Wie Toyotas 3D-gedrucktes Werkzeug die Zukunft der Autoherstellung verändern kann
Toyota setzt auf ein neues Aluminiummaterial und ein 3D-Druckverfahren, um große, komplexe Druckgusswerkzeuge herzustellen.
In dem unerbittlichen Wettlauf um eine effizientere Produktion von Autos zählt jedes Bauteil. Toyota nimmt nun einen entscheidenden Fertigungsschritt ins Visier und nutzt den fortschrittlichen 3D-Druck, um massive Druckgusswerkzeuge herzustellen. Das Projekt zielt darauf ab, die Produktionszeiten und -kosten zu senken und möglicherweise einen wichtigen Teil der Fahrzeugherstellung zu verändern.
Obwohl die große Druckgusswerkzeugeinlage, die gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, MacLean-Fogg und Toyota entwickelt wurde, noch nicht in der Routineproduktion eingesetzt wurde, ist sie eine vielversprechende Demonstration von etwas, das die AM-Branche seit langem anpreist – die Tatsache, dass 3D-Druck schnell kundenspezifische Formen mit effizienzsteigernden konformen Kühlkanälen herstellen kann, die auf andere Weise nicht herstellbar sind.
Das Projekt beweist laut Fraunhofer die Skalierbarkeit und Machbarkeit eines großen Einsatzes, der additiv mit dem neuen Werkzeugstahl L-40 und einem großformatigen Laser-Pulverbett-Schmelzsystem hergestellt wird. Toyota setzt bereits kleinere Formwerkzeuge in der Serienproduktion ein und hat festgestellt, dass diese eine deutlich längere Lebensdauer aufweisen als herkömmlich hergestellte Werkzeuge.
Diese Druckgusswerkzeugeinlage, die für das Getriebegehäuse des Toyota Yaris Hybrid entwickelt wurde, verfügt über konforme Kühlkanäle, die den komplexen Konturen eines Formhohlraums genau folgen und nicht wie bei herkömmlichen gebohrten Kanälen in geraden Linien verlaufen. In einem Druckgusswerkzeug für Aluminiumgehäuse sorgen sie für eine gleichmäßigere und effizientere Wärmeabfuhr über die gesamte Oberfläche des Hohlraums, was die Zykluszeiten verkürzt, da eine schnellere und gleichmäßigere Erstarrung möglich ist. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Hot Spots, Porosität und Verzug, was zu einer verbesserten Gussqualität führt und gleichzeitig die Lebensdauer der Form durch Minimierung der thermischen Ermüdung verlängert.
Nach der Herstellung des Formeinsatzes wurde dieser spannungsarm geglüht und seine Funktionsflächen wurden konventionell gefräst. Die hohe Maßgenauigkeit des additiven Grundkörpers erforderte lediglich eine präzise Endbearbeitung ohne zusätzlichen Materialeinsatz.
Im Mittelpunkt der Entwicklung steht ein neuer Werkzeugstahl namens L-40, der von MacLean-Fogg speziell für die additive Fertigung entwickelt wurde. Das Material neigt sowohl beim Druck als auch bei der Nachbearbeitung deutlich weniger zur Rissbildung und weist starke mechanische Eigenschaften auf, darunter hohe Härte, Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit.
Für das Projekt wurde der LPBF-Großportal-3D-Drucker des Fraunhofer ILT eingesetzt, der ein Bauvolumen von 1.000 × 800 × 350 mm bietet und Bauteile von über 20.000 cm reproduzierbar herstellen kann. Diese Größenordnung der additiven Fertigung war bisher durch Eigenspannungen, Verzug und schlechte Leistung bei herkömmlichen Werkzeugstählen wie H11, H13 und M300 begrenzt.
Eine Innovation beim LPBF-3D-Druck war das beheizte Substratmodul von Fraunhofer, das die Bauplattform während der Produktion auf etwa 200 °C hält. Diese Innovation minimiert laut Fraunhofer die thermische Belastung und reduziert das Risiko von Rissbildung bei solch großen Bauteilen weiter.
Die Ergebnisse zeigen klare Vorteile für die Lebensdauer und Effizienz der Werkzeuge, so Fraunhofer.
„Um diese Grenzen zu überwinden, brauchen wir eine neue Generation von Maschinen und Werkstoffen, die speziell auf die Anforderungen großformatiger HPDC-Werkzeuge zugeschnitten sind“, erklärt Niklas Prätzsch, Gruppenleiter LPBF-Verfahrenstechnik am Fraunhofer ILT. „Genau diese Kombination war Gegenstand der jüngsten Änderungen, die wir umgesetzt haben.“
Die Leistung des Fraunhofer ILT zeigt, dass es mit der richtigen Kombination aus Material, Maschinentechnik und Konstruktionsstrategien möglich ist, große und hoch belastete Druckgusswerkzeuge additiv herzustellen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Automobilindustrie, wo skalierbare, langlebige Werkzeuge mit verbessertem Wärmemanagement eine flexiblere Produktion von Fahrzeugkomponenten unterstützen und die Lieferzeiten verkürzen können.
Auch interessant:
Folgen Sie dem All3DPs Podcast:
Lizenz: Der Text von "Wie Toyotas 3D-gedrucktes Werkzeug die Zukunft der Autoherstellung verändern kann" von All3DP Pro unterliegt der Creative Commons Attribution 4.0 International License.