DE102015209702A1

DE102015209702A1 - Lasergesinterte Gießwerkzeuge für Schwerkraft-Kokillenguss

Info

Publication number: DE102015209702A1
Application number: DE102015209702.1A
Authority: DE
Inventors: Udo Buschkamp; Stanislav Stanchev
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2015-12-03
Also published as: JP6479052B2; CN106488817B; CN106488817A; JP2017519639A; EP3154731A1; MX2016014476A; WO2015181229A1; US20170182555A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von direktem Metall-Laser-Sintern (DMLS) zur Herstellung eines Gießwerkzeuges, insbesondere einer Kokille, zur Verhinderung von Lufteinschlüssen in im Schwerkraft-Kokillenguss hergestellten Kolben für Brennkraftmaschinen, wobei mindestens ein Bereich des Gießwerkzeuges mehrere kleine Öffnungen, insbesondere Mikrobohrungen, zur Luftabführung aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Gießwerkzeuges, insbesondere einer Kokille, für den Schwerkraft-Kokillenguss zur Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft lasergesinterte Gießwerkzeuge für den Schwerkraft-Kokillenguss, insbesondere zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß den Merkmalen des jeweiligen Oberbegriffes der unabhängigen Patentansprüche.
Beim Kokillengießen werden Schmelzen unter dem Einfluss der Schwerkraft oder geringer Drücke in Dauerformen steigend oder fallend vergossen.
Die DE 102014211350 A1 betrifft einen Kolben aus Metall oder einer Metalllegierung für eine Brennkraftmaschine, wobei der Kolben oder mindestens ein Kolbenteil in einem Gießverfahren basierend auf einer verlorenen Form oder in einem Gießverfahren basierend auf einer Dauerform hergestellt ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das Schwerkraft-Kokillengießverfahren wird hier als ein auf einer Dauerform basierendes Verfahren zur Herstellung eines Kolbens offenbart.
Im Schwerkraft-Kokillenguss wird die Schmelze unter Einfluss der Schwerkraft über ein Gießsystem in das Gießwerkzeug, die Form (Kokille), gegossen. Die auftretende Schwindungsporosität wird durch sogenannte Speiser aufgefangen und die Erstarrung des Materials wird durch Kühlung der Gießform gelenkt. Aufgrund der geringen Porosität lassen sich über eine Wärmebehandlung sehr gute mechanische Eigenschaften erzielen.
Hauptanwendungsgebiete sind der Leichtmetall-Kokillenguss (Aluminium-Kokillengusslegierungen und Magnesiumlegierungen) zur Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen.
Das Füllen kann bei einfachen Gießwerkzeugen von Hand vorgenommen werden, wozu ein Gießwerkzeug (Kokille) hierzu mechanische Bewegungselemente aufweist. Bei größeren Kolben-Serien werden Kokillengießmaschinen oder mechanisierte bzw. automatisierte Kokillengießanlagen eingesetzt. Die einzelnen Arbeitsgänge wie Kern einlegen, Schließen der Form, Abgießen, Kühlen, Öffnen der Form, Auswerfen und Entnahme des Gussteiles, Ausblasen und Schlichten können dabei automatisiert erfolgen.
Das Kokillengießen unterscheidet sich vom Sandguss vor allem darin, dass der metallische Formwerkstoff mit seiner – im Vergleich zum Formsand – hohen Wärmeleitfähigkeit eine beschleunigte Abkühlung der erstarrenden Schmelze bewirkt. Als Folge dieser relativ raschen Erstarrung entsteht ein verhältnismäßig feinkörniges und dichtes Gefüge. Damit verbunden sind bessere mechanische Eigenschaften und eine hohe Dichtheit der Kolben. Die höhere Reproduzierbarkeit bei der Erzielung eines dichten Gefüges führt dazu, dass Kolben bevorzugt im Kokillengießverfahren und nicht im Sandguss hergestellt werden.
Weitere Vorteile des Kokillengießens gegenüber dem Sandguss sind eine bessere Maßgenauigkeit und hohe Maßhaltigkeit, eine bessere Oberflächengüte und exakte Konturenwiedergabe durch die metallische Dauerform, der Wegfall der Sandaufbereitung, ein hohes Ausbringen bei einfachen Teilen, eine kürzere Herstellungszeit und Taktzeit aufgrund der raschen Erstarrung und die Möglichkeit, einen automatisierten Ablauf zu installieren.
Es werden Kokillen (Gießwerkzeuge) unterschieden mit senkrechter und mit waagerechter Hauptteilungsebene bzw. nach der Art auch Vollkokillen, Gemischtkokillen (mit Sandkernen) oder Halbkokillen (mit je einer Sand- und eine Kokillengießhälfte).
Senkrecht geteilte Kokillen können von Hand bedient und zum Gießen auf einen Tisch gestellt werden. Beide Kokillenhälften sind zum passgenauen Öffnen und Schließen mit Führungsdübeln oder Führungsstiften versehen. Größere Kokillen werden auf einer zusätzlichen Führungsleiste, die in den Gießtisch eingelassen ist, bewegt.
Kokillen mit horizontaler Hauptteilungsebene bestehen aus einer waagerecht liegenden Grundplatte, auf der zwei oder mehrere Schieber gleiten, die einen senkrecht nach oben zu lösenden Metallkern umschließen. Weitere Kerne können zusätzlich in die Schieber und in die Grundplatte eingebaut werden. Bei hohen Kolben-Stückzahlen und zur Verkürzung der Taktzeit werden auch Gießkarusselle verwendet.
