Auf Messers Schneide

Text: Thomas Masuch; Fotos: Audi AG

Audi entwickelt zusammen mit EOS prozesssichere Additive Fertigung von Schneidmessern für Presswerkzeuge

Im Audi-Werkzeugbau in Ingolstadt liegen traditionelle Fertigung und additive Zukunft direkt nebeneinander. Bis zu 40 Tonnen schwere Presswerkzeuge aus Grauguss und Stahl sammeln sich in langen Reihen direkt vor den Fenstern des nur wenige Monate jungen Metall-3D-Druck-Zentrums. Ganz konzernuntypisch vermitteln hier eine Couch und Sitzsäcke mitten im über 43.000 Mitarbeiter zählenden Audi-Werk eine Start-up-Atmosphäre.

»Diese Möbel werden aber bisher nur wenig benutzt, weil wir so viel zu tun haben«, schmunzelt Lars Reichelt, der seit April 2016 als Projektleiter für die Additive Fertigung im Audi-Werkzeugbau unter anderem mit dem Aufbau des Metall-3D-Druck-Zentrums betraut ist. Das Herz des 3D-Druck-Zentrums bei Audi sind drei Metall-Laserschmelzanlagen. Die klimatisierte und entfeuchtete hellgestrichene Halle bietet noch Platz für deutlich mehr Maschinen. Im Konzern ist das Projekt mit hoher Priorität angesiedelt.

Produktionsvorstand Prof. Dr. Hubert Waltl hat sich persönlich für den zügigen Aufbau dieser zukunftsweisenden Abteilung am Standort Ingolstadt eingesetzt. Das 3D-Druck-Zentrum ist zwar räumlich im Werkzeugbau angesiedelt, doch berichtet das 3D-Druck-Team über neue Entwicklungen teilweise auch direkt an den Vorstand.

"Die besondere Herausforderung war, die Messer aus Werkzeugstahl 1.2709 möglichst effizient und in der gewünschten Festigkeit und Materialqualität zu »drucken«."

RICHTUNGSWEISENDES PROJEKT

Ein richtungsweisendes Projekt haben der gelernte Werkzeugmechaniker und Maschinenbauingenieur Reichelt und seine Kollegen jüngst zusammen mit den »Additive Minds« von EOS umgesetzt. Unter dem technischen Projekttitel »reproduzierbare, designtechnisch und funktional aufgewertete Schneidmesser und Warmumformungswerkzeuge generativ fertigen« verbarg sich unter anderem die additive Produktion von innengekühlten Schneidmessern für die Presswerkzeuge von Audi.

Auf der kleineren EOS-M290-Maschine fertigte Audi bereits in der gewünschten Qualität. »Jetzt sollte diese Qualität auch für die größere EOS M400 mit höheren Schichtstärken erreicht werden«, so Reichelt. In dem Bauraum mit 400 x 400 x 400 mm produziert Audi unter anderem Schneidmesser, die als Teil der tonnenschweren Presswerkzeuge die Kanten der Karosseriebleche entfernen.

Bei den Aluminiumblechen entstehen in den Pressen kleinste Partikel (sogenannte Flitter), die sich auf der Schneide und dem Werkzeug absetzen. Die erforderliche regelmäßige Reinigung der Messer sorgte immer wieder für Stillstand an den Pressen.

In der Konstruktion im Audi-Werkzeugbau entstand die Idee, diesen Prozess durch Kühlen und Absaugen zu verbessern und so die Stillstandzeiten zu verringern. Dicht unter der Schneide liegende Kanäle kühlen die Messer, was zu weniger Flitterbildung führen soll. Außerdem entwickelten die Audi-Ingenieure eine weitere Variante des Werkzeugs, bei dem über Absaugkanäle direkt an der Schneide ebenfalls die Menge der Flitter reduziert wird.

Die besondere Herausforderung war, die Messer aus Werkzeugstahl 1.2709 möglichst effizient und in der gewünschten Festigkeit und Materialqualität zu »drucken«. Von Juni bis November 2016 dauerte die Testphase am EOS-Standort in Krailling. Mehr als 800 stählerne Testwürfel wurden per 3D-Druck hergestellt, Schliffbilder untersucht und die Materialdichte gemessen. Die Parameter wie Schichtdicke, Laserleistung, Geschwindigkeit oder Spurabstand wurden in Kooperation mit den EOS-Mitarbeitern immer wieder angepasst, bis am Ende ein prozesssicheres Verfahren entstand.

Die Additive Fertigung der Messer ermöglicht auch unterschiedliche Materialeigenschaften in einem Bauteil. Im Gegensatz zur harten und starren Schneide muss der Grundkörper des Messers etwas duktiler sein, um Schwingungen aufnehmen zu können. Diese Eigenschaft erreichten die Ingenieure durch die Erhöhung der Lasergeschwindigkeit und porösere Sektionen. 

Stolz ist Reichelt auch darauf, dass sein Team zusammen mit den »Additive Minds« von EOS die Produktivität um 240 Prozent im Vergleich zur bisherigen Fertigung auf der kleineren EOS M 290 steigern konnten. Neben der effizienten Produktion auf den Laserschmelzanlagen hat Reichelt auch die gesamte Prozesskette der Additiven Fertigung im Blick.

Mit direktem Zugriff auf Computertomografie, Röntgen, Zugversuche oder Schliffbilder ist das Team mit seinem 3D-Druck-Zentrum im Hinblick auf die Qualitätssicherung sehr gut aufgestellt.

Großes Potential im Postprozessing

Daneben sieht Reichelt für die weitere Entwicklung der Additiven Fertigung besonders in der Nachbearbeitung (Postprocessing) noch große Potenziale. Denn Additive Fertigung bedeutet nicht nur »3D-drucken«, sondern umfasst auch Prozesse wie Pulverentfernen, das Abtrennen des Bauteils von der Bauplattform, Entfernung der Stützen sowie die Oberflächenbehandlung mittels Strahlen oder Polieren.

Rund 50 Prozent der Kosten vieler Bauteile entstünden heute in der Nachbearbeitung, schätzt Reichelt. »Während wir beim Prozess in der Maschine langsam an die physikalischen Grenzen stoßen, lassen sich die Kosten im Postprocessing durch intelligente Lösungen sicherlich auf rund zehn Prozent reduzieren.«

Audi sei mit seinen Prozessen in der Nachbearbeitung auf dem neuesten Stand der Technik und habe »den Benchmark im Automobilbereich«, so der Projektleiter. Dennoch hat der Ingolstädter Konzern noch einiges vor: Derzeit bearbeiten Reichelt und sein Team 56 Themenschwerpunkte, um den Additiven Fertigungsprozess noch weiter zu optimieren.