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Additive Manufacturing (AM) in Automotive
Additives Redesign eines Ölkopfs: Kleines Teil – große Wirkung

  • Redesign mit AM: 3D-Ölkopf bei Bosch
  • 3D-gedrucktes Produktionswerkzeug mit verbesserter Schmierfunktion

Lichtenfels (Deutschland), 2. Februar 2018 – Überraschende Bauteillösungen sind in der Welt der Fertigung nicht ungewöhnlich. Wie sehr sie jedoch unsere bisherige Sicht auf die Fertigung umkrempeln, zeigt sich an einem kleinen 3D-Metalldruckteil bei Bosch in Bamberg. In der Montage von Common Rail-Injektoren (CRI) wurde ein konventionell zerspantes Teil durch ein Metalldruckteil ersetzt. Das Objekt: ein neuer Ölkopf, der ein Gewinde mit Öl benetzt, um den anschließenden Verbau zweier Komponenten zu optimieren. Wir sahen sehr anschaulich, was sich hinter dem Schlagwort Redesign durch AM verbirgt.

Konventionell versus AM – „Sieg nach Punkten“ für die neue Sicht auf das Konstruieren könnte das Motto der Geschichte eines 3D-Ölkopfs lauten. Zwei Mitarbeiter der Common Rail-Injektor-Produktion erzählten uns diese ungewöhnliche Geschichte. Warum man den Weg einer konventionellen Metalllösung nun verließ und auf AM umschwenkte? Wolfgang Schliebitz, Fertigungsplaner, und Dr.-Ing. Anna Ebert, Prozessexpertin bei Bosch in Bamberg, waren so mutig, sich auf das Abenteuer AM einzulassen. Nachdem der 3D-Ölkopf im Leitwerk Bamberg der CRI-Produktion bei Bosch überzeugte, wurde das Bauteil nun auch in den anderen vier Werken Korea, Türkei, Deutschland und Frankreich eingeführt.

Die konventionelle Lösung
Für neuere Generationen von Injektoren, mit anderen Oberflächeneigenschaften, wurde es zunehmend wichtiger, das Gewinde auch am Außendurchmesser zu schmieren, um Reibung während des Prozesses zu verhindern. Das klingt erst einmal simpel, ist aber in Bezug auf Reibung und Platzierung eine heikle Aufgabe. Läuft im Prozess das Drehmoment aus dem Toleranzfenster, kommt es zum Verwerfen des Injektors. Dr.-Ing. Anna Ebert untersuchte den Ölprozess in der CRI-Montagelinie genau. Die Diagnose: Das Gewinde wurde nur an der oberen Gewindegeometrie, nicht aber an der unteren Seite mit Öl benetzt. Es gab also Totstellen der Schmierung. Ein in seiner Schmierung verbesserter Ölkopf führte in der ersten Konstruktion zu einem 3- oder 4-teiligen Bauteil aus der Zerspanung. Dieser Weg wurde wegen des zu großen Aufwandes zu komplex.

Redesign des Ölkopfs
Im Netzwerk von Bosch, im Werk Nürnberg, gibt es bereits einen 3D-Drucker von Concept Laser, eine M2 cusing. Der eher kleine Ölkopf verlangte jedoch nach einer kleineren Maschine. So fand man den Weg direkt zum Hersteller in Lichtenfels und fragte als Dienstleistung ein Redesign und die Fertigung einer kleineren Anzahl von Ölköpfen an. Mit den Konstruktions- und Fertigungsexperten bei Concept Laser suchten Wolfgang Schliebitz und Dr.-Ing. Anna Ebert nach einer fertigungsgerechten Lösung aus dem 3D-Drucker. Das Ergebnis war dann eine Kombination aus neuer Geometrie der Ölkanäle, neuem Werkstoff und Laserschmelzanlage mit richtigen Parametern – und dies alles, wie üblich, in der One-Shot-Technik, die das Laserschmelzen bietet.

