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07.02.2017

Kompetenz beim Gießen und 3D-Laserschmelzen

Wolfensberger bündelt verschiedene Technologien

Zu den wesentlichen Vorteilen des Gießens zählt der hohe Freiheitsgrad, der dem Konstrukteur bei der Gestaltung der Geometrie ermöglicht wird. Mit dem 3D-Laserschmelzens ergeben sich heute zusätzliche gestalterische Möglichkeiten wie zum Beispiel freigeformte Strömungskanäle für Temperiermedien. Durch Bündelung dieser verschiedenen Technologien stehen dem Anwender zusätzliche Möglichkeiten offen. Für ihre optimale Nutzung ist die umfassende Werkstoffkompetenz des Gießers von entscheidender Bedeutung.

Urs Tanner © Wolfensberger

„Wir sind Spezialisten für besonders anspruchsvolle Gussteile aus Eisen, Stahl und Sonderwerkstoffen und deren Bearbeitung“, sagt Urs Tanner, Leiter Zerspanungstechnik der Wolfensberger AG in Bauma (Schweiz). Das familiengeführte mittelständische Gießereiunternehmen vergießt eine sehr breite Werkstoffpalette, die von legierten Gusseisenwerkstoffen über Kohlenstoffstähle und Edelstähle bis zu Sonderwerkstoffen wie Nickelbasislegierungen reicht. Auch bezüglich der eingesetzten Gießverfahren nimmt man eine Sonderstellung ein und setzt neben dem klassischen Sandgießen auch auf das Präzisionsgießverfahren Exacast. Hiermit lassen sich in wichtigen Gussteilbereichen Genauigkeiten erzielen wie sonst nur mit Feingießverfahren, dies jedoch bei wesentlich größeren Abmessungen und Gewichten.

Darüber hinaus agiert das Unternehmen als Entwicklungspartner seiner Kunden und übernimmt auch alle sonst erforderlichen Aufgaben von der Bearbeitung über die Montage bis hin zur einbaufertigen Anlieferung in die Montageabteilungen des Kunden.

3D-Laserschmelzen erweitert die Verfahrenspalette

Michael Sieger © Wolfensberger

„Mit dem Aufkommen neuer Verfahren wie dem 3D-Laserschmelzen haben wir unsere Verfahrensbandbreite schon vor Jahren um diese hoch interessante Technologie erweitert“, ergänzt Michael Sieger, Leiter Qualitätssicherung/ Labor/ Schweißaufsicht bei Wolfensberger. Hier könne man das vorhandene Know-how im Bereich Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren z.B. durch das Verschweißen kleinerer Komponenten zu größeren Bauteilen bzw. Baugruppen hervorragend einsetzen. Im Ergebnis verfüge man damit über zusätzliche Freiheitsgrade, um dem Kunden das jeweils für seinen Bedarf geeignetste Verfahren anzubieten. Darüber hinaus könne man auch verschiedene Verfahren kombinieren, z.B. durch schweißtechnisches Fügen von gegossenen Teilen mit solchen, die mittels 3D-Laserschmelzen hergestellt wurden.

  • Eine der aktuell drei Anlagen des Typs Eosint M 270 © Klaus Vollrath

    Eine der aktuell drei Anlagen des Typs Eosint M 270 © Klaus Vollrath

  • Mit Hilfe des 3D-Laserschmelzens lassen sich filigrane Bauteile mit geringer Oberflächenrauheit erzeugen. © Klaus Vollrath

    Mit Hilfe des 3D-Laserschmelzens lassen sich filigrane Bauteile mit geringer Oberflächenrauheit erzeugen. © Klaus Vollrath

  • Per 3D-Laserschmelzen wurden bei diesem großvolumigen Bauteil sechs Segmente für die Nachbildung eines eingescannten Düsenrings erzeugt und anschließend zusammengeschweißt. Mit diesem Bauteil wurden Simulationen bezüglich Wirkungsgrad der Komponente durchgeführt. © Wolfensberger

    Per 3D-Laserschmelzen wurden bei diesem großvolumigen Bauteil sechs Segmente für die Nachbildung eines eingescannten Düsenrings erzeugt und anschließend zusammengeschweißt. Mit diesem Bauteil wurden Simulationen bezüglich Wirkungsgrad der Komponente durchgeführt. © Wolfensberger