Als Kokillenwerkstoffe können beispielsweise Baustähle, Gusseisen mit Lamellengraphit, Warmarbeitsstähle, Spezial-Molybdänlegierungen oder Wolfram-Schwermetalle für besonders hoch beanspruchte Formbauteile verwendet werden.
Die kokillengießfähigen Leichtmetallgusswerkstoffe sind genormt, beispielsweise Aluminium-Kokillengusslegierungen. Wie für Sandgussstücke sind auch Kokillengussteile uneingeschränkt wärmebehandlungsfähig und schweißgeeignet.
Das Gießwerkzeug (die Kokille) muss vor dem Gießen einwandfrei geschlichtet und vorgewärmt werden, was in der Regel über Gasbrenner erfolgt. Der Schlichteüberzug hält einige Gießzyklen stand und muss daher nur bei Bedarf wieder ausgebessert oder erneuert werden. Eine ausreichend angewärmte Kokille bedarf normalerweise während des Gießbetriebes keiner weiteren Beheizung. Der bei jedem Gießvorgang stattfindende Wärmeaustausch genügt, um die gießgerechte Formtemperatur beizubehalten. Bei komplexeren Gussteilen ist aber durchaus eine Zusatzbeheizung oder aber eine Formkühlung erforderlich.
Beim Standard-Kokillengießverfahren erfolgt die Formfüllung mit Hilfe der Schwerkraft und in der Regel im steigenden Guss, das heißt, die Schmelze wird durch einen Einguss gefüllt und fließt dann über einen Lauf, der unterhalb und gegebenenfalls seitlich des eigentlichen Gussteiles angeordnet ist, über den (die) Anschnitt(e) in den Formhohlraum. Damit wird die Form von unten nach oben steigend gefüllt. Auf die Formfüllzeit haben folgende Faktoren einen Einfluss: die Einströmgeschwindigkeit der Legierung, der Anschnittquerschnitt, die Geometrie sowie die Wärmeleitfähigkeit der Legierung und der Kokille.
Nach dem Gießen können beispielsweise folgende Arbeitsgänge durchgeführt werden: Stanzen, Sägen, Entgraten, Röntgen, Wärmebehandlung, Gleitschleifen, Sandstrahlen, mechanische Bearbeitung, Beschichten, Reinigen/Waschen und/oder Montage.
Bei der Anwendung des Schwerkraft-Kokillengusses wird die Schmelze unter Wirkung der Schwerkraft in die metallische Dauerform (Kokille) gegossen.
Die Vorteile des Verfahrens sind beispielsweise, hervorragende Werkstoffeigenschaften Realisierung komplexer Innengeometrien (mit Hilfe von Sandkernen), geringe Werkzeugkosten im Vergleich zum Druckguss, ein hoher Automatisierungsgrad sowie Dichtheit. Wirtschaftliche Auftragsmengen für den Kokillenguss sind kleine bis große Kolben-Serien.
Der Kokillenguss eignet sich besonders für Kolben aufgrund ihrer Werkstückgeometrien und ihrer hohen Werkstoffanforderungen. Hinterschneidungen sind mit Sandkernen darstellbar.
Die Herstellung der Gießwerkzeuge (Kokillen) für das Gießen von Kolben ist sehr aufwendig aufgrund der Formgebung von Kolben. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass keine Lufteinschlüsse in dem gegossenen Kolben vorliegen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Gießwerkzeugen für den Schwerkraft-Kokillenguss bereitzustellen, welches ein gleichmäßiges Entlüften der Form ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Verwendung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Verwendung von direktem Metall-Laser-Sintern (DMLS) zur Herstellung eines Gießwerkzeuges, insbesondere einer Kokille, zur Verhinderung von Lufteinschlüssen in im Schwerkraft-Kokillenguss hergestellten Kolben für Brennkraftmaschinen vorgesehen, wobei mindestens ein Bereich des Gießwerkzeuges mehrere kleine Öffnungen, insbesondere Mikrobohrungen, zur Luftabführung aufweist. Überaschend wurde festgestellt, dass durch direktes Laser-Metall-Sintern (DMLS) durch den schichtweisen Aufbau des Gießwerkzeuges feinere Gas- und Wasser-durchlässige Strukturen in Gießwerkzeugen für den Schwerkraft-Kokillenguss als beispielsweise durch Elektroerosion erzeugt werden können. Bei der Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Mikrobohrungen zu schaffen, um die im Gießwerkzeug befindliche Luft abzuführen. Weiterhin werden durch die direkte Erstellung des Gießwerkzeuges Kosten und Zeit eingespart.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gießwerkzeuges, insbesondere einer Kokille, für den Schwerkraft-Kokillenguss zur Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen vorgesehen, wobei das Gießwerkzeug durch direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) erzeugt wird. Beim direkten Laser-Metall-Sintern wird das Gießwerkzeug direkt aus CAD- bzw. 3D-Daten erzeugt. Der aufwendige Bau des Gießwerkzeuges durch beispielsweise spanende Verfahren ist nicht mehr erforderlich. Die Entwicklungszeit für einen im Schwerkraft-Kokillenguss hergestellten Kolben wird deutlich reduziert. Ein Gießwerkzeug kann beispielsweise direkt vor Ort beim Kolbenhersteller konzipiert und gefertigt werden.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gießwerkzeug schichtweise durch Einwirkung eines Lasers auf Metallpulver erzeugt wird. Das Metallpulver wird ohne jegliche Zusätze, wie beispielsweise Bindemittel, eingesetzt. Durch den schichtweisen Aufbau kann das Gießwerkzeug jegliche geometrische Form erhalten.