DIENSTLEISTUNGSÜBERSICHT LASERGENERIEREN WERKZEUG- UND FORMENBAU

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1 DIENSTLEISTUNGSÜBERSICHT LASERGENERIEREN WERKZEUG- UND FORMENBAU LBC LaserBearbeitungsCenter GmbH Im Moldengraben 34 D Kornwestheim Tel.: 07154/ Fax: 07154/ Internet:

2 Übersicht der Dienstleistungen Lasergenerieren Grundlagen Beratung Konstruktion Simulation Umsetzung

3 Übersicht der Dienstleistungen Lasergenerieren Grundlagen Beratung Konstruktion Simulation Umsetzung

4 LBC bietet die generative Herstellung metallischer Werkstücke seit 2004 als Dienstleistung an. Somit zählt LBC, speziell im Werkzeug- und Formenbau zu den Pionieren. Anfänglich wurde die Trumaform LF250 aus dem Hause Trumpf eingesetzt. Seit 2006 verwendet LBC Maschinen des Typs M270 von EOS.

5 Verwendete Lasergenerieranlage Es gibt verschiedene Hersteller, die Anlagen für generative Laserverfahren anbieten. LBC setzt mehrere Maschinen aus dem Hause EOS ein. Die EOSINT M270 besitzt folgende technische Spezifikation: Laserquelle: Faserlaser mit 200 W Leistung Arbeitsraum: ca. 250 X 250 mm, Z Achse 190mm Bahnsteuerung: 1 CNC Z-Achsen + X/Y Scanner Bauraum: Temperatur geregelt bis 100 C Schutzgasatmosphäre: Stickstoff verwendbare Werkstoffe: Werkzeugstahl , Edelstahl, Bronzeverbundwerkstoff DM20, etc

6 LBC konnte die Akzeptanz und Nachfrage lasergenerierter Werkzeuge, Prototypen und Serienbauteile stetig steigern. Im März 2008 wurde die Fertigungskapazität auf 2 Maschinen erhöht. KW 49/2009 wurde die 3. Maschine installiert. klimatisierte Fertigungszelle

7 Stand heute ist LBC speziell für den Werkzeug- und Formenbau der Dienstleister mit der größten Fertigungskapazität. Fakten: ca. 95% der lasergenerierten Werkstücke sind. konturnah temperierte Werkzeugeinsätze. ca. 4% der lasergenerierten Werkstücke. sind Prototypen ca. 1% der lasergenerierten Werkstücke. sind Serienbauteile pro Jahr verbaut LBC alleine ca kg. des Werkstoffs1.2709, Tendenz steigend. Eine Tonne entspricht 10 kg Pulverwerkstoff

8 Prozess: Das Lasergenerieren, bzw. Laserschmelzen ist ein schichtweises Auftragsschweißen eines metallischen Pulverwerkstoffes mittels Laserstrahl. Die maximale Korngröße des Metallpulvers liegt bei ca μm. Es stehen mehrere Werkstoffe zur Verfügung. Hierbei müssen einkomponentige und mehrkomponentige Werkstoffe unterschieden werden. Einkomponentig z.b. Werkzeugstahl : - homogen verschmolzenes Gefüge mit >99,5% Dichte - polierbar (keine optische Politur) vereinzelte Mikroporen sind möglich. Mehrkomponentig z.b. Bronzeverbundwerkstoff DM20: - Gefügedichte im Kernbereich bewusst nur 80 90%. - Gefügedichte der Außenhülle ca. 99%

9 Vom CAD-Modell zum Rohling: Der 3D Datensatz wird in Schichten mit der vorgegebenen Schichtstärke horizontal geschnitten. Die Schichtdicke beträgt 40 μm. Das Werkstück wird auf Basis dieser Daten schichtweise aus dem Pulverbett verschweißt. Das nicht belichtete Pulver kann nahezu zu 100% aufbereitet und erneut verwendet werden. Schichtung des Volumens

10 Anwendungsfelder: Schnelle, kostensparende Herstellung von in der konventionellen Fertigung sehr aufwendigen Konturen. Schnelle Herstellung von Funktionsprototypen Konturnahe, geometrisch fast frei wählbare Temperierung eines Werkzeuges für Kunststoffspritzguss und Metalldruckguss. Schnelle Herstellung von Kleinserienformen für den Kunststoffspritzguss bis ca Schuss. Zum Teil ohne hohen Nacharbeitsaufwand

11 Vorteile lasergenerativ hergestellter konturnaher Temperierung: Die Prozessregelfähigkeit wird optimiert. Die Ausschussquote durch Verzug kann oft auf Null reduziert werden. Der Kunststoff ist homogener und somit qualitativ höherwertig. Der Kunststoff hat oberhalb einer Rippe keine Einfallstellen Verringerung der Optimierungsschleifen während der Bemusterung Das Werkzeug ist wesentlich schneller für den Serieneinsatz verfügbar. Die hergestellte Form und das Werkstück entsprechen den CAD Daten.

