High-Tech-Gussform durch DMT 3D-Druck Technologie

Zylinderköpfe der meisten PKW-Motoren werden in der Regel aus Aluminiumlegierungen gegossen. Dabei wird die Gussform immer wieder mit einer über 600°C heißen Metallschmelze befüllt.

Ob Kokillenguss, Kernpaketguss, Niederdruck- oder Druckguss, alle Gussformen werden enormer Beanspruchung ausgesetzt. Die Strömung des flüssigen Aluminiums über die Gussform-Oberfläche führt zu Verschleiß, der häufige Temperaturwechsel sorgt für Materialermüdung und Risse. Korrosion und Oxidation verkürzen nicht nur die Standzeit der Gussform sondern sorgen für schlechte Oberflächengüte der Gussstücke und erhöhten Ausschuss.

Als Werkstoff für Aluminium-Gussform werden Vergütungs- oder Warmarbeitsstähle eingesetzt. Werkstoffe wie DIN 1.2343 erwiesen sich aufgrund ihrer mechanischen, thermisch-chemischen Eigenschaft als gut geeignet. Dennoch hat der Werkstoff erhebliche Schwäche in Bezug u. a. auf Oxidation, Thermoausdehnung und Wärmeleitfähigkeit. Stahl oxidiert bereits bei Zimmertemperatur, er dehnt sich unter Hitze recht schnell aus und ist gegen Temperaturwechsel nur bedingt beständig. Es bilden sich Brandrisse. Besonders nachteilig für die Wärmespannung im Gussstück wirkt sich die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs, die mit 30 W/mK nicht einmal ein Zehntel des beispielsweise reinen Kupfers beträgt, aus.

In dem von einem weltweit tätigen Automobilhersteller in Auftrag gegebenen Projekt ging es um Produktivitätssteigerung in der Zylinderkopfherstellung. Nicht nur die Standzeit der Gussformen sollte gesteigert werden sondern die Oberflächengüte des Gussstücks im Langzeitbetrieb verbessert und Ausschussrate reduziert werden.

Der südkoreanische 3D Metalldrucker Hersteller InssTek suchte gezielt nach einer Möglichkeit, mit seiner flexibel einsetzbaren DMT Technologie die Stärken verschiedener Metalle zu kombinieren. Nach umfangreicher Suche hat man sich für die Nickel-Molybdän-Legierung, auch unter dem Markennamen Hastelloy bekannt, entschieden. Sie hat hervorragende Thermoausdehnungseigenschaft, ist korrosionsfest und oxidiert erst bei sehr hoher Temperatur. Die relativ niedrige mechanisch-physikalischen Kennwerte wie Kerbschlagzähigkeit oder Zugfestigkeit gegenüber Stahl spielt eine vernachlässigbare Rolle, da bei Aluminiumguss die mechanische Beanspruchung eher als gering einzustufen ist.

Es wurde eigens eine Gussform aus Vergütungsstahl hergestellt. Diese 570 x 380 x 126mm große Form für einen kraftstoffsparenden Motor wurde dann anhand eines durch Simulationsprogramme errechneten Thermomodells entsprechend bearbeitet und im 1000 x 800 x 650mm Bauraum messenden, 5-achsig bedienbaren InssTek 3D Drucker MX-1000 mit Nickel-Molybdän-Legierung bedruckt. Die Druckschichtdicke variierte zwischen 2 bis 30mm und wurde so angebracht, dass an Stellen mit intensivem Wärmeleitbedarf stärkere Schicht aufgetragen war. Nach abschließender Schlichtbearbeitung wurde die Form ohne zusätzliche Oberflächenbehandlung in Serienproduktion eingesetzt.

Das Ergebnis ist eine beeindruckende Produktivitätssteigerung. Nickel-Molybdän-Legierung hat vielfach höhere Wärmeabfuhr als Stahl und kühlt genau an den benötigten Stellen das Gussteil schneller ab. Poren und unnötige Wärmespannung im Zylinderkopfguss lassen sich vermeiden. Es bilden sich keine Brandrisse, was zur besseren Oberfläche führt. Es bleiben so gut wie keine Aluminiumreste auf der Gussform kleben und sorgen in Kombination mit der schnelleren Wärmeabfuhr für viel kürzere Taktzeit.

Eine Bewertung der Standzeitsteigerung der Gussform konnte noch nicht abgeschlossen werden, da die Form, die erstmalig 2014 in Dauerbetrieb eingesetzt wurde, noch immer produziert. Ein Nachlassen der Gussqualität ist nicht in Sicht. Aufgrund des hervorragenden Ergebnisses hat man inzwischen die Methode auf zwei weitere, größere Motorenmodelle ausgedehnt.

Das Potential der 3D Metalldruck-Technologie für Gießereiindustrie ist immens. Sie hilft die bereits hochentwickelte Technologie noch effizienter und vielfältiger zu gestalten. InssTek hat in den letzten Jahren mehr als 1000 Gussformen, die in verschiedensten Bereichen der Serienfertigung ihren Einsatz finden, hergestellt, modifiziert und repariert.