  • Serienfertigung von Bauteilen, deren Basis mit der Stahl-Grundplatte verschweißt ist. Die untere Kontur wird beim Freischneiden durch Drahterodieren erzeugt. So entstehen in einem Durchlauf 144 Einzelteile. © Klaus Vollrath

    Serienfertigung von Bauteilen, deren Basis mit der Stahl-Grundplatte verschweißt ist. Die untere Kontur wird beim Freischneiden durch Drahterodieren erzeugt. So entstehen in einem Durchlauf 144 Einzelteile. © Klaus Vollrath

  • Diese Formeinsätze aus Werkzeugstahl werden unmittelbar auf einer bearbeiteten Grundplatte aufgebaut, in der bereits Befestigungsgewinde und Medienzuführungen angelegt sind. © Klaus Vollrath

    Diese Formeinsätze aus Werkzeugstahl werden unmittelbar auf einer bearbeiteten Grundplatte aufgebaut, in der bereits Befestigungsgewinde und Medienzuführungen angelegt sind. © Klaus Vollrath

  • Durch computergesteuertes Verschmelzen von Metallpulverschichten mit dem Laser können sehr aufwendige Geometrien z.B. mit konturnahen Temperierkanälen hergestellt werden. © Klaus Vollrath

  • An der Bauteiloberfläche ist die Aufbaustrategie durch kreuzweises Übereinanderlegen von Schichten aus Schweißraupen deutlich zu erkennen. © Institut für Werkstofftechnologie Wallisellen, N. Rizvic

    An der Bauteiloberfläche ist die Aufbaustrategie durch kreuzweises Übereinanderlegen von Schichten aus Schweißraupen deutlich zu erkennen. © Institut für Werkstofftechnologie Wallisellen, N. Rizvic

  • Die metallografische Untersuchung durch ein externes Labor dokumentierte den hohen Reinheitsgrad von 99,94 %. © Institut für Werkstofftechnologie Wallisellen, N. Rizvic

    Die metallografische Untersuchung durch ein externes Labor dokumentierte den hohen Reinheitsgrad von 99,94 %. © Institut für Werkstofftechnologie Wallisellen, N. Rizvic

  • Mit dem Präzisionsgießverfahren Exacast erzielt Wolfensberger Genauigkeiten wie sonst nur mit Feingießverfahren, jedoch bei wesentlich größeren Abmessungen. © Klaus Vollrath

    Mit dem Präzisionsgießverfahren Exacast erzielt Wolfensberger Genauigkeiten wie sonst nur mit Feingießverfahren, jedoch bei wesentlich größeren Abmessungen. © Klaus Vollrath

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Eigene Prüflabors bestätigen die Qualität der 3D-gedruckten Teile

Beim 3D-Laserschmelzen entstehen die Bauteile aus dünnen Pulverschichten, die mithilfe eines Laserstrahls computergesteuert aufgeschmolzen und dadurch übereinander geschweißt werden. Analysen, die Wolfensberger in den eigenen Prüflabors durchführte, zeigten, dass die hierbei entstehende Schichtstruktur im Vergleich zu einem mit Hilfe anderer Technologien gefertigten Bauteil eine Dichte von 99,94 % bzw. eine Restporosität von lediglich 0,06 % aufweist. Das Gefüge ist daher gegenüber druckbeaufschlagten Medien wie Gasen oder Hydraulikflüssigkeiten faktisch dicht. Zu beachten ist lediglich eine gewisse Anisotropie. Das bedeutet, dass Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Bruchdehnung oder Kerbschlagzähigkeit teilweise davon abhängen, wie das Bauteil bei seiner Entstehung relativ zur Baurichtung orientiert war.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang außerdem auch, wieweit sich eine eventuelle Wärmebehandlung auf diese Eigenschaften auswirkt. Dank des eigenen Prüflabors kann Wolfensberger solche Zusammenhänge untersuchen und so die Bauteileigenschaften optimal an die Anforderungen des Kunden anpassen. Zunächst ist festzustellen, dass die 3D-Laserproben durchweg gute, über den Erwartungen liegende Werte sowohl bezüglich ihrer Festigkeitswerte als auch mit Blick auf ihre Kerbschlagzähigkeit aufweisen. Durch geschickte Anordnung der Proben im Bauraum ist es zusätzlich möglich, z.B. zusätzliche Festigkeitsreserven von bis zu 15 % zu nutzen. Da sich Festigkeits- und Dehnungswerte gegenläufig verhalten, kann man umgekehrt auch höhere Zähigkeitsreserven anstreben. Hervorzuheben ist, dass die festgestellten Standardabweichungen sehr gering sind, was eine gute Beherrschung des Bauprozesses unterstreicht.