Ölkopf 2.0: Neue Lösung in einem Schuss
Das Material des neuen Ölkopfs sollte hochfest und natürlich rostfrei sein. Concept Laser entschied sich für CoCr als Material, dazu eine kleine Mlab cusing als Produktionsmaschine, wie sie gerne für sehr filigrane Teile mit einem 100W-Laser einsetzt wird. Spannend war dann vor allem das Redesign der Ölkanäle, um die Benetzung des Gewindes zu optimieren. Derartige Funktionsintegrationen sind den AM-Spezialisten vor allem als Transportkanäle von Kühlmitteln vertraut. Bei Concept Laser wurde das konventionelle Bauteil einer Bewertung unterzogen. Dem folgte Reengineering – die Analyse und Umsetzung in eine verfahrensgerechte Konstruktion. Schon nach sehr kurzer Zeit lieferte Concept Laser einen neuen Ölkopf zu Bosch nach Bamberg aus. Wolfgang Schliebitz: „Der neue Ölkopf sah anders aus. Kleiner und kompakter. Aber wirklich überraschend war im Probetrieb die Auswirkung auf unseren Prozess.“ Dr.-Ing. Anna Ebert: „Die Prozessschwankungen wurden sichtbar geglättet. Der 3D-Ölkopf konnte viel besser Öl an die richtige Stelle und in der gewünschten Menge einbringen. Ausschlaggebend dafür waren die optimierten Ölkanäle. Sie gewährleisteten eine Benetzung mit Öl nicht wie bisher nur an der Oberseite des Gewindes, sondern eben auch an der Unterseite. Die für uns bisher normalen Totstellen der Schmierung gab es mit dem AM-Teil nicht mehr.“

Die Idee für einen additiv gefertigten Ölkopf:

  • Filigranes Redesign: Funktionsintegration von verbesserten Schmierstoffkanälen,
  • umfassende Schmierung von Innen- und Außengewinde,
  • Fertigung in einem Schuss,
  • kein Montageaufwand,
  • CoCr-Lösung,
  • Fertigung auf einer Mlab cusing von Concept Laser in der 100W-Laserklasse,
  • deutlich reduzierte Entwicklungszeiten und -kosten,
  • keine Werkzeugkosten und weniger Abfall.

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Hinweise für Redakteure

Über Concept Laser
Die im Jahr 2000 von Frank Herzog gegründete Concept Laser GmbH gehört zu den weltweit führenden Anbietern von Maschinen- und Anlagentechnik für den 3D-Druck von Metallbauteilen. Seit Dezember 2016 ist Concept Laser Teil von GE Additive, einer Sparte des weltweit führenden digitalen Industrieunternehmens General Electric (GE). GE Additive wurde 2016 gegründet und erwarb u. a. 75 % der Unternehmensanteile von Concept Laser.

Technologietreiber ist das von Concept Laser patentierte LaserCUSING®-Verfahren. Das pulverbettbasierte Laserschmelzen von Metallen erschließt neue Freiheiten bei der Formgebung von Komponenten und erlaubt die werkzeuglose, wirtschaftliche Fertigung hochkomplexer Bauteile in kleineren Losgrößen. Die Kunden des Unternehmens kommen aus zahlreichen Branchen, wie z.B. der Medizin- und Dentaltechnik, der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Werkzeug- und Formenbau, der Automobilindustrie und der Uhren- und Schmuckindustrie. Die 3D-Metalldrucker von Concept Laser verarbeiten u.a. Pulverwerkstoffe aus Edelstahl und Warmarbeitsstählen, Aluminium- und Titanlegierungen sowie – für die Schmuckherstellung – Edelmetallen.

GE Additive bietet, neben erstklassigen additiven Fertigungsanlagen, unter anderem von Concept Laser, auch Materialien und weitreichende Entwicklungsberatung für unterschiedlichste Branchen an. GE Additive verfolgt dabei zielstrebig die Weiterentwicklung und Transformation des industriellen Bereichs mit software-definierten Anlagen sowie vernetzten, adaptierfähigen und vorausschauenden Lösungen.

Hintergrundinformationen LaserCUSING®
Stichwort: LaserCUSING®

Mit dem patentierten LaserCUSING®-Verfahren von Concept Laser werden mechanisch und thermisch belastbare metallische Bauteile mit hoher Präzision erstellt. Der Begriff LaserCUSING®, zusammengesetzt aus dem C von Concept Laser und dem englischen FUSING (vollständig aufschmelzen), beschreibt die Technologie: Das Schmelzverfahren generiert Schicht für Schicht Bauteile unter Verwendung von 3D-CAD- Daten.

Dabei wird feines pulverförmiges Metall durch einen hochenergetischen Faserlaser lokal aufgeschmolzen. Nach dem Erkalten verfestigt sich das Material. Die Bauteilkontur wird durch Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit (Scanner) erzeugt. Der Aufbau des Bauteils erfolgt Schicht für Schicht (mit einer Schichtstärke von 15–500 μm) durch Absenkung des Bauraumbodens, Neuauftrag von Pulver und erneutem Schmelzen.

Die Besonderheit der Anlagen von Concept Laser ist eine stochastische Ansteuerung der Slice-Segmente (auch „Islands“ genannt), die sukzessive abgearbeitet werden. Das patentierte Verfahren sorgt für eine signifikante Reduzierung von Spannungen bei der Herstellung von sehr großen Bauteilen.

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