12 Übersicht der Dienstleistungen Lasergenerieren Grundlagen Beratung Konstruktion Simulation Umsetzung

13 Beratung: Das Verfahren Lasergenerieren wird von LBC in Dienstleistung angeboten. Seit 2004 konnte ein sehr umfangreiches Know-How aufgebaut werden. Dieses Wissen stellt die Basis für die Umsetzung kundenspezifischer Aufgabenstellungen dar. Speziell bei Neukunden werden durch eine ausführliche Beratung mögliche Berührungsängste beseitigt. Durch ein offenes Erörtern der Fakten wird dem Kunden das nötige Hintergrundwissen vermittelt. Dies ist die Grundlage für eine gute, zukünftige Zusammenarbeit und der Schlüssel zu unserem Erfolg.

14 Übersicht der Dienstleistungen Lasergenerieren Grundlagen Beratung Konstruktion Simulation Umsetzung

15 Konstruktion: Speziell die Konstruktion konturnaher Temperierkanäle erfordert Erfahrung. Aus diesem Grund bietet LBC seinen Kunden die konstruktive Umsetzung komplexester Temperierlösungen an. Dies erleichtert speziell Neukunden die schnelle Umsetzung potentieller Projekte. Auf Wunsch bietet LBC Konstruktionsschulungen für bestehende Kunden an. Dieser Know-How-Transfer erleichtert unseren Kunden den Umgang mit lasergenerierten Werkzeugen und erspart ihnen aufwendige Überarbeitungen bereits konstruierter Werkzeuge.

16 Realisierte Werkzeugeinsätze Die Abbildung zeigt die Kühlkanäle eines seit über 24 Monaten im Einsatz befindlichen Werkzeugeinsatzes. Geometrie: Ellipse stehend 1,3 mm x 1,8 mm entspricht Ø 1,53 mm 2 Kreisläufe 1x 4-fach parallel 1x 5-fach parallel betrieben mit 6 bar und Filter Kühlmedium Wasser Die Gesamtlänge aller Kanäle beträgt mm! Die Kühlzeit wurde halbiert!

17 Realisierte Werkzeugeinsätze Da die hier gezeigten Einsätze keine einfach zu spannende Außenkontur aufweisen wurden Hilfsecken zur Bestimmung der Nullpunkte zusätzlich mit aufgebaut. Dies ist eine wichtige konstruktiv einfach realisierbare Basis für die problemlose Endbearbeitung im Werkzeugbau

18 Realisierte Werkzeugeinsätze Komplexe Werkzeuge erfordern aufwendige Konstruktionen, um diese perfekt, konturnah zu temperieren. Die hier gezeigte Konstruktion erfordert fundierte Erfahrung des Konstrukteurs. Somit war es möglich dieses Kanalsystem zu realisieren. Hier wurden 8 Abgänge mit Ø 3 mm und nahezu identische Kanallänge aus einem 10 mm Zugang verzweigt. Dies gewährleistet in jedem Kanal die gleiche Strömung des Kühlmediums.

19 Übersicht der Dienstleistungen Lasergenerieren Grundlagen Beratung Konstruktion Simulation Umsetzung

20 Simulation: Die Simulation konturnaher Temperierungen ist eine wesentliche Entscheidungshilfe, da diese den zu erwartenden, wirtschaftlichen Erfolg der zu tätigenden Investition belegt. Ablauf: Import der Kühlgeometrie Erstellen der konventionellen Kühlung Zuweisen von Kühlkreisläufen Prozessparameter Temperierung erfassen Zuweisen von Einsatzwerkstoffen zu den Bereichen des Artikels

21 Benötigte Angaben für die Simulation Die Simulation der konturnahen Kühlung geschieht im Zusammenhang mit einer Fließanalyse. LBC verfügt mit der Software über ein Tool, in das die konstruktiv ausgelegten konturnahen Temperierkanäle importiert und damit simuliert werden können. Dazu werden folgende Angaben benötigt: CAD Daten des Artikels, Anspritzpunkte, Art der Anspritzung (z.b. Heißkanal), Kunststoff mit Datenblatt, Prozessparameter Spritzgießen CAD Daten der konventionellen Temperierung, Temperierdaten, Durchflussmenge, Druck, Anzahl der Kreisläufe, Temperaturen etc.

22 Ergebnis: Reynoldszahl im Temperiersystem

23 Ergebnis: Wärmestromeffizienz (Wo wird die meiste Wärme abgeführt)

24 Ergebnis: Temperaturunterschied im Kühlkreislauf

25 Ergebnis: Animation des Temperierverlaufs

26 Ergebnis: Entformungszeit

27 Übersicht der Dienstleistungen Lasergenerieren Beratung Konstruktion Simulation Umsetzung im Werkzeugbau

28 Realisierte Werkzeugeinsätze Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz mit einem komplexen Verlauf der Kanäle.