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gießwerkzeug einen Sinterboden aufweist. Als Sinterboden wird ein Bereich im Gießwerkzeug bezeichnet, welcher kleinste Öffnungen, aufweist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sinterboden Mikrobohrungen aufweist. Durch diese Mikrobohrungen kann während des Gießvorganges die Luft aus dem Gießwerkzeug für einen Kolben sicher entfernt werden. Die Qualität des gegossenen Kolbens steigt, da sein Gefüge frei von Lufteinschlüssen ist.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Mikrobohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 0,50 mm, bevorzugt von weniger als 0,3 mm, insbesondere zwischen 0,1–0,25 mm, erzeugt werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei Mikrobohrungen mit einem Durchmesser zwischen 0,15 und 0,25 mm Wasser zuverlässig die Mikrobohrung als Strahl durchtritt bzw. verlässt.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Mikrobohrungen mit einem Durchmesser die vorstehend genannten Durchmesser über eine Tiefe zwischen 1 und 10 mm, insbesondere in einer Tiefe zwischen 4 und 6 mm, aufweist. Eine Tiefe zwischen 1 und 10 mm, insbesondere eine Tiefe zwischen 4 und 6 mm der Mikrobohrung mit einem Durchmesser von weniger als 0,50 mm, bevorzugt von weniger als 0,3 mm, insbesondere zwischen 0,1–0,25 mm, hat sich als vorteilhaft erwiesen, da sie die Stabilität des Gusswerkzeuges im Bereich des Sinterbodens gewährleistet und eine sichere Abfuhr der Luft im Gießprozess aus dem Gießwerkzeug ermöglicht.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das durch direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) erzeugte Gießwerkzeug einer Wärmebehandlung zur Erhöhung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des Gießwerkzeuges unterzogen wird. Durch die nachfolgende Wärmebehandlung wird die Standzeit des Gießwerkzeuges verbessert. Das Gießwerkzeug hält den Belastungen im Gießprozess besser stand.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gießwerkzeug seiner Formtopographie angepasste Temperierkanäle aufweist. Die Temperierkanäle können genau dem Verlauf der im Gießwerkzeug abgebildeten Kolbenform folgen. Hierdurch wird ein besserer Wärmeaustausch ermöglicht. Vor dem Gießen kann das Gießwerkzeug über die Temperierkanäle vorgeheizt werden. Während des Gießprozesses kann das Gießwerkzeug bei Bedarf über die Temperierkanäle gekühlt werden.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Temperierkanäle zur Vermeidung von Fließstörungen Feinfilter an ihren Temperierzugängen aufweisen. Feinfilter an den Temperierzugängen der Temperierkanäle verhindern, dass Verunreinigung im Wärmetauschmedium die Temperierkanäle verstopfen. Ein sicherer Wärmetausch über die gesamte Standzeit des Gießwerkzeuges ist somit gewährleistet. Die Feinfilter können ebenfalls durch direktes Laser-Metall-Sintern erzeugt werden. Sie können einstückig mit dem Gießwerkzeug ausgeführt sein oder als separates Bauteil gefertigt werden.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gießwerkzeug in Hybridbauweise mit einem Sockel ausgeführt ist. Die Hybridbauweise hat den Vorteil, dass der auf die jeweilige Kokillengießmaschine abgestimmte Sockel immer gleich ausgeführt werden kann.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sockel als Basis zum Aufbau einer Kolben-spezifischen Gießform durch direktes Metall-Laser-Sintern dient. Der Sockel dient somit als Basis für den direkten Laser-Metall-Sinterprozess und kann vorzugsweise als Gleichteil ausgeführt werden. Der Sockel kann somit in großen Stückzahlen gefertigt werden, was die Kosten für das Gießwerkzeug senkt.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Funktionselemente für den Gießvorgang, wie beispielsweise Kühl-, Auswerfer-, Gewindebohrungen, vor dem Laserschmelzvorgang in den Sockelbereich eingebracht werden. Durch das Einbringen der Funktionselemente in den Sockel ist der Übergang zur Kokillengießmaschine gewährleistet. Die Schnittstelle für den Medienübergang wird nahe an die eigentliche Gießform für den Kolben für eine Brennkraftmaschine verlegt.
Das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS)/direct metal laser sintering (DMLS) ist ein generatives Rapid Prototyping Verfahren, welches erfindungsgemäß zur direkten Herstellung von Werkzeugen, sogenannten Rapid Tools, für den Schwerkraft-Kokillenguss zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen verwendet wird.
Das Direkte Metall Lasersintern (DMLS) wird auch als „Selektives-Metall-Laser-Schmelzen”, „Selektives-Metall-Laser-Sintern” oder nur als „Metall-Laser-Sintern” bezeichnet sowie als Selective Laser Melting-Verfahren (SLM) oder kurz als Selective Laser Melting (SLM) bezeichnet. DMLS ist ein additiver Fertigungsvorgang, bei welchem direkt aus den 3D-Konstruktiondaten bzw. CAD-Daten durch schichtweises Verschmelzen von Metallpulver mit Hilfe von Laserstrahlen Gießwerkzeuge für den Schwerkraft-Kokillenguss zur Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen herstellt werden. Für die Verarbeitung metallischer Werkstoffe mit Hilfe von DMLS bzw. SLM werden keinerlei Binder oder sonstige Zusätze benötigt. Für besonders präzise Gießwerkzeugstrukturen kann auch Mikro Laser-Sintern (MLS) eingesetzt werden.
