Grote, complexe spuitgietmatrijzen voor de automotive nu produceerbaar met AM

Fraunhofer ILT en MacLean-Fogg hebben een complexe spuitgietgereedschapsinleg vervaardigd met behulp van laser powderbed fusion (LPBF). Het L-40-gereedschapsstaal maakt voor het eerst de additieve productie van zwaarbelaste gereedschappen met een groot volume mogelijk, waardoor conforme koeling mogelijk wordt.

Kostendruk en de overgang naar elektromobiliteit dwingen veel autofabrikanten om hun voertuigarchitectuur en productieprocessen fundamenteel te herzien. Veel fabrikanten verminderen het aantal afzonderlijk geperste onderdelen en streven naar zo min mogelijk, maar zeer complexe, structurele componenten.

Dit verhoogt ook de eisen aan gereedschappen, met name voor grote aluminium componenten zoals frame- of transmissiecomponenten: ze moeten bestand zijn tegen hoge thermische belastingen, variaties toelaten en zich zo snel mogelijk aanpassen aan nieuwe geometrieën.

De matrijzen moeten niet alleen groter zijn dan voorheen, maar ook robuuster, en tegelijkertijd complexe geometrieën en kortere ontwikkelingstijden hebben. Dit is waar het project bij het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie (ILT), samen met L-40-poederfabrikant MacLean-Fogg en Toyota als eindgebruiker, om de hoek komt kijken.

Met een portaal-PBF-LB/M-machine met een schaalbaar bouwvolume en het door MacLean-Fogg ontwikkelde gereedschapsstaal voor additieve productie, konden voor het eerst zeer grote spuitgietmatrijzen met conforme koeling additief worden vervaardigd – geschikt voor componenten die in grote aantallen onder hoge druk worden gegoten (HPDC).

Restspanningen en kritische defecten

Met de toenemende toepassing van grootschalige gietprocessen nemen ook de eisen aan de gereedschappen die bij HPDC worden gebruikt toe. De matrijzen moeten een nauwkeurige, reproduceerbare componentkwaliteit in zeer grote volumes mogelijk maken en tegelijkertijd extreme mechanische en thermische belastingen weerstaan. Om een ​​voldoende lange levensduur van de gereedschapsinlegstukken te garanderen, zijn complexe, interne koelstructuren essentieel, die niet met conventionele productieprocessen kunnen worden gerealiseerd.

Twee belangrijke problemen hebben tot nu toe de additieve productie van dergelijke grootformaat spuitgietmatrijzen beperkt: ten eerste is het beschikbare bouwvolume van conventionele PBF-LB/M-machines te klein om matrijsinzetstukken in het bereik van 600 x 600 mm² of meer in één stuk te produceren. Ten tweede kunnen de tot nu toe gebruikte gereedschapsstaalsoorten – met name H11 (1.2343), H13 (1.2344) of M300 – niet betrouwbaar worden verwerkt in deze afmetingen (> 20.000 cm³). Zelfs met optimale parameters bestaat er een risico op scheurvorming, thermische vervorming en onvoldoende mechanische eigenschappen.

Dit geldt zowel tijdens lasergebaseerde constructie als tijdens de daaropvolgende warmtebehandeling. Het risico neemt toe naarmate de temperatuurgradiënten in het onderdeel tijdens het productieproces sterker zijn – een effect dat vooral bij werkstukken met een groot volume duidelijk merkbaar is.

Vrije-vorm koelstructuur

De nieuwe materiaal- en machinetechnologie maakt het voor het eerst mogelijk om gereedschappen met een groot volume te produceren met een vrije-vorm koelstructuur. Dit maakt niet alleen een gerichte verlaging van lokale temperatuurpieken tijdens het gietproces mogelijk, maar vergroot ook de variatiemogelijkheden en garandeert tegelijkertijd een lange levensduur. Dit maakt het mogelijk om verschillende componenten op één gereedschapsplatform te produceren zonder telkens nieuwe gereedschappen te hoeven produceren.

Schaalbare LPBF-productie voor scheurvrije grote componenten

Hiervoor werd de portaalgebaseerde 5-laser PBF-LB/M-machine, ontwikkeld bij Fraunhofer ILT, met een huidig ​​bouwvolume van 1.000 x 800 x 350 mm³, verder ontwikkeld. In tegenstelling tot conventionele systemen beschikt deze over een beweegbare bewerkingskop en een lokale beschermgastoevoer, waardoor het bouwvolume lineair langs de machineassen kan worden geschaald onder dezelfde procesomstandigheden (stroomsnelheid van het beschermgas, afbuigingshoek van de laserstraal, enz.). Dit maakt het mogelijk om potentieel nog grotere gereedschappen additief te produceren dan de in dit project overwogen gereedschapsinlay, met een volume van meer dan 20.000 cm³ en een bounding box van 515 x 485 x 206 mm³.

