Neue Perspektiven zum Rapid Manufacturing von Aluminiumbauteilen für die Serienproduktion

Aluminium Legierungen werden in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt wie beispielsweise in der Automobilindustrie, im Maschinenbau oder in der Flugzeugindustrie. Für einige Anwendungen ist die generative Fertigung eine wirtschaftliche Alternative zur formgebundenen Fertigung wie beispielsweise dem Druckguss.

Bei serienidentischen Funktionsprototypen, Einzelteilen und Kleinserien erlaubt das Selective Laser Melting (SLM) Verfahren eine wesentlich schnellere Reaktionszeit auf den Kundenbedarf als bei konventionellen Verfahren. Am Beispiel eines Ventils aus AlSi10Mg hat das Fraunhofer ILT in enger Kooperation mit dem Industriepartner Festo AG&Co KG nachgewiesen, dass eine Reduktion des Herstellungs-prozesses für 6 serienidentische Funktionsprototypen von 120 Arbeitstagen bei Druckguss und 30 Arbeitstagen bei konventionellem Prototyping über Fräsen, Erodieren und Drehen auf 7 Arbeitstage mit dem SLM Verfahren realisier-bar ist. Dabei entsprechen die mechanischen Eigenschaf-ten denen der konventionell gefertigten Bauteile. Bei einzelnen Eigenschaften übertreffen sie diese sogar. Ein entscheidendes Kriterium für den Einsatz in der Industrie!

Das generative Fertigungsverfahren Selective Laser Melting (SLM) hat sich zur direkten Herstellung von metallischen Funktionsbauteilen bereits in einigen Branchen der Industrie bewährt. Auf der Grundlage von 3D-CAD Daten werden mit einem Laserstrahl dünne Metallpulverschichten selektiv aufgeschmolzen. Das Verfahren dient beispielsweise in der Dentalindustrie zur Herstellung von Zahnersatz und im Werkzeugbau zur Produktion von Kleinserienteilen oder Funktionsprototypen. Für die Verarbeitung von Titan- und Stahlwerkstoffen liegen bereits umfangreiche Kenntnisse der SLM-Prozessführung und der resultierenden mechanischen Eigenschaften vor. Die Qualifizierung des SLM Verfahren für Aluminiumdruckgusslegierungen wie AlSi10Mg wird vom Fraunhofer ILT u.a. über das BMBF geförderte Verbundprojekt „Alugenerativ“ vorangetrieben.

Primäres Ziel bei der Qualifizierung eines Werkstoffs für das SLM ist eine Bauteildichte von ca. 100 Prozent ohne Risse oder Bindefehler. Dazu werden die notwendigen Verfahrensparameter Scangeschwindigkeit und Laserleistung ermittelt. Auch eine optionale Vorwärmung der zu erstellenden Bauteile zur Reduktion der Eigenspannungen und damit zur Minimierung möglicher Rissbildungen wird untersucht. Die in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern gewonnenen Ergebnisse sind vielversprechend. Bereits ab einer Laserleistung von 150 W und einer Scangeschwindigkeit von 100 mm/s werden bei AlSi10Mg Bauteildichten von rund 100% erreicht. Bei einer Laserleistung von 250 W lässt sich die Scangeschwindigkeit auf 500 mm/s erhöhen, was einer wesentlich kürzeren Fertigungszeit entspricht. Dabei können in einer Anlage mehrere Bauteile gleichzeitig Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Ergebnisse aus Zug und Schwingversuchen zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften die Festigkeitswerte der Serienbauteile aus DG-AlSi10Mg laut EN 1706 erreichen und teilweise sogar übertreffen.

Mit dem Industriepartner Festo AG&Co KG wurden serienidentische Funktionsprototypen erfolgreich hergestellt (siehe Bild). Das bereits am Markt eingeführte Pneumatik-Ventil wird als Referenzbauteil herangezogen. Für das gleichzeitige Generieren von 2 Ventilen wurden nur 11,5 Stunden benötigt.