Die generierten Bauteile besitzen ein homogenes Gefüge und relative Dichten von nahezu 100%. Aber nicht nur die physikalischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der erzeugten Bauteile entsprechen denen gegossener Strukturen.
Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren bietet das Verfahren sehr große Gestaltungsfreiheiten in der Bauteilgeometrie. Das DMLS- bzw. SLM-Verfahren ermöglicht durch den schichtweisen Aufbau von Gießwerkzeugen die Fertigung von beliebigen Hohlräumen und Hinterschnitten. Zudem können mehrere Funktionen im Gießwerkzeug integriert werden. Lediglich die Entformbarkeit des Kolbens aus dem Gießwerkzeug setzt. Grenzen bei der geometrischen Gestaltung des Gießwerkzeuges. Dank dieser enormen Konstruktionsfreiheit besteht sowohl die Möglichkeit, Kolben zu individualisieren, als auch die Anzahl ihrer Varianten nahezu beliebig zu vergrößern.
Durch den Einsatz von DMLS bzw. SLM zur Fertigung von Gießwerkzeugen (Kokillen) für den Scherkraft-Kokillenguss von Kolben wird die gesamte Prozesskette und damit die Fertigungszeit des individuellen Kolbens verkürzt. Für Kolben-Kleinserien und Brennkraftmaschinen mit sehr kurzen Produktlebenszyklen stellt diese Zeitersparnis einen großen Wettbewerbsvorteil dar. Speziell in Bereichen mit kleinen Gießwerkzeugen minimaler Losgrößen und komplexer Geometrien ist das DMLS- bzw. SLM-Verfahren eine vorteilhafte Alternative zu der konventionellen Gießwerkzeug-Fertigung.
Die Komplexität des Gießwerkzeuges hat beim DMLS- bzw. SLM-Verfahren nur einen geringen Einfluss auf die Stückkosten, da diese vor allem volumen- und nicht geometrieabhängig sind. Besonders gut geeignet für das DMLS- bzw. SLM-Verfahren sind Gießwerkzeuge hoher Komplexität, da ihre Fertigung mit den konventionellen Verfahren entweder sehr kostenintensiv oder gar nicht möglich ist. Somit können Kolben mit komplexen Geometrien im Schwerkraft-Kokillengussverfahren hergestellt werden, welche bisher gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand herstellbar waren.
Beim selektiven Laserschmelzen wird Metallpulver zunächst in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgetragen. Ein Laser bringt das Pulver dann mit einem starken Laserstrahl selektiv zum Schmelzen. Als Basis dienen ihm digitale 3D Konstruktionsdaten des Gießwerkzeuges für den Schwerkraft-Kokillenguss, der Kokille. Danach senkt sich die Grundplatte um eine Schichtdicke ab und eine neue Lage Pulver wird aufgetragen. Das Metallpulver wird erneut präzise mit dem Laser aufgeschmolzen und mit der darunterliegenden Schicht verbunden. Dieser Zyklus wiederholt sich so lange, bis alle Schichten durchgeschmolzen sind. Das fertige Gießwerkzeug wird anschließend von der Grundplatte entfernt, gesäubert, bei Bedarf bearbeitet oder es kann sofort eingesetzt werden.
DMLS bzw. SLM bieten bei der Fertigung von Kokillen folgende wichtige Vorteile. DMLS bzw. SLM ist ein hochflexibles, kostenattraktives Produktionsverfahren, es besteht nahezu völlige Geometriefreiheit, es ermöglicht die schnelle Fertigung komplexer Bauteile, es ermöglicht eine hohe Zeitersparnis und es entstehen hochbelastbare Bauteile bei geringerem Materialbedarf.
Es wurde festgestellt, dass durch eine nachfolgende Sinterung die Porosität lasergesinterter Strukturen vollständig eliminiert werden kann. Weiterhin verbessert eine Wärmebehandlung die Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der lasergesinterten Kokille. Die lasergesinterten Dichten liegen im Bereich von 9597% der theoretischen Dichte. Durch eine Sinternachbehandlung wird das Gefüge des Gießwerkzeuges homogenisiert und der Restporenanteil nahezu oder sogar vollständig eliminiert.
Die Verwendung von üblichen pulvermetallurgisch eingesetzten Pulvern für das Werkstoffsystems gestattet eine schnelle, unkomplizierte und preisgünstige Herstellung der Stahllegierung. Die lasergesinterten Strukturen eignen sich besondere zur Verwendung als Gusswerkzeug bzw. Kokille im Schwerkraft-Kokillengießverfahren.
Mit kolbenkonturnaher Kühlung wird eine Kühlzeitverkürzung um bis zu 50% und dadurch eine Verkürzung des Gießzyklus bis etwa 30% erreicht.
Daraus folgt ein massives Verbesserungspotential hinsichtlich der Kosten, einer verbesserten Oberflächengüte, größerer Maßhaltigkeit und einem wesentlich geringeren Verzug. Dies sind besonders vorteilhafte Einsparungs- und Verbesserungsmöglichkeiten.
Mit DMLS können Formeinsätze, Schieber und Formkerne mit einer äußerst effektiven, konturnahen Kühlung/Temperierung für den Schwerkraft-Kokillenguss von Kolben gefertigt werden.
Die Dimensionierungen, Durchlasskonturen und Anordnungen der Temperierbohrungen werden abgestimmt auf die jeweilige Formtopographie des Gießwerkzeuges (der Kokille) bzw. des daraus entstehenden Kolben gestaltet.
