SLM-Anlage für komplexe Spritzgießwerkzeuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Advanced Hydraulic Components „HyCo“ (LuFo IV Projekt): Das wesentliche Ziel des Projektvorhabens bestand in der Erforschung des Selektiven Laserschmelzens (SLM) zur Herstellung hochbelasteter hydraulischer Systemkomponenten für Luftfahrtanwendungen. Dazu wurden die prozessspezifischen Möglichkeiten und Restriktionen in Konstruktionsrichtlinien überführt. Darauf aufbauend erfolgte in einem iterativen Prozess die Entwicklung und Auslegung des Zieldesigns eines hydraulischen Leichtbauventilblocks. Durch umfangreiche Charakterisierungen additiv gefertigter Prüfkörper ließen sich sowohl die mechanischen Eigenschaften, als auch geeignete SLM- Prozessparameter sowie Nachbehandlungsmethoden ableiten. Statische und dynamische Druckprüfungen an den Leichtbaukomponenten bestätigten, dass generativ gefertigte Ventilblöcke für Systemdrücke bis 350 bar geeignet sind. Die erzielte Massereduktion von über 50% kann dabei in einer Serienfertigung nahezu kostenneutral erfolgen. Effizienzsteigerung des Selektiven Laserschmelzens (ZIM-KF Projekt): Das Kooperationsprojekt beinhaltet die Weiterentwicklung des Selektiven Laserschmelzens hin zu einer Technologie, mit welcher sich hochbelastbare Strukturbauteile wirtschaftlich in Kleinserien herstellen lassen. Dies kann insbesondere durch Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit erfolgen, ohne dabei die Prozessstabilität negativ zu beeinflussen. Als limitierendes Subsystem wurde dabei die Beschichtungseinheit identifiziert, welche für jede zu erzeugende Bauteilschicht Pulvermaterial appliziert. Durch signifikante Massereduktion sowie Integration von textilbasierter Sensorik sowie Piezoaktorik soll bei gleichbleibender Applizierungsgüte die erforderliche Dynamiksteigerung erzielt werden. Darüber hinaus sind für die Herstellung von komplex geformten Komponenten Fertigungsstützstrukturen (Supports) erforderlich, welche nach dem generativen Prozess vom Bauteil gelöst werden müssen. Die Erforschung neuartiger Strategien zu deren Vermeidung und effizienten Entfernung soll ebenfalls zur Wirtschaftlichkeitssteigerung der gesamten Prozesskette beitragen. Komplementär dazu erfolgt die Entwicklung konturangepasster Belichtungsparameter für den SLM-Prozess, wodurch sich die Oberflächengüte der additiv gefertigten Bauteile erhöhen soll. Spitzentechnologiecluster „Energieeffiziente Produkt- und Prozessinnovationen in der Produktionstechnik“ (Sächsische Landesexzellenzinitiative): Im Handlungsfeld Produktionssysteme werden u.a. Leichtbaukonzepte für rotierende und schnell reversierende Maschinenkomponenten erforscht. Als ein Demonstratorbauteil mit breitem Anwendungsspektrum wurde ein Kugelgewindetrieb gewählt und in eine Leichtbaulösung überführt. Aufgrund der hohen Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen können hier nur Hochleistungswerkstoffe zu einer signifikanten Massereduktion beitragen. Das entwickelte Strukturkonzept bedient sich daher ultrahochmoduliger Kohlenstoffasern zur Realisierung der Komponentensteifigkeit sowie thermisch gespritzter Metallschichtsysteme für die erforderlichen Kugelbahnen. Die Einleitung des Antriebmoments erfolgt mittels komplex geformter, additiv gefertigter Metallstrukturen, welche einen kerbspannungsarmen Übergang zwischen den einzelnen Materialien gewährleisten. Die entwickelte Komponente besitzt bei einer Massereduktion von nahezu 50% vergleichbare mechanische Eigenschaften wie konventionelle Gewindetriebe. Entwicklung eines Systems zum angusslosen Mikrospritzgießen von komplexen Mikroteilen - Mikrodüse (ZIM-KF Projekt): Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines Systems zum angusslosen Mikrospritzgießen komplex geformter technischer Bauteile. Dieses System besteht aus einem Mikrospritzgießwerkzeug und einem Schmelzeführungssystem mit Verschlussfunktion, das die Kunststoffschmelze von der Einspritzeinheit der Mikrospritzgießmaschine bis zur Kavität des Werkzeuges führt. Aufgrund des großen Temperaturunterschiedes zwischen Plastifizierungseinheit (220°C-300°C) und dem Mikrospritzgießwerkzeug (20°C-100°C) ist es zwingend notwendig thermische Trennelemente zu entwickeln, die ein erstarren des Kunststoffes im Schmelzeführungssystem verhindern und gleichzeitig die Entstehung von Hotspots in der Formteilkavität soweit wie möglich reduzieren. Die konstruktive Gestaltung des Schmelzeführungssystems stützt sich dabei auf die weitreichenden Möglichkeiten der additiven Fertigung, welche eine defnierte konturnahe Temperierung des Schmelzekanals zulässt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Novel Hydraulic Lightweight Manifolds in Aviation. International Conference on Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components. Toulouse: Institut National des Sciences Appliquées: 2010, S. 56-59
Kausch, M.; Meyer, M.; Kroll, L.; Baumbach, V.
- Generative Fertigungstechnologie für Leichtbau-Ventilblöcke. In: Wielage, B.: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. 18. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Chemnitz: 2011. S. 271 - 276. ISBN 978-3-00-033801-4
Kausch, M.; Schubert, F.; Hummel, G.; Meyer, M.; Scheffer, S.; Kroll, L.; Rapp, P.; Baumbach, V.
- Entwicklung hochbelasteter Leichtbaustrukturen aus lasergenerierten metallischen Komponenten mit Faserverbundverstärkung. Dissertation, TU Chemnitz, 2012. Verlag Wissenschaftliches Scripten. ISBN: 978-3-942267-77-9
Kausch, M.
- Development of a Lightweight Hydraulic Valve Manifold by Selective Laser Melting Technology. Society of Manufacturing Engineers – RAPID 2013, Pittsburgh (USA): 2013
Hummel, G.; Schubert, F.; Kroll, L.; Kausch, M.; Baumbach, V.; Altmann, A.
