So vervielfachen Sie die Standzeit 3D-gedruckter Teile

Zum Jahreswechsel 2019/2020 wurde das Unternehmen Maximator beauftragt, mehrere Berstdruckprüfungen mit additiv gefertigten Bauteilen durchzuführen. Im Zuge dieser Dienstleistungen fiel den Mitarbeitern das große Potenzial der Autofrettage für additiv gefertigte, innendruckbelastete Bauteile auf, zu denen beispielsweise auch hydraulische Komponenten gehören.

Möglicherweise ließe sich hier ein neues Geschäftsfeld erschließen, so die Überlegung im Unternehmen. Denn bisher autofrettierte das Unternehmen hauptsächlich Dieseleinspritzsysteme – eine Technik, bei der auf lange Sicht mit abnehmender Nachfrage zu rechnen ist. Damit war die Idee für ein internes Entwicklungsprojekt geboren. Mit Bionic Production fand sich ein Partner, der die additiv gedruckten Prototypen herstellen würde.

Gemeinsam konzipierten die Firmen als Prototypen zwei Varianten eines Kreuzstücks, von denen Bionic Production dann auf einer Maschine vom Typ M2 Cusing Multilaser (Hersteller Concept Laser) jeweils vier Exemplare herstellte. Bei der Fertigung arbeitet dieses Modell parallel mit zwei Lasern und erreicht auf diese Weise hohe Aufbauraten. So benötigte es für die acht Bauteile weniger als 48 Stunden, was allerdings auch an den Prozessparametern liegt, die das Unternehmen aufgrund von Erfahrungswerten optimiert hat.

Nach der Herstellung autofrettierte Maximator sechs der acht Bauteile. Das heißt, diese Bauteile wurden einem starken Innendruck ausgesetzt, der weit über dem späteren Betriebsdruck liegt. In diesem Fall waren es 17.000 Bar. Ein Teil der Außenwand (innenliegende Zone) wird dabei plastisch verformt; der außenliegende Teil hingegen wird nur elastisch verformt. Nach dem Entspannen entstehen bei der innenliegenden Zone Druckeigenspannungen, was die äußere Zone daran hindert, ihre ursprüng­liche Form wiederzuerlangen. Sie bleibt elastisch gedehnt. Das Ergebnis einer Autofrettage ist, dass Bauteile deutlich haltbarer sind und entweder länger oder bei höheren Drücken eingesetzt werden können.

Anschließend unterzog das Unternehmen alle acht Kreuzstücke einer hydraulischen Lebensdauerprüfung mit einer maximalen Druckschwingbreite von 5.000 Bar und einer Frequenz von zehn Hertz. Zusätzlich prüfte das Unternehmen unter gleichen Bedingungen konventionell gefertigte Kreuzstücke. Das Ergebnis überraschte die Beteiligten:

• Die Standzeit der additiv gefertigten Bauteile hatte sich durch die Autofrettage um den Faktor 10 erhöht (400.000 Lastzyklen statt 40.000). Bei einem Bauteil erhöhte sich die Lebensdauer sogar um den Faktor 200!
  
  
• Die gedruckten und autofrettierten Bauteile erreichen im Vergleich mit konventionell gefertigten Bauteilen (ohne Autofrettage) gleiche oder sogar höhere Standzeiten.

„Mit diesen Ergebnissen können wir auf Kunden zugehen und an einem konkreten Beispiel zeigen, welche Effekte die Autofrettage bei 3D-gedruckten, innenbelasteten Bauteilen hat“, erklärt Markus Wedemeyer, Leiter der Forschung und Entwicklung im Unternehmen. Die Veredelungstechnik kommt bei additiv gefertigten Teilen als Lösung für das Problem zu geringer Standzeiten infrage, kann aber auch eingesetzt werden, um bei gleichbleibender Bauteilqualität die Wandstärke (und damit das Gewicht) zu verringern, den additiven Herstellungsprozess zu beschleunigen oder auf ein anderes Material umzusteigen. Vor- und Nachteile gegenüber anderen Veredelungstechniken müssen im Einzelfall abgewogen werden.

Wedemeyer sieht keine Probleme darin, die Technik für additiv gefertigte Hydraulikkomponenten mit ihren teils komplexen Strukturen anzuwenden. „Wir setzen die Autofrettage in der Common-Rail-Technik für die Rails, die Rohrleitungen und die Injektoren ein – Injektoren sind im Prinzip ja Ventile. Und in der konventionellen Fertigung wird die Technik auch bereits für Hydraulikkomponenten verwendet.“

Das Unternehmen plant in Zukunft, weiterreichende Services im Bereich 3D-Druck anzubieten. „Wir wollen auch Firmen ansprechen, die sich additive Fertigung und Veredelung aus einer Hand wünschen. In diesem Fall würden wir zusätzlich die Kommunikation mit dem 3D-Druckerhersteller übernehmen, dafür sorgen, dass Absprachen stattfinden und das fertige, veredelte Bauteil liefern.“ Auch beim Verkauf von Autofrettage-Anlagen für die Behandlung additiv gefertigter Teile sieht der Entwicklungsleiter Perspektiven für das Unternehmen.