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Hydraulische Steuerblöcke additiv denken

: Trumpf


Seit Januar dieses Jahres betreibt die Fachhochschule Oberösterreich am Campus Wels im Center for Smart Manufacturing (CSM) eine neue TruPrint 3000 Laserschmelzanlage von Trumpf. Zusammen mit der Division Blockfertigung von Bosch Rexroth wird dort im Rahmen eines FFG-geförderten Forschungsprojektes Grundlagenforschung für den Einsatz Additiver Fertigung zur Herstellung von hydraulischen Steuerblöcken betrieben. Von Georg Schöpf, x-technik

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Die geeignete Ausrichtung auf der Bauplattform ermöglicht es, mit wenig Stützstrukturen auszukommen.

Die geeignete Ausrichtung auf der Bauplattform ermöglicht es, mit wenig Stützstrukturen...

Obwohl die Additive Fertigung mittlerweile viele Industriezweige erobert hat und es in manchen Anwendungsfeldern bereits Erfahrungswerte gibt, muss für speziellere Themen noch Grundlagenforschung betrieben werden. Insbesondere wenn hohe Belastungen im Spiel sind oder konkrete Sicherheitsanforderungen erfüllt werden müssen. Eines dieser Gebiete ist die Hydraulik. Dort treten hohe Drücke und häufige Lastwechsel auf. Bei den eingesetzten Ventilsteuerblöcken erfordert das beispielsweise ganz besondere Sorgfalt hinsichtlich Dauerfestigkeit, Druckbeständigkeit und Dichtheit.

Spezialisten auf diesem Gebiet sind die Mitarbeiter der in Linz (A) angesiedelten Blockfertigung der Bosch Rexroth GmbH. Am oberösterreichischen Fertigungsstandort sind ca. 360 Mitarbeiter beschäftigt und arbeiten im Fertigungsverbund mit der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main. Ein Fertigungsschwerpunkt in Linz ist die Herstellung von hydraulischen Steuerblöcken bis 800 kg „Wir haben Komponenten für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle im Sortiment. Auf der Basis von konkreten Kundenanforderung arbeiten wir ganz neue hydraulische Antriebskonzepte aus. Da die Anforderungen oft auch hinsichtlich Gewicht und Bauraum kritisch sind und wir stets bemüht sind, modernste Technologien einzusetzen, evaluieren wir auch die Möglichkeiten der Additiven Fertigung“, erzählt Reinhard Brandstetter, Vertriebsleiter Applikation und Engineering bei Bosch Rexroth am Standort Linz. „Die Additive Fertigung findet im gesamten Unternehmen große Beachtung und Anwendung, wie zum Beispiel der Sandkerndruck für die Fertigung großer Steuerblöcke. Wir haben in der Ventilblock-Fertigung teilweise abweichende Anforderungen. Deshalb haben wir für die Grundlagenforschung nach einem kompetenten Forschungspartner gesucht
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Ein Gipsmodell ermöglicht eine schnelle Beurteilung des Konzeptansatzes. Anschließend erfolgt die additive Herstellung im Zielwerkstoff, die zerspanende Nachbearbeitung und schließlich die Montage des Ventilblocks.

Ein Gipsmodell ermöglicht eine schnelle Beurteilung des Konzeptansatzes. Anschließend...

und in der FH Wels den richtigen Partner gefunden“, ergänzt er.

Erfahrener Forschungspartner mit Praxisbezug

Die FH in Wels beschäftigt sich seit 15 Jahren mit der Additiven Fertigung und zählt mit ihrer umfangreichen Maschinenausstattung, welche die gesamten Prozesskette abdeckt, speziell für die additive Metallfertigung zu den führenden Hochschulen der Branche. „Wir freuen uns sehr, dass wir mit dem Forschungsprojekt, das wir mit Bosch Rexroth gemeinsam aufsetzen konnten, einmal mehr zeigen können, wie Forschungseinrichtungen ganz konkret bei der Einführung von neuen Technologien in der Industrie unterstützen können“, so Prof. Aziz Huskic, der an der FH Oberösterreich als Fachbereichsleiter für Produktionstechnik auch das AM-Thema vorantreibt. Das über die FFG geförderte Basisprojekt beinhaltet die Grundlagenforschung zu den Themen Gewichtsreduktion, Strömungsoptimierung und Leckageverringerung für Industriehydraulikkomponenten. „Für uns ist dieses Thema deshalb so interessant, weil dabei sämtliche Disziplinen der Additiven Fertigung selbst von der Simulation bis hin zur Werkstoffqualifizierung enthalten sind“, verrät Huskic. „Uns gibt es die Möglichkeit, die Herstellung der Steuerblöcke in einem ganz neuen Fertigungslicht zu betrachten, damit möglicherweise altbekannte Problemstellungen zu eliminieren und das Potential dieser Fertigungsmethode für unsere Anwendungen bestmöglich auszunutzen“, ergänzt Brandstetter.

