Laserstrahlschmelzen im Schweißwerkzeugbau

Beim SLM-Verfahren wird standardmäßig feines Metallpulver mit Korngrößen von 30 µm bis 50 µm am Bearbeitungspunkt über einen hochenergetischen Faserlaser aufgeschmolzen und homogen miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, eine weitestgehend poren- und rissfreie Struktur aufzubauen. Theoretisch können somit Bauteile mit 100%-iger Dichte des Ausgangsmaterials hergestellt werden. Das Hauptziel des Projektes bestand darin, Sonotroden- und Boostervarianten aus verschiedenen Materialien über das SLM-Verfahren herzustellen (siehe Abbildung 1) und die Eignung des Fertigungsverfahrens über Dauertests unter Ultraschalleinfluss nachzuweisen.

Am Anfang der anwendungstechnischen Untersuchungen wurde der Einfluss des verwendeten Sonotrodenwerkstoffes sowie der Fertigungsrichtung bezüglich der mechanischen Kenngrößen, des Schwingverhaltens und der Dauerschwingfestigkeit untersucht. Das Ergebnis der Untersuchungen verdeutlichte das anisotrope Verhalten strahlgeschmolzener Bauteile bezüglich der Festigkeitswerte.

Ein weiterer wichtiger Aspekt aus verarbeitungstechnischer Sicht beim Schweißen von Formteilen aus Hochtemperatur-Kunststoffen ist die Notwendigkeit, dass Schweißwerkzeuge beheizt oder gekühlt werden müssen. Um die Kühlbohrungen sinnvoll und effektiv in das Schweißwerkzeug zu legen, sind häufig umständliche und fertigungsintensive Schritte notwendig. Mit dem Ansatz der SLM-Fertigung, und der damit verbundenen freien Geometriegestaltung bezüglich der Kühl- oder Heizgeometrie, konnten funktionstüchtige Sonotroden gebaut werden.

Weiterführende Untersuchungen beschäftigten sich mit der Fragestellung der Dauerschwingfestigkeit. Da eine fertigungsbedingte große Oberflächenrauheit über den Kühl- und Heizbohrungen im Inneren der Sonotrode Ausgangspunkte für Mikrorisse sein und damit zur „schleichenden“ Schädigung der Sonotrode führen könnte, wurden in einer großen Wiederholanzahl Schwingversuche durchgeführt. So konnten für eine große Anzahl an Sonotroden und Booster, mit jeweils über 500.000 Schwingzyklen ohne Schädigung, die Dauerschwingfestigkeit nachgewiesen werden. Aus der Sicht der Anwendbarkeit des SLM-Verfahrens spielten nicht nur die neuen Gestaltungsmöglichkeiten sondern auch die Fertigungskosten eine übergeordnete Rolle. Eine Variante die Fertigungskosten zu minimieren, stellt das Aufsetzen von SLM-Geometrien auf vorgefertigte Halbzeuge dar (siehe Abbildung 4). Diese Technologie wurde erstmals an Sonotroden erprobt.

Ein Highlight in der Anwendung der SLM-Fertigung im Schweißwerkzeugbau bestand in der Weiterentwicklung und im Bau eines im KUZ patentierten Kühlboosters (siehe Abbildung 5). Solch ein Kühlbooster besitzt grundlegend die Hauptaufgabe, den Wärmefluss zwischen heißer Sonotrode und dem wärmeempfindlichen Konverter zu unterbinden. Für die Verteilung der Kühlluft werden in dem Booster filigrane Kühlbohrungen eingebracht. Das SLM-Verfahren stellt dafür eine Alternative dar, da der Fertigungsaufwand der zum Teil unter 1 mm liegenden Bohrungsdurchmesser sehr hoch ist. Hinzu kommt die erschwerte Bearbeitung des zähen Werkstoffes Titan.

Die über das SLM-Verfahren hergestellten Booster wurden in ihrem Schwingverhalten und in ihrer Kühleffizienz untersucht und für den Praxiseinsatz bestätigt.