29 Realisierte Werkzeugeinsätze Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz mit 2 Temperierkanälen.

30 Realisierte Werkzeugeinsätze Lasergenerierter Kühleinsatz für die Spritzgussform eines Eiskratzers. Durch die integrierten, konturnahen Kühlkanäle konnte die Zykluszeit von 80 Sekunden auf 40 Sek. reduziert werden.

31 Realisierte Werkzeugeinsätze Spritzgussform mit Kühlkernen Diese Kühlkerne haben zu enormer Zykluszeitreduzierung und gleichzeitiger Optimierung der Prozesssicherheit geführt.

32 Realisierte Werkzeugeinsätze Kühlkern Dieser Kühlkern hat eine Zykluszeitreduzierung von ca. 30% realisiert.

33 Realisierte Werkzeugeinsätze Konturnah temperierter Werkzeugeinsatz Der Einsatz ist noch auf der Bauplattform verschweißt und muss z.b. per Drahtschneiden abgetrennt werden.

34 Realisierte Werkzeugeinsätze Kühlstifte mit konturnaher Temperierung des gesamten Stifts. Bei liegendem Aufbau kann es zu einem verfahrensbedingten Verzug der Bauteile kommen. Da die Kosten für das Lasergenerieren erheblich niedriger sind, kann der Mehraufwand des mechanischen Richtens trotzdem Sinn machen.

35 Realisierte Werkzeugeinsätze Beispiel für eine sehr erfolgreiche Lösung eines Temperierproblems in einem existierenden Werkzeug.

36 Realisierte Werkzeugeinsätze Amortisationsberechnung Stückzahl / Jahr Anzahl der Kavitäten Zykluszeit konventionell Zykluszeit lasergenerierter Einsatz Maschinenstundensatz Stück 1 Stück 90 Sekunden 40 Sekunden 35,00 / h Kosten lasergenerierter Einsatz inkl. Konstruktion, Härten etc. 4550,00 Maschinenstunden / Jahr (konventionell) Maschinenstunden / Jahr (lasergeneriert) eingesparte Maschinenstunden Stunden 444,44 Stunden 555,56 Stunden Kostenersparnis / Jahr ,44 Armortisationszeit 2,81 Monate

37 Realisierte Werkzeugeinsätze 4 Werkzeugeinsätze auf der Bauplattform.

38 Realisierte Werkzeugeinsätze Werkzeugkerne mit konturnaher Temperierung, trotz sehr begrenzter Zugänglichkeit des Konturbereichs.

39 Realisierte Werkzeugeinsätze Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz mit einem komplexen Außengeometrien, die üblicherweise starke Überhitzungstendenzen aufweisen.

40 Das Bauen auf einem Hybrid Zweck der Hybridtechnologie Reduzierung des zu bauenden Volumens auf das für die Temperierung notwendige Minimum. Drastische Reduzierung der Herstellkosten Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Lasergenerierens Effizientere Nutzung der Laserkapazitäten

41 Das Bauen auf einem Hybrid Geeignete Grundwerkstoffe (Böhler W722 VMR) lieferbar bis Ø122 mm überdreht und als 150 x 150 mm Stabstahl Vacumar von Zapp, Martensitstahl ähnlich Alle Abmessungen lieferbar. Eine Verarbeitung von oder ist nicht möglich!!

42 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Werkzeugeinsatz in Hybridbauweise. Durch das vorgefertigte Volumen des Rohlings konnten ca. 50% Bauzeit und Herstellkosten eingespart werden. Der Werkstoff des Rohlings sollte auch sein. Somit verfügen der Rohling und lasergenerierter Aufbau über die identischen Werkstoffeigenschaften.

43 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz, auf Einem Hybridrohling.

44 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz, auf einem Hybridrohling. Ohne Hybridrohling wäre dieser Einsatz nicht wirtschaftlich herstellbar.

45 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Werkzeugeinsatz in Hybridbauweise. Dieser Kern wurde als Ersatz für einen Kern aus einer wärmeleitfähigen Kupferlegierung beauftragt. Der Verschleiß dieser Legierung ist sehr hoch und die Kühlleistung im Werkzeug war nicht ausreichend. Das rechte Foto zeigt das komplette Gehäuse des Ölmoduls in seiner Komplexität. Werksfoto mit freundlicher Freigabe der MANN+HUMMEL GmbH

46 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Dieser Kühlkern wurde in 2 verschiedenen Varianten hergestellt, um dem Kunden die optimale Lösung im direkten Vergleich zu zeigen. Nach einer Bearbeitung der Oberflächen ist es nicht mehr erkennbar, dass dieser Kern per Lasergenerieren hergestellt wurde.

47 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz, auf einem Hybridrohling. Ohne Hybridrohling wäre dieser Einsatz nicht wirtschaftlich herstellbar.

48 Realisierte Werkzeugeinsätze in Hybridbauweise Konturnah gekühlter Werkzeugeinsatz, auf einem Hybridrohling. Durch diese Umsetzung konnten 60% der Herstellkosten eingespart werden.