Fachbeiträge Bild 1: CAD-Modell des Referenzteils. Bild 2: Vergleichsumformgrad am Fertigteil; Gesenk, von Mises Vergleichsspannung. duk tion herzustellen, ohne dass nen nens werte Einschränkungen in der Werk zeug stand zeit gegen über konventionell ge fer tig ten Werk zeu gen er kenn bar sind. Ten den ziell ist eine wachsende Ak zep tanz la ser strahl ge schmol zener For men und Ein sätze bei Spritz gieß werk zeu gen zu ver zeichnen. Besonders vorteilhaft sind die Mög lich keiten, konturnahe und konturkonforme Plat zie rungen von Kühl ka nä len nahezu beliebiger Komplexität zu er zeu gen. Innovativer Ansatz für Schmiedewerkzeuge Umformwerkzeuge der Massivumformung wur den bisher nur in geringem Maß auf die Einsatz mög lich keit generativ ge fer tig ter Werk zeuge untersucht. Die er folg rei che An wen dung im Spritzgießen und Leicht me tall-Druckgießen legt eine tiefere Be trach tung anderer An wen dungsbe rei che generativ gefertigter Werk zeu ge mit kom plexen 3D-Geo me trien nahe. Ge gen stand der hier vor ge stell ten Un ter su chung war es, die Anwend bar keit la ser strahl ge schmol ze ner Ge senke im prak ti schen Einsatz zur Her stel lung ge schmiede ter Prototypen nach zu wei sen. Das ge wählte Bauteil basiert auf ei nem rea len Re fe renz teil mit anspruchsvollen Geo me trie ele men ten. Die Versuchs schmie dung wurde auf einer Kupp lungsspin del pres se SPKA 2000 durch ge führt. Zur Bewer tung die ses in no va ti ven Verfahrensansatzes wur den die Kriterien Zeit, Qualität und Kos ten im Vergleich zu herkömmlichen Ver fah ren betrach tet. Die Forderungen nach in dus triell geschmie deten Prototypen bei kür zest mög li cher Lieferzeit stellt für die Schmiedeindustrie in zu neh men dem Maße eine echte Her aus forde rung dar. Das Ziel, „echte Schmiedestücke in ner halb einer Woche“ in die Realität um zuset zen, soll mit dem Einsatz moderner La serstrahl schmelz tech no logien realisierbar wer den. Bau teilkonstrukteure sollen zukünftig die Möglich keit erhalten, bereits in frühen Ent schei dungspha sen der Produktentwicklung ent spr echen de Prototypen, die durch um form tech ni sche Pro zessketten gefertigt wer den, zum Beispiel für Bauteil tests oder die Pro zess ket ten ent wick lung, zur Verfügung zu haben. Der Schmiedeprozess stellt bezüglich Tem pera tur- und Verschleißverhalten ähnliche An for - de run gen an die Werkzeuge wie Druck guss. Für Warmformwerkzeuge hatte bis her die Einbringung von Kühlkanälen auf grund fer ti gungs tech nischer Grenzen eine ge ringe Be deu tung. Mit der freien Ge stalt bar keit von Hohlräumen durch die neuen 26 Schmiede-Journal März 2011 ge ne ra ti ven Verfahren ergeben sich völ lig neue Mög lich kei ten der Integration von Funk tio na litä ten in die Werkzeuge. Ins be son dere bei ex trem tiefen Gravuren mit hohen thermischen Be las tungen könnten durch Kühlkanäle er heb liche Stei gerun gen der Standmengen er reich bar wer den. Die erzielbaren Gravurtoleranzen und Ober fl ä chengüten bieten die Chance, auf eine mechanische Bearbeitung der Ge senk ober fl ä che zu verzichten, wodurch sich eine er heb liche Zeiteinsparung in der Werk zeug fer ti gung ergibt. Werkzeugentwicklung – Simulation Für die Machbarkeitsuntersuchungen wurde ein praxisrelevantes Schmiederohteil nach fol genden Kriterien ausgewählt: • Komplexität der Teilegeometrie (zum Bei spiel Gravurtiefe mit erhabenem, nicht ro ta tionssymmetrischem Dorn). • Nichtsymmetrische Anordnung von Form elemen ten. • Gekröpfte Formteilungsebene. • Anspruchsvolle Querschnittsübergänge (Grund- und Gravurkantenradien, Bo dendicken, Ausformschräge). Mit