Vorteile liegen vor allem in höheren Freiheitsgraden

„Der Vorteil des 3D-Laserschmelzens sind die im Vergleich zum Gießen nochmals erheblich erweiterten Freiheitsgrade für den Konstrukteur“, verrät Michael Sieger. Das Metallpulver, das von einem Schlitten nach und nach in dünnen Schichten auf dem Boden des Bauraums aufgetragen wird, bildet auch in den Bereichen, wo keine Verschmelzung durch den Laser erfolgt, ein dichtes „Bett“, welches auch zunächst isolierte, auf dem losen Pulver lediglich aufliegende Schmelzschichten stützt und an Ort und Stelle stabilisiert, bis sie in höher liegenden Bereichen wieder mit der restlichen Struktur zusammenwachsen. So lassen sich sogar ineinander liegende durchbrochene Kugeln unterschiedlichen Durchmessers darstellen, die untereinander gar keine mechanische Verbindung aufweisen. Von praktischer Bedeutung sind insbesondere innenliegende Hohlräume, schwer bearbeitbare Konturen mit strömungsoptimierter Geometrie oder komplex geformte Medienkanäle z.B. für Formeinsätze, die oberflächennah temperiert werden müssen. Einzige Beschränkung sind ausreichende Durchlässe, um das lose Pulver nach Abschluss des Bauprozesses aus dem Inneren des Hohlraums entfernen zu können. Mit speziellen Technologien ist es sogar möglich, die inneren Wände von mediendurchflossenen Bohrungen bzw. Kanälen zur Verringerung des Strömungswiderstandes glattzupolieren.

Alles aus einer Hand

„Bei einer solch anspruchsvollen Technologie wie dem 3D-Laserschmelzen erweist es sich als entscheidender Vorteil, dass wir sämtliche Prüfungen und Bearbeitungen im eigenen Hause durchführen können“, weiß Urs Tanner. Damit verfüge man im Vergleich zu vielen anderen Anbietern auf diesem Gebiet über entscheidende Vorteile. Zudem sei man in diese Technologie frühzeitig eingestiegen und könne deshalb im Bereich des Selective Laser Manufacturing (SLM) auf ein mittlerweile 15-jähriges Know-how zurückgreifen. Für die Wolfensberger-Kunden ergeben sich aus dieser Erfahrung sowie den zusätzlichen Kompetenzen entsprechende Vorteile.

Zurzeit stehen drei EOS-Anlagen mit einer Bauraumgröße von jeweils 250 x 250 x 310 mm zur Verfügung, eine vierte Anlage folgt in Kürze. Verarbeitet wird eine vergleichsweise breite Palette von legierten Stählen, Edelstählen, Werkzeugstählen sowie Sonderwerkstoffen wie Titan. Die Kunden kommen aus unterschiedlichsten Branchen wie dem Formen- und Werkzeugbau, dem Maschinenbau oder der Medizintechnik. Die Losgrößen reichen vom Einzelstück bis zu mittleren Serien. Nach dem Aufbau werden die Teile mit Hilfe von Verfahren wie dem Drahterodieren von der massiven Grundplatte getrennt und je nach Bedarf mit Hilfe spanabhebender Verfahren bzw. durch Wärmebehandlung oder Beschichtung weiter veredelt.

Unternehmensinformation

Wolfensberger AG

Bäretswilerstr. 45
CH 8494 BAUMA
Tel.: +41 52 3961111
Fax: +41 52 3961550

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