Materialeigenschaften beeinflussen und verbessern

Für den Bau der Hydraulik-Komponenten wird das Selektive-Metall-Laserschmelzen als Herstellungsverfahren eingesetzt.
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„Dabei können wir in besonderer Weise auf die Materialeigenschaften des fertigen Bauteils Einfluss nehmen. Wir haben dort die Möglichkeit, ein und dasselbe Bauteil problemlos in unterschiedlichen Werkstoffen herzustellen und innerhalb eines Werkstoffes durch die Anpassung der Fertigungsparameter die Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen. Der zugrunde liegende Ventilsteuerblock wurde an der FH Wels auf der neuen TruPrint 3000 von Trumpf aus dem Werkstoff 1.4404 Edelstahl hergestellt. Die TruPrint 3000 ist eine universelle AM-Anlage mit externem Teile- und Pulvermanagement für die industrielle Fertigung komplexer Bauteile. Durch ihre Bauraumgröße von 300 mm Durchmesser und 400 mm Höhe bietet sie eine hohe Flexibilität hinsichtlich Größe, Anzahl und Geometrie der jeweiligen Anwendung. Die Laserleistung des Faserlasers beträgt 500 W, womit bei Schichtdicken von 20 bis 150 µm eine Aufbaurate zwischen 5 und 60 cm³/h erzielt werden kann. Beim aktuellen Projekt konnte so eine Senkung des Bauteilgewichtes von ursprünglich 4,18 kg auf nur mehr 1,07 kg erzielt werden, was einer Gewichtsreduktion von 74,4 % entspricht.

Standortvorteile nutzen

„Die TruPrint 3000 ist unsere neueste Maschine, die im Januar dieses Jahres in Betrieb gegangen ist. Das Maschinenkonzept ermöglicht uns ein einfaches Arbeiten im Studien- und Forschungsbetrieb, da das Metallpulverhandling während des gesamten Fertigungsprozesses unter geschlossener Atmosphäre stattfindet und so die Maschinenbediener ohne Schutzausrüstung an der Maschine arbeiten können“, schildert der Fachbereichsleiter und ergänzt: „Außerdem ist ein Materialwechsel auf der Maschine verhältnismäßig schnell zu bewerkstelligen und wir haben die Möglichkeit, auf viele Prozessparameter einzuwirken. Dabei ist auch die Unterstützung seitens Trumpf sehr hilfreich, die uns bei der Inbetriebnahme schon
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sehr gut betreut haben. Auch bei der Anpassung der Prozessparameter für beste Bauergebnisse können wir uns auf die Unterstützung seitens Trumpf verlassen.“ Huskic spielt damit auf die bereits jahrelange Zusammenarbeit mit der österreichischen Niederlassung des deutschen Laser- und Maschinenherstellers an, mit der die FH Wels bereits eine gut eingeführte Partnerschaft in anderen Fertigungsthemen verbindet. Neben der reibungslosen Kommunikation sieht er auch in der räumlichen Nähe der Trumpf-Niederlassung im nur knapp 20 km entfernten Pasching einen klaren Standortvorteil.

„Wir freuen uns, dass das Projekt für die Industriehydraulik auf unserer Maschine abgewickelt wird. Die Herstellung des Steuerblocks aus dem Werkstoff 1.4404 Edelstahl bringt die Möglichkeit der Maschine voll zur Geltung“, freut sich Erwin Haslinger, Vertriebsingenieur Lasertechnik und Metall-Laserschmelzen bei der Trumpf Maschinen Austria GmbH + Co. KG. „Neben dem eigentlichen Steuerblock lassen wir an der FH natürlich auch Probenkörper fertigen. Das sind in diesem Falle Rohrstücke mit definierten Abmessungen, anhand derer Dauerfestigkeitserprobungen durchgeführt werden. Diese laufen so ab, dass die Probenkörper einem wiederholten Lastwechsel aus Maximaldruck und Umgebungsdruck ausgesetzt werden, um so zu überprüfen, wie der additiv gefertigte Werkstoff hinsichtlich Dichtheit und Druckbeständigkeit im Dauerbetrieb reagiert“, erklärt Brandstetter.

Auch Weiterbildungsmöglichkeiten für Ingenieure und Lehrlinge finden Beachtung

„Als Forschungspartner in der Additiven Fertigung ist die FH Wels für uns ganz klar ein Wunschkandidat. Dort finden sich auf engem Raum Fertigungs-, Entwicklungs- und Materialkompetenz zur Additiven Fertigung. Dass industrienahe
Forschungsprojekte mit einem solchen Industriebezug durchgeführt werden, zeigt ganz klar die Praxisnähe der FH Wels“, bemerkt Haslinger. Der Praxisbezug wird auch daran deutlich, dass die Fachhochschule Wels neben den Ausbildungsmöglichkeiten für die Studierenden auch die Weiterbildungsmöglichkeiten für Ingenieure sowie zusätzlich Praktika und Ausbildungseinheiten für Lehrlinge aus metallverarbeitenden Berufen anbietet. „Wir sind der Überzeugung, dass auch in der allgemeinen Lehrlingsausbildung der Themenkreis Additive Fertigung Teil des Ausbildungsangebotes sein muss. Auch in den praktischen Lehrberufen müssen die Auszubildenden die Möglichkeiten der Additiven Metallfertigung und der damit verbundenen Maschinenkonzepte und Anforderungen, aber auch die daraus entstehenden zusätzlichen Fertigungsmöglichkeiten kennenlernen“, beschreibt Huskic abschließend deren Intention, nicht nur in der Forschung, sondern auch in der Weiterbildung von Ingenieuren und allgemeinen Lehrlingsausbildung kompetenter Partner der Industrie zu sein.

Die geeignete Ausrichtung auf der Bauplattform ermöglicht es, mit wenig Stützstrukturen auszukommen.
Ein Gipsmodell ermöglicht eine schnelle Beurteilung des Konzeptansatzes. Anschließend erfolgt die additive Herstellung im Zielwerkstoff, die zerspanende Nachbearbeitung und schließlich die Montage des Ventilblocks.
Die TruPrint 3000 und die Entpackstation (links im Bild) bilden ein geschlossenes Anlagenkonzept, das einen einfachen Materialwechsel erlaubt.
V.l.n.r. Reinhard Brandstetter, Bosch Rexroth; Aziz Huskic, FH-Wels; Erwin Haslinger, Trumpf


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