Durch die dann im oberflächennahen Kavitätsbereich ausreichend dimensionierten und optimal angeordneten Kühlkanäle wird eine schnelle und dennoch gleichmäßige Wärmeabfuhr erreicht, welches zu deutlichen Gießzyklus-Verkürzungen und Qualitätsverbesserungen führt.
Formbauteile für das Gießwerkzeug können in Hybridbauweise erstellt werden, wobei die massiven Sockel-Bereiche aus mechanisch bearbeiteten Halbzeugen bestehen. Auf ihnen kann dann das eigentliche Gießwerkzeug (die Kokille) aufgebaut werden. Diese Bauweise reduziert den Zeit- und Kostenaufwand erheblich.
Die Bereitstellung der Sockel und die nachfolgenden Oberflächenbearbeitungen können im Formenbau vorgenommen werden.
Bei der Hybridbauweise werden die Kühl-, Auswerfer-, Gewindebohrungen, etc. vor dem Laserschmelzvorgang in den Sockelbereich eingebracht.
Optional können die Temperierkanäle mit einem speziellen Korrosionsschutz versehen werden.
Um bei den teils sehr engen Bohrungsquerschnitten mögliche Fließstörungen zu vermeiden, können vor den Temperierzugängen entsprechende Feinfilter platziert werden.
Bei der Herstellung von Gießwerkzeugen werden im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren durch Laserschmelzen Einsparungen bis 80% erzielt, bei gleichzeitig deutlicher Senkung der Produktionszeit.
Aus 3D-Daten können voll belastbare, metallene Gießwerkzeuge erstellt werden.
Konstrukteure können erstmals mit dem DMLS Gießwerkzeuge für technisch äußerst anspruchsvolle Kolben gestalten, gänzlich frei von Beschränkungen durch mechanische Bearbeitungstechniken.
An einem Gießwerkzeug für den Schwerkraft-Kokillenguss können folgende Eigenschaften verwirklicht werden: ein lunkerfreier Wandungsaufbau, eine stabile Gestaltung, ein härtbarer Werkstoff, eine doppelwandige Gestaltung oder auch eine Gestaltung mit Gitterstruktur, eine gedrillte Wandung, mehrfache Hinterschnitte, unregelmäßig verlaufende Bohrungen, strukturierte Hohlräume, mit konkaver oder konvexer Beschriftung und/oder ähnliche Strukturen.
Nachbearbeitungen durch Fräsen, Drehen, Schleifen, Härten, Beschichten für Gewinde, Lagersitze, Fügeflächen etc. können als Anschlussbearbeitung an den Gießwerkzeugen nach ihrer Fertigung durch DMLS durchgeführt werden.
DMLS eignet sich zur Herstellung von Gießwerkzeugen aus Metall für Kolben-Prototypen und Kolben-Einzelanfertigungen sowie für Kolben kleinerer und mittlerer Serien. Dieses sehr schnelle und präzise Schichtaufbauverfahren kann mit fast allen Metallen und bestimmten Keramikwerkstoffen angewendet werden. Diese Technologie unterstützt den starken Trend zu kleineren Losgrößen in der Fertigung von Kolben und der Individualisierung von Kolben. Somit bietet das Lasersintern bei der Herstellung von Gießwerkzeugen für den Schwerkraft-Kokillenguss große Vorteile zu konventionellen formgebundenen Verfahren dar, die eine Mindestseriengröße benötigen, um hohe Formenkosten zu amortisieren.
Gießwerkzeuge für den Schwerkraft-Kokillenguss zur Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen können ohne den Einsatz von Spezialwerkzeugen gefertigt werden. Das verkürzt die Entwicklungszeit deutlich und spart Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Maß- und Formhaltigkeit der durch DMLS hergestellten Gießwerkzeuge.
Komplexe Geometrien sind dreidimensionale Strukturen, die häufig Hinterschnitte oder Hohlräume aufweisen. Viele komplexe Geometrien lassen sich mit konventionellen Technologien wie Fräsen, Drehen oder Gießen nur bedingt oder zu hohen Kosten herstellen. Bei konventionellen Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen oder Gießen sind die Produktionskosten stark an die Komplexität des Gießwerkzeugs bzw. des daraus entstehenden Kolbens gekoppelt, da meist das Anfertigen komplizierter Werkzeuge oder aufwendiger Sonderlösungen notwendig ist.
Jede erdenkliche, mit einem 3D-CAD-Programm konstruierbare Gießwerkzeug-Form lässt sich mit der Laser-Sinter-Technologie auch fertigen. Es gibt keinerlei Einschränkung, auch nicht bei der Herstellung hohler Strukturen. Dies ist möglich, da nur an den Stellen ein Materialauftrag erfolgt, an denen dies im 3D-Modell vorgesehen ist.
Die Komplexität eines Gießwerkzeugs muss sich nicht mehr nach dem Herstellungsverfahren richten, sondern nach der gewünschten Funktion und dem Design des aus dem Gießwerkzeug entstehenden Kolbens. Je komplexer die Geometrie eines Gießwerkzeuges ist, desto mehr lohnt sich die additive Fertigung.
Die additive Fertigungstechnologie auf der Basis von DMLS ermöglicht es, kurzfristig Änderungen an den Gießwerkzeugen durchzuführen.
Mit der additiven Fertigung auf der Basis von DMLS gelangt der Hersteller ohne Umweg von der ersten Konstruktionsidee zum fertigen Gießwerkzeug.