Om de temperatuurgradiënten die cruciaal zijn voor gereedschappen met een groot volume te minimaliseren, werd ook een verwarmbare substraatmodule ontwikkeld. Het bouwplatform bereikt nu een temperatuur van 200 °C, wat betekent dat elke nieuwe laag afkoelt tot een vooraf bepaald thermisch plateau in plaats van tot kamertemperatuur. Deze aanpak vermindert thermisch geïnduceerde spanningen en het risico op scheurvorming tijdens het bouwproces. De combinatie van een groot bouwvolume, hoge processtabiliteit en actieve voorverwarming maakt dit systeem een ​​van de eerste LPBF-systemen wereldwijd die geschikt is voor de kosteneffectieve productie van spuitgietmatrijzen voor gebruik in de nabije toekomst, zelfs voor mega- of gigagietwerk.

“De sleutel tot succes ligt in het L-40-materiaal van MacLean-Fogg, dat is afgestemd op de eisen van PBF-LB/M”, aldus Prätzsch. Dit staal kenmerkt zich door een aanzienlijk verminderde scheurneiging in vergelijking met conventionele gereedschapsstaalsoorten – zowel tijdens de productie als tijdens de warmtebehandeling. Zelfs in de as-built toestand bereikt L-40 een hoge maatnauwkeurigheid en uitstekende eigenschappen wat betreft hardheid (48 HRC), treksterkte (1420 MPa) en kerfslagvastheid (> 60 J). Uitgebreide tests hebben zowel de parameteroverdracht naar het nieuwe machineconcept als de prestaties ervan in complexe geometrieën – zoals ronde of overhangende koelkanalen – succesvol gevalideerd.

Kortom, de combinatie van een schaalbare PBF-LB/M-machine en een speciaal ontwikkeld materiaal maakt voor het eerst de economische, reproduceerbare productie van grootformaat spuitgietmatrijzen met conforme koeling mogelijk. Eerste toepassingen tonen aan dat de standtijd van op deze manier vervaardigde gereedschappen aanzienlijk kan worden verlengd ten opzichte van conventionele matrijzen.

Hybride productie voor seriematig gereedschap

Als onderdeel van het project produceerden de partners een additief vervaardigd gereedschapsinzetstuk voor een transmissiehuis, dat al in gebruik is bij Toyota. Het spuitgietmatrijsinzetstuk bevat een complex netwerk van conforme koelkanalen, een duidelijk voordeel van additieve productie dat met conventionele bewerking niet mogelijk zou zijn. Voor het ontwerp van het additieve gereedschap koos het projectteam voor een hybride proces op een speciaal vervaardigde preform die al verticale koelkanalen had. De nauwkeurige positionering en betrouwbare verbinding van beide componenten stelden hoge eisen aan de machinekalibratie, precisie en procesbeheersing. Dergelijke hybride structuren bieden de mogelijkheid om de bouwtijd en -kosten verder te verlagen, omdat het duurdere PBF-LB/M-proces alleen wordt gebruikt in die componentgebieden die conventioneel niet kunnen worden gerealiseerd.

De onderzoekers ontwierpen de complexe koelstructuur zo dat kritieke delen van de matrijs effectief getemperd worden tijdens het spuitgieten. Dit vermindert de thermische spanning, wat resulteert in een aanzienlijk langere standtijd. In eerdere projecten behaalde een vergelijkbaar additief gereedschap een tot vier keer langere standtijd dan een conventioneel H13-gereedschap.

Nadat de HPDC-matrijs was gebouwd, volgde een industriestandaard warmtebehandeling met spanningsarm gloeien en harden, evenals conventioneel frezen van de functionele oppervlakken. De hoge maatnauwkeurigheid van het additieve basislichaam vereiste slechts een nauwkeurige afwerking zonder extra materiaalkosten.

De weg vrijmaken voor efficiënte en duurzame gietmallen in de auto-industrie

De productie van grootformaat gietmallen met behulp van additieve processen biedt een antwoord op verschillende belangrijke uitdagingen in de huidige autoproductie, met name in de context van de transformatie naar elektromobiliteit. Een belangrijk voordeel is de conforme koeling, die dankzij 3D-printen voor het eerst vrij kan worden ontworpen. De koelkanalen kunnen optimaal worden aangepast aan de thermisch zwaar belaste zones van de matrijs. Dit verlaagt lokale temperatuurpieken, vermindert thermomechanische slijtage en verlengt de levensduur van de matrijs aanzienlijk.

Tegelijkertijd biedt additieve productie de mogelijkheid om doorlooptijden drastisch te verkorten. In plaats van de complexe bewerking van meerdere matrijscomponenten en hun assemblage, is een geconsolideerd, end-to-end additief ontwerp voldoende. De spuitgietmatrijs voor Toyota werd in minder dan tien dagen geproduceerd, inclusief alle voorbereidende stappen. Voor OEM’s betekent dit kortere ontwikkelingscycli en snellere marktintroducties voor nieuwe voertuigplatforms.

De mogelijkheid om grote volumes matrijzen op een hybride manier te construeren, creëert extra flexibiliteit. Componenten met gedefinieerde interfaces kunnen efficiënt worden toegevoegd en functioneel geoptimaliseerd met behulp van additieve productie, zonder dat het hele onderdeel hoeft te worden gereviseerd. Dit verlaagt zowel het materiaalgebruik als de kosten per gereedschap.