Einsatz additiver Verfahren zur Herstellung innovativer Strangpressmatrizen zur Erweiterung der Prozessgrenzen bei der Produktion komplexer Aluminiumprofile
Motivation
Beim Aluminium-Strangpressen hat die Temperaturentwicklung im Materialfluss und in den Werkzeugen einen starken Einfluss auf die resultierende Produktqualität und die Prozessleistung. Der durch Reibungs- und Verformungsarbeit verursachte Temperaturanstieg ist daher ein limitierender Faktor für die Produktivitätssteigerung.
Im Rahmen eines staatlich geförderten Forschungsvorhabens setzten die Unternehmen WEFASwiss AG (Hersteller von Extrusionswerkzeugen), die Aluminium Laufen AG (Abnehmer von Extrusionswerkzeugen für die Herstellung von Aluminiumprofilen) sowie die Irpd AG (Dienstleister für additive Fertigungsverfahren) unter Anleitung des Forschungspartners Inspire der ETH Zürich die Idee um, mittels additiver Fertigung einen added value über konturnahe Kühlkanälen am Dorneinsatz eines Extrusionswerkzeugs abzubilden. Ziel war die Generierung von Produktivitätsvorteilen beim Strangpressen über eine Erhöhung der Pressgeschwindigkeit.
Umsetzung in Hybridbauweise
Der Einsatz additiver Fertigung (Selective Laser Melting, SLM) im Bereich von Strangpresswerkzeugen birgt mehrere Herausforderungen hinsichtlich des Herstellungsprozesses und der Materialeigenschaften in sich. Zur Überwindung von Fertigungs- und Materialeinschränkungen wurden die Extrusionswerkzeuge nach einem hybriden Fertigungsansatz hergestellt. Hinter diesem Ansatz verbirgt sich die Idee, das Gros der Komponenten, wo keine signifikanten Potentiale für eine gewünschte Standzeit- oder Durchsatzoptimierung darstellbar sind, weiterhin auf konventionelle Art und Weise zu fertigen. Jedoch dort, wo sich sinnvoll ein added value - hier in Form von konturnahen Kühlkanälen beim Dorneinsatz – realisieren lässt, wurde für die Umsetzung der komplexen Kühlkanalgeometrie auf das additive Fertigungsverfahren SLM zurückgegriffen. Vor dem Hintergrund der erforderlichen Temperaturfestigkeiten wurde der Werkzeugstahl Heatvar, welcher speziell für den Einsatz bei hohen Temperaturen entwickelt wurde, für den SLM-Prozess qualifiziert, verarbeitet und abschliessend erfolgreich an der Presse getestet.
Dank der hohen Geometriefreiheit, die ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal von additiven Fertigungstechnologien darstellt, konnte an temperaturkritischen Bereichen des Dorneinsatzes ein konturnaher Kühlkanal für die stickstoffbasierte Temperierung des Werkzeugs integriert werden. Vom thermisch-mechanischen Standpunkt aus betrachtet erwies sich ein Kanalverlauf mit Austritt in Pressrichtung als vielversprechend und wurde daher in dieser Form an mehreren Werkzeugen getestet.
Resultate
Extrusionsexperimente mit und ohne Flüssigstickstoffkühlung wurden für drei Profilgeometrien durchgeführt. Bei den ersten beiden zylindrischen Hohlprofilen wurde der Komplexitätsgrad durch die Anpassung der Wanddicke definiert. In diesen Fällen konnte die Stempelgeschwindigkeit, welche direkt mit der Produktivitätssteigerung korreliert, um 24% bzw. 33% erhöht werden. Bei der dritten Anwendung wurde zusätzlich zum Dornteil auch die Matrize gekühlt, um die Temperaturinhomogenität über den Profilquerschnitt zu optimieren. In diesem Fall konnte eine Erhöhung der Stempelgeschwindigkeit von 40% erzielt werden.
Die im industriellen Rahmen erarbeitete und validierte Prozesskette zeigt, dass die Integration von mit AM-Technologie hergestellten Kühlkanäle im hybriden Strangpresswerkzeug zur Erhöhung der Produktivität beiträgt.