Ein großer Vorteil der additiven Fertigung ist es, sehr einfach von der Konstruktion zum Bau des Gießwerkzeuges zu gelangen. Die Produktion des Gießwerkzeuges erfolgt unmittelbar auf Basis der digitalen 3D-Daten. Es können dadurch schnell seriennahe Tests durchgeführt werden und Prototypen können anhand der Ergebnisse optimiert werden. Dieser iterative Prozess ist bei linearen Produktentwicklungsmodellen nicht vorgesehen. Doch auch im traditionellen Produktentwicklungsprozess entstehen aufgrund von Fehlentwicklungen und Komplikationen Iterationsschleifen, die zu erhöhten Entwicklungskosten führen.
Bei der additiven Fertigung werden alle Gießwerkzeuge auf der Grundlage virtueller Modelle erstellt. Dies ermöglicht zum Einen eine einfache Möglichkeit für virtuelle Belastungstests. Zum Anderen ist durch die direkte Produktion ein schnelles Herstellen von Gießwerkzeugen beispielsweise zur Herstellung von Kolben-Prototypen mit identischen Materialeigenschaften möglich, wie sie der fertige Kolben aufweist. Der Vorteil dieses Konstruktionsprozesses ist die Möglichkeit, zu jedem Zeitpunkt die Funktion des Gießwerkzeugs bzw. des daraus entstehenden Kolbens virtuell oder real zu überprüfen. Veränderungen sind in der Kolbenentwicklungsphase einfach und, im Vergleich zu herkömmlich gefertigten Kolben, mit nur geringen Mehrkosten realisierbar.
Die additive Fertigung auf der Basis von DMLS ermöglicht bei Kolben-Einzelstücken und auch bei Kolben-Serienfertigung eine günstige Produktion. Die Komplexität eines Gießwerkzeugs bzw. eines daraus entstehenden Kolbens spielt für die Produktionszeit und -kosten kaum eine Rolle.
DMLS ermöglicht das direkte und konturnahe Integrieren von Temperierkanälen in Gießwerkzeuge und Gießwerkzeugeinsätze. Die optimierte Wärmeableitung ermöglicht kürzere Zykluszeiten sowie eine höhere Produktivität und Teilqualität in der Schwerkraft-Kokillenguss-Serienfertigung.
Temperier- beziehungsweise Kühlkanäle können im herkömmlichen Gießwerkzeugbau nur geradlinig gebohrt werden. Kritische Hotspots lassen sich daher häufig nicht mit Kühlmitteln erreichen und somit auch nicht entschärfen.
Mit DMLS ist es hingegen möglich, während der Fertigung optimierte Kühlkanäle direkt und konturnah in das Gießwerkzeug zu integrieren. Wärme wird dadurch viel schneller und gleichmäßiger abgeleitet. Dies reduziert die thermischen Spannungen im Gießwerkzeug und gewährleistet längere Werkzeugstandzeiten. Außerdem steigt die Güte und Maßhaltigkeit der produzierten Kolben. Darüber hinaus lassen sich die Zykluszeiten drastisch verkürzen.
Die additive Fertigung von DMLS arbeitet werkzeuglos. Sie ermöglicht eine individualisierte, losgrößenangepasste Produktion von Gießwerkzeugen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Produktionsverfahren kommt die additive Fertigung auf der Basis von DMLS ohne Werkzeuge oder Formen aus. Diese Technologie ist daher unabhängig von der Stückzahl. Gießwerkzeuge und damit die daraus entstehenden Kolben lassen sich digital individualisieren und in kleinen Stückzahlen oder sogar als Einzelanfertigung rentabel produzieren.
Die additive Fertigung auf der Basis von DMLS ermöglicht die Konstruktion und Herstellung von hochfesten Leichtbaustrukturen, an denen konventionelle Produktionsverfahren scheitern.
Gießwerkzeuge sollten nur so viele Ressourcen verbrauchen, wie für des Ausführen ihrer Funktion unbedingt erforderlich ist. Da der Rohstoffverbrauch und damit auch die Preise für die Ressourcen weltweit enorm zunehmen, rückt diese Forderung bei der Kolbenentwicklung und -fertigung immer stärker in den Fokus.
Die additive Fertigungstechnologie auf der Basis von DMLS kann beliebig feine und komplexe Leichtbaustrukturen aufbauen. Dadurch gewährt sie Entwicklern maximale geometrische Konstruktionsfreiheit. Bereits im Konstruktionsprozess lässt sich überflüssiges Material, das bei konventioneller Fertigung unvermeidbar ist, aus vielen Bereichen der Gießwerkzeuge entfernen. In der Produktion erfolgt dann nur dort ein Materialauftrag, wo es funktionell nötig ist. So entstehen extrem leichte und trotzdem hochfeste Gießwerkzeuge. Dadurch wird Spielraum in der Konstruktion und beim Design gewonnen.
Die additive Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Gießwerkzeug aufgebaut wird. Immer häufiger wird der Begriff „3D-Druck” als Synonym für die additive Fertigung verwendet. additive Fertigung beschreibt jedoch besser, dass es sich hier um ein professionelles Produktionsverfahren handelt, das sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden unterscheidet. Anstatt zum Beispiel ein Gießwerkzeug aus einem fasten Block herauszufräsen, baut die additive Fertigung das Gießwerkzeug Schicht für Schicht aus Werkstoffen auf, die als feines Pulver vorliegen. Als Materialien sind unterschiedliche Metalle und Verbundwerkstoffe verfügbar.
