt. Bei der Dauer dieses Prozeßschrittes von insgesamt 7 Wochen sind die Liegezeiten enthalten. Deren genauer Anteil konnte aber nicht erfaßt werden und verzerrt die Auswertung der Fertigungszeiten. Jedoch ist die Herstellung eines derart massiven Bauteils durch das Feingußverfahren kaum unter drei Wochen durchzuführen.

Die Nachbearbeitung konnte wieder im Hause durchgeführt werden. Auffällig ist der hohe Anteil der spanenden Bearbeitung, der notwendig war, um die Maßgenauigkeit zu gewährleisten.

Die Herstellung dieses Formeinsatzes wurde vollständig in den USA durchgeführt. Er dauerte dreieinhalb Wochen. Die Dauer der einzelnen Prozeßschritte konnte nicht herausgefunden werden. Da es jedoch inzwischen auch in Deutschland Dienstleister gibt, die diesen Prozeß anbieten, ist zukünftig mit einer kürzeren Herstellungsdauer zu rechnen. Der Aufwand für die Nachbearbeitung konnte ebenfalls nicht genau erfaßt werden. Er betrug insgesamt drei Wochen. Dabei war ein wesentlicher Teil Liegezeit. Spanend bearbeitet werden mußte nur das Aufmaß. Aufgrund der guten Genauigkeit könnte jedoch sogar auf ein Aufmaß verzichtet werden.

4.4 Vergleich Einsatz in der Praxis
Um das Verhalten im Druckguß zu untersuchen, wurden die Formeinsätze und der Schieber in einen Formrahmen eingepaßt und mit Magnesium (AZ 91) bemustert.

Insgesamt wurden 100 Teile hergestellt. Alle drei Einsätze zeigten danach noch keinerlei Verschleißerscheinungen wie Brandrisse.

4.5 Beurteilung
Alle drei Prozeßketten sind prinzipiell zur Herstellung von Formeinsätzen für den Mg-Druckguß geeignet. Jedoch zeigen die Prozeßketten unterschiedliche Stärken und Schwächen:
Der indirekte Metall-Lasersinterprozeß ermöglicht eine sehr schnelle Herstellung auch von mittelgroßen Formeinsätzen mit ausreichender Genauigkeit. Die Formeinsätze müssen jedoch aufwendig poliert werden. Dieser Schritt findet bei den anderen Prozeßketten bereits zu einem früheren Zeitpunkt statt, bei dem das zu polierende Bauteil noch leichter zu bearbeiten ist (Stereolithographie-Bauteil beim KelTool-Prozeß bzw. Polystyrol-Bauteil bei der Feingußprozeßkette). Daneben hat das Material, wie andere Untersuchungen zeigen, im Mg-Druckguß eine begrenzte Standzeit (ca. 600 Stück).
Die Feingußprozeßkette bietet die Möglichkeit der Herstellung von Formeinsätzen aus Warmarbeitsstahl. Allerdings ist sie hinsichtlich der Abbildungsmöglichkeiten von tiefen Nuten eingeschränkt. Aufgrund der langen Fertigungsdauer und der schlechten Genauigkeit ist diese Prozeßkette im Rapid Tooling schlecht verwendbar.
Der KelTool-Prozeß bietet eine sehr gute Genauigkeit und hohe Oberflächengüte. Die Herstellungszeit für einen Formeinsatz liegt noch im tolerierbaren Bereich, vor allem wenn man berücksichtigt, daß der Nachbearbeitungsaufwand minimal ist. Der größte Nachteil dieser Prozeßkette ist die begrenzte Bauteilgröße. Mittlere und größere Formeinsätze müssen deshalb segmentiert werden.
Diese Untersuchung wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts “Produktion 2000” gefördert und vom Projektträger Fertigungstechnik und Qualitätssicherung, Forschungszentrum Karlsruhe, betreut. Hierfür sei an dieser Stelle gedankt.

Bei der Verwirklichung der Strategie Rapid Tooling spielt neben den Komponenten Organisation und Standardisierung der Einsatz innovativer Fertigungsverfahren eine wichtige Rolle. Viel Beachtung finden hierbei die RP-Prozeßketten, die zur Herstellung von Formeinsätzen verwendet werden. Exemplarisch werden in diesem Artikel drei solche Prozeßketten betrachtet. Dies geschieht anhand des Einsatzes der Prozeßketten in einem Tooling Projekt. Dabei werden die einzelnen Prozeßschritte erfaßt und bewertet. Es zeigt sich, daß mit jeder der Prozeßketten Formeinsätze hergestellt werden können, mit denen im Mg-Druckguß zumindest 100 Teile ohne Verschleißerscheinungen herstellbar sind. Jede der Prozeßketten hat jedoch ihre spezifischen Schwachstellen, so daß ein Einsatz nur in bestimmten Anwendungsfällen in Frage kommt.

6 Literatur
Lorenzen & Pieverling 1998:
Rapid Tooling – Ein Konzept zur schnellen Werkzeugherstellung. In: Reinhart, G.; Milberg, J.: Rapid Tooling – neue Strategien für den Werkzeug- und Formenbau, Augsburg. München, Utz 1998, S. 1/3-1/22. (Seminarberichte iwb 39)
Reinhart, u. a. 1998
Reinhart, G.; Lorenzen, J.; v. Pieverling, J.; Breitinger, F.: Rapid Tooling - Techno-logien zur schnellen Herstellung von Prototypen. Tagungsband des 3D Erfah-rungsforum Werkzeug- und Formenbau. Darmstadt 1998.