diesen Auswahlkriterien sollte erreicht werden, dass mit entsprechend positiven Ergeb nis sen eine Verallgemeinerung für künf ti ge Praxis an wen dung gewährleistet ist. Aus ge wählt wurde ein Kurbelwellensegment mit Ge gen gewicht, Komponente einer De mon stra tor kur belwelle in Leichtbauweise (Bild 1), Masse ca. 1,8 kg, Werkstoff 42CrMo4. Be sonders anspruchsvoll für den Ma te ri al fl uss und die damit verbundene Beanspruchung der Ge senke zur optimalen Formfüllung sind zwei asym me trisch versetzte, nicht ro ta tions sym me trische Dorne zur Formung der hoh len Lagerstellen am Kurbelsegment. Die geo me tri sche Lage der Dorne führt während des Schmie dens zu extrem hohen Querkräften im Dorn grund ra dius. Typische Anforderungen an die Ei gen schaf ten von Schmiedegesenken liegen bei 1.500 ±100 MPa Zugfestigkeit. Für Schmie de ge sen ke werden in der Regel Warmarbeitsstähle wie 1.2343, 1.2344 oder 1.2709 eingesetzt. Die se Werkstoffe können auch im La ser strahl schmelz pro zess ver arbei tet werden. La ser strahl ge schmol zene Bauteile können eine Zug fes tig keit bis zu 1.950 MPa nach der Wär me be hand lung er rei chen. Maximale Abmessungen für la ser strahl geschmol zene Teile liegen für die meisten Laser strahl schmelz an la gen bei 250 × 250 × 250 mm. Die für die Untersuchungen ge fer tig ten Gesenkeinsätze hatten die Ab mes sun gen Ø 170 × 54 beziehungsweise Ø 47 mm (Ge senk oben/unten). Die Werk zeug kon struk tion der Ge sen ke wurde unter Ver wen dung vor han dener Muttergesenke mit Topf füh rung aus ge führt (Fixierung mittels Press pas sung in Mut ter ge senken). Die Werk zeug be las tung und der Ma te rial fl uss wäh rend des Schmiedeprozesses wurde mit der Software „Forge - 2009“ simuliert. Die in stal lier te Rechenleistung ermöglicht neben der Stofffl usssimulation eine elastische Werk - zeug be rech nung mit Berücksichtigung der Ar mie rung durch einen virtuellen Fest sitz. Span nungs spit zen können damit sicher iden tifi ziert und Anpassungen der Geo me trie vor genom men werden. Die Ver gleichs span nun gen am Werk zeug sind in Bild 2, rechts, dar ge stellt. Die Optimierung von Umformteil- und Werkzeug geo me trie zur Reduzierung der Ge senkbe an spruchung kann in mehreren Ite ra tio nen mit relativ kurzer Rechenzeit erfolgen. Die Simulationsergebnisse liefern gleichzeitig Konstruk tions werte zur Dimensionierung der Werk - zeu ge beziehungsweise Gesenke, um mög lichst geringe Bauvolumen für das La ser strahl schmelzen realisieren zu müssen (Kos ten fak tor). Die Simulationsergebnisse zeigen das Um form er gebnis einschließlich der Grat aus bil dung (Bild 2, links, Darstellung des Ver gleichs um form grads). Einsatz generativ gefertigter Gesenke Beide Gesenkeinsätze wurden am Fraunhofer IWU generativ mittels La ser strahl schmel zen des Ge senk werk stoffs 1.2709 hergestellt. (Bild 3). Die Einsätze wurden mit einem 3D-Scan ner vermessen, um ihre Maß hal tig keit direkt gegen das 3D-CAD-Mo dell zu prüfen. Die Ver messung fand vor den Polierarbeiten statt und zeigte sehr gute Maßhaltigkeit mit Ab wei chun gen < 0,1 mm. Die Gesenkkontur wurde von Hand poliert und nicht mechanisch nach be ar bei tet. Der Außendurchmesser und die Rück seite wur den mechanisch auf das Pas sungs maß zum Mut terge senk bearbeitet, in das Mut ter gesenk ein geschrumpft und das Schmie de gesenk pro duk tionsfertig montiert. Der Schmiedeprozess unter Verwendung ge nera tiv gefertigter Gesenkeinsätze wurde vom konven tio nellen Schmiedeverfahren zur Klein se rien-
2011-03-Schmiede-Journal
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