Die additive Fertigung auf der Basis von DMLS zeigt dort ihre Stärken, wo die konventionelle Fertigung an Grenzen stößt. Die DMLS-Technologie setzt an den Stellen an, wo Konstruktion und Fertigung neu durchdacht werden müssen, um Lösungen zu finden. Sie ermöglicht einen „design-driven manufacturing process”, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt, und nicht umgekehrt. Darüber hinaus gestattet die additive Fertigung höchst komplexe Gießwerkzeug-Strukturen, die gleichzeitig extrem leicht und stabil sein können. Sie gewährt ein hohes Maß an Designfreiheit, Funktionsoptimierung und -integration, das Herstellen kleiner Losgrößen zu angemessenen Stückkosten und eine starke Individualisierung von Kolben sogar in der Serienfertigung.
Mit Hilfe von DMLS werden Sinterböden zum Einsatz im Gießwerkzeug zur Herstellung von Kolben erzeugt. Diese Gießwerkzeuge weisen Mikrobohrungen zur Abführung von Luft während des Gießprozesses von Kolben für Brennkraftmaschinen auf.
Mit anderen Worten wird durch den Einsatz von DMLS die technische Herstellbarkeit von Hohlräumen für das Durchfluten von Kühlmedien bzw. Abführung der Luft in der Gießform bzw. dem Gießwerkzeug (Kokille) während der Formfüllung ermöglicht. Bei der Luftabführung sollte der Durchmesser der Bohrungen von 0,2 mm nicht überschritten werden, damit die Öffnungen im Metall nicht zugesetzt werden. Mit DMLS werden an Form und Größe der Hohlräume (Herstellbarkeit) keine technischen Grenzen gesetzt.
Für die Luftabführungen der Gießwerkzeuge bzw. der Gießformen (Bodenformen) wurden bisher Sintermetallronden als Ausgangsmaterial eingesetzt und mit Hilfe von Elektroerosion wurden die Konturen bearbeitet.
Elektroerosion ist Materialabtrag durch elektrischen Strom. Elektroerosive Verfahren (kurz: Erodieren) werden zur hochpräzisen Materialbearbeitung genutzt. Die zu bearbeitende, elektrisch leitende Sintermetallronde wird in einer nicht leitenden Flüssigkeit (Dielektrikum, meist deionisiertes Wasser oder auch Öl) bearbeitet. Dazu wird ein ebenfalls elektrisch leitendes Werkzeug in die Nähe der Sintermetallronde gebracht, welches gegenüber der Sintermetallronde eine negative elektrische Spannung (typ. 40...150 V) hat. Dadurch kommt es zu zahlreichen kleinen Entladungen zwischen Werkzeug und der Sintermetallronde. Dies führt zu immer wiederkehrenden Funken, die vorrangig von der Sintermetallronde Material abtragen. Auch das Werkzeug wird jedoch erodiert, es muss daher erneuert werden.
Bekannt ist das Funkenerodieren (kurz EDM von engl. electrical discharge machining), ein thermisches, abtragendes Fertigungsverfahren für leitfähige Materialien, das auf elektrischen Entladevorgängen (Funken) zwischen einer Elektrode (Werkzeug) und einem leitenden Werkstück, beispielsweise der Sintermetallronde, beruht. Die Bearbeitung findet in einem nichtleitenden Medium statt, dem sogenannten Dielektrikum. Das Elektrodenwerkzeug wird dabei auf einen so schmalen Spalt (< 0,5 mm) an die Sintermetallronde herangeführt, bis ein Funken überschlägt, welcher das Material punktförmig aufschmilzt und verdampft. Je nach Intensität, Frequenz, Dauer, Länge und Polung der Entladungen entstehen die unterschiedlichen Abtragsergebnisse.
Unterschieden wird zwischen dem funkenerosiven Bohren (Bohrerodieren), dem funkenerosiven Schneiden (Drahterodieren), bei dem ein Draht die Elektrode bildet und dem funkenerosiven Senken (Senkerodieren), bei dem die Elektrode als negative Form mit Hilfe einer Funkenerodiermaschine in das Werkstück gedrückt wird. Selbst komplizierte geometrische Formen sind herzustellen. Das EDM-Verfahren ist jedoch sehr zeitaufwendig und daher kostenintensiv.
Die Kühlkanäle konnten auf Grund der Herstellbarkeit in der Gießform (Boden, Pinole, Kokille, Kern) nur annähernd in die gewünschte Kühlposition angebracht werden und wird außerdem durch die nicht anders herstellbaren Querschnitte und Profile der Kühlgeometrien negativ beeinflusst.
Um die Luft aus dem Gießwerkzeug während des Gießvorganges zu entfernen, musste außerdem eine Absaugung angebracht werden, Das hatte oftmals zur Folge, dass verschiedene Unterdrücke (durch Ziehen von Falschluft) in der Gießform herrschten und damit auch eine Varianz in der Gussqualität vorlag. Der hohe Lärmpegel schadet dabei den Mitarbeitern. Durch Materialinhomogenität der Sinterronden waren niedrige und stark schwankende Werkzeugstandzeiten (3–15.000 Zyklen) vorhanden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, aus denen sich weitere Vorteile ergeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren gezeigt und nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Kolbenoberteils,
2 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Kolbenoberteils,
3 zeigt eine Schnittansicht eines von 1 und 2 abweichenden weiteren Kolbenoberteils,
4A u. 4B zeigen zwei Schnittansichten eines von den 1 bis 3 abweichenden Kolbenoberteils und
5 zeigt schematisch einen Probenkörper.
1 zeigt ein Kolbenoberteil 1, welches in einem durch DMLS hergestellten Gießwerkzeug im Schwerkraft-Kokillenguss gefertigt wurde.
2 zeigt ein weiteres Kolbenoberteil 20, welches in einem durch DMLS hergestellten Gießwerkzeug im Schwerkraft-Kokillenguss gefertigt wurde.
3 zeigt ein weiteres Kolbenoberteil 40, welches in einem durch DMLS hergestellten Gießwerkzeug im Schwerkraft-Kokillenguss gefertigt wurde.
Die 4A und 4B zeigen zwei Ansichten einer weiteren Ausgestaltung eines Kolbenoberteils 60. Im Bereich 61 ist der Kontaktbereich zu einem hier nicht dargestellten Sinterboden eines ebenfalls nicht dargestellten Gießwerkzeuges ersichtlich. Mit Hilfe von DMLS wurden Sinterböden zum Einsatz im Gießwerkzeug zur Herstellung von Kolben erzeugt. Diese Sinterböden kamen bei der Herstellung des Kolbenoberteils 60 durch Schwerkraft-Kokillenguss zum Einsatz. Bei der Herstellung der Sinterböden wurden Mikrobohrungen über DMLS bei 0% Porosität oder einer von Dichte 7,8 g/cm³ ausgeführt. Es wurden 18.000 Mikrobohrungen mit einem Durchmesser D von 0,2 mm eingesetzt. Hierdurch wurde ein dreifaches Absaugvermögen im Vergleich zu bisher durch Elektroerosion erzeugten und eingesetzten Böden erzielt. Außerdem wurde ein Leichtbaukonzept mit gleichmäßiger Wanddicke umgesetzt.
Die 5 zeigt einen Probekörper 100 zur Untersuchung von durch DMLS erzeugten Mikrobohrungen 101, 102. Der Probekörper 100 weist die äußeren Abmessungen 10 × 10 × 10 mm (Länge × Breite × Höhe) auf und bildet somit einen Würfel. Die Mitte des Probekörpers 100 ist mit M gekennzeichnet. Der Probekörper 100 verfügt über eine abgestufte Testbohrung, bei der ein Durchmesser D2 fix bei 0,50 mm während der Testreihe gehalten wird. Der andere Durchmesser D2 wird gemäß der nachfolgenden Tabelle zwischen 0,1 und 0,23 mm variiert. Weiterhin wird die Tiefe T der Mikrobohrung mit dem Durchmesser D1 in der Testreihe zwischen 1 und 5 mm variiert. Hieraus ergibt sich eine in der nachfolgenden Tabelle aufgeführte Abstufung 103. Die Mikrobohrungen 101, 102 über DMLS wurden bei 0% Porosität durchgeführt. Wenn dies nicht realisierbar war, wurde der Belichtungsparameter als Variation der Porosität ausgeführt. Beim Wasserstrahltest wurde visuell beurteilt, wie der Wasserstrahl die jeweils geschaffene Mikrobohrung 101 durchtritt bzw. verlässt. Mit „ok” wurde beurteilt, wenn der Wasserstrahl bei dem Durchtritt durch die jeweilige Mikrobohrung 101 nicht vernebelt wurde, sondern als einheitlicher Strahl austrat. Die Ergebnisse des Wasserstrahltest sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Als besonders positiv hat sich ein Durchmesser D1 von 0,20 mm bei einer Tiefe T (Abstufung 103) von 5 mm erwiesen. Dieses Wertepaar ist in der Tabelle der Probe Nr. 15 zugeordnet. Tabelle zur DMLS-Mikrobohrungs-Testreihe
Bezugszeichenliste

1: Kolbenoberteil
20: Kolbenoberteil
40: Kolbenoberteil
60: Kolbenoberteil
61: Bereich
100: Probekörper
101: Mikrobohrung
102: Mikrobohrung
103: Abstufung
D1: Durchmesser
D2: Durchmesser
T: Tiefe
M: Mitte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014211350 A1 [0003]

Claims

Verwendung von direktem Metall-Laser-Sintern (DMLS) zur Herstellung eines Gießwerkzeuges, insbesondere einer Kokille, zur Verhinderung von Lufteinschlüssen in im Schwerkraft-Kokillenguss hergestellten Kolben für Brennkraftmaschinen, wobei mindestens ein Bereich des Gießwerkzeuges mehrere kleine Öffnungen, insbesondere Mikrobohrungen, zur Luftabführung aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Gießwerkzeuges, insbesondere einer Kokille, für den Schwerkraft-Kokillenguss zur Fertigung von Kolben für Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug durch direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) erzeugt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug schichtweise durch Einwirkung eines Lasers auf Metallpulver erzeugt wird.
Verfahren nach den Patentansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug einen Sinterboden aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterboden Mikrobohrungen aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrobohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 0,50 mm, bevorzugt von weniger als 0,3 mm, insbesondere zwischen 0,1–0,25 mm, erzeugt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrobohrung diesen Durchmesser über eine Tiefe zwischen 1 und 10 mm, insbesondere in einer Tiefe zwischen 4 und 6 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) erzeugte Gießwerkzeug einer Wärmebehandlung zur Erhöhung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften des Gießwerkzeuges unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug seiner Formtopographie angepasste Temperierkanäle aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierkanäle zur Vermeidung von Fließstörungen Feinfilter an ihren Temperierzugängen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießwerkzeug in Hybridbauweise mit einem Sockel ausgeführt ist.
Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel als Basis zum Aufbau einer Kolben-spezifischen Gießform durch direktes Metall-Laser-Sintern dient.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionselemente für den Gießvorgang, insbesondere Kühl-, Auswerfer-, Gewindebohrungen, vor dem Laserschmelzvorgang in den Sockelbereich eingebracht werden.