3D-gedruckter Steuerblock, Bild: Tries

Im DMP-Projekt arbeitete Tries an einem 3D-gedruckten Steuerblock. Trotz Leistungssteigerung und Gewichtsreduzierung ist das DMP-Verfahren ohne Nachbearbeitung für hydraulische Steuerblöcke nicht sinnvoll. Bild: Tries

Direkt Metal Printing, kurz DMP. Ein Verfahren, dass für die hydraulische Bauteilproduktion gut geeignet wäre. Hier wird ein Hochpräzisionslaser auf Metallpulverartikel gerichtet, um selektiv nacheinander dünne horizontale Metallschichten aufzubauen. Das Unternehmen Tries hat bereits vor einigen Jahren begonnen, die Grenzen des DMP in der hydraulischen Steuerblockfertigung herauszufinden. Die sich ergebenden Vorteile für die Strömungsverhältnisse und das Leistungsgewicht liegen auf der Hand. Vor allem in der Mobil- als auch Luft- und Raumfahrthydraulik spielt Gewichtsreduzierung eine entscheidende Rolle. Die Anstrengungen der Hersteller, entsprechende Achslasten zu unterschreiten oder durch verringertes Gewicht eine höhere Zuladung zu erreichen, kann das 3D-Druck-Verfahren entscheidend und positiv beeinflussen.

Schon die Entwicklung additiv gefertigter Bauteile stellt eine gewisse Umgewöhnung zum herkömmlichen Konstruieren hydraulischer Bauteile dar. Die nahezu grenzenlosen Möglichkeiten, Ventile in einem Steuerblock ideal zu verknüpfen und zusätzlich Stützstrukturen sinnvoll einzubeziehen, stellen die Ingenieure vor Herausforderungen. Auch die eigentliche Position im Drucker muss beachtet werden, um zum einen möglichst viel Bauteile gleichzeitig fertigen zu können, und zum anderen möglichst wenig zusätzliche Strukturen anzubringen.

Blick über den Tellerrand

Eine kleine Geschichte des 3D-Drucks

1982 beschrieb Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute in Japan als Erster die Erstellung eines gedruckten Festkörpers. 1983 hat Charles „Chuck“ Hull das Fertigungsverfahren Stereolithographie erfunden. Im Falle der Stereolithographie wird ein lichtaushärtender Kunststoff von einem Laser in dünnen Schichten ausgehärtet. 1984 hat Hull zu seiner Erfindung des Verfahrens bereits einen Apparat entwickelt, den Stereolithographie-Apparat (SLA), den er noch im gleichen Jahr zum Patent anmeldete. Nachdem ihm dieses 1986 erteilt wurde, stand der Unternehmensgründung von 3D Systems nichts mehr im Wege.1989 erfindet S. Scott Crump durch das Mischen von Wachs und Kunststoff in der Küche seiner Familie das Verfahren FDM – das Fused Deposition Modeling. Ein Raster von Punkten wird auf eine Fläche aufgetragen.

3D-Projekt Steuerblock

Steuerblockmodell, Bild: Tries
Im gedruckten Steuerblockmodell verhindern Stützstrukturen die Verformung des Bauteils. Bild: Tries

In einem Pilotprojekt hat die Firma Tries einen bestehenden Steuerblock additiv gefertigt. Grundlage ist ein Steuerblock für die Spulhilfe an einem Mobilkran. Die Randbedingungen liegen bei 25 MPa sowie 25 l/min und Temperaturen von -30 °C bis +80 °C. Der Steuerblock wurde mithilfe einer Simulationssoftware auf das minimal Nötige reduziert. Dabei mussten die Konstrukteure auf optimale Strömungsquerschnitte achten. Die neu geschaffenen „Leerräume“ konnten nun neu gefüllt werden; Teile wurden bestmöglich miteinander verknüpft und die Baumaße der Komponente schrumpften. Nach dem fertigen Design mussten die Konstrukteure die technischen Rahmenbedingungen festlegen. Denn Baurichtung, Bauplattformtemperaturen sowie Nachbehandlungen müssen beim 3D-Druck genauso berücksichtigt werden wie die Geschwindigkeit des Lasers. Laserleistung und Geschwindigkeit stehen im direkten Zusammenhang zur Dichte beziehungsweise der Porosität im fertigen Modell. Wichtige Eigenschaften für einen Steuerblock im Einsatz in mobilen Maschinen.

Entscheidend für die Positionierung des Schichtmodells auf der Bauplattform der Fertigungsanlage sind vor allem die benötigten Stützstrukturen. Diese verhindern, dass sich das Bauteil aufgrund der Eigenspannung verformt. Die entsteht durch kurze Laser-Hitzephasen am Material. Nach dem Druck müssen die Stützstrukturen entfernt werden. Daher achteten die Konstrukteure darauf, dass alle Stützstrukturen leicht zugänglich und nicht im Innenraum des Steuerblocks eingeplant waren.

Wurden die Stützstrukturen entfernt, beginnt die konventionelle Fertigung. Anschlussgewinde und Aufnahmebohrungen für die benötigten Ventile müssen nachgearbeitet werden. Denn Oberflächen, wie man sie in der Hydraulik benötigt, gelten auch als Dichtflächen. Und diese kann ein 3D-Drucker zum jetzigen Stand noch nicht herstellen. Nach zwölf Stunden Druckzeit, Wärmebehandlung, Entfernung der Stützstrukturen, Bearbeitung der Gewinde sowie hydraulischen Dichtflächen und Montage der Ventile ist der DMP-gefertigte hydraulische Steuerblock fertig.

Mit diesen Entwicklungsschritten konnte das Gewicht des Aluminiumblocks um 40 Prozent reduziert werden. Ein konventioneller Steuerblock mit den Maßen 136 mm x 92 mm x 98 mm wiegt drei Kilogramm. Der additive Steuerblock hat die Maße 115 mm x 92 mm x 98 mm und wiegt 1,6 Kilogramm. Gleichzeitig wurde der maximale Ölvolumendurchfluss um zwölf Prozent erhöht, von 25 auf 28 l/min. Dieser Wert ist geringer als zunächst erwartet, weil der verbesserten Geometrie der gedruckten Öffnungen die bessere Oberfläche gebohrter Öffnungen gegenübersteht.

Besonders hervorzuheben ist, dass die Dauerfestigkeit des additiv gefertigten Aluminium-Steuerblocks keine negative Änderung erfahren hat. Beide Varianten kommen dauerhaft mit einem Arbeitsdruck von bis zu 250 bar zurecht. Nach bis jetzt 450.000 Zyklen im Dauerversuch bei einem Druck von 25 MPa und einer Druckanstiegsgeschwindigkeit von 25 kbar/sec können keine Unterschiede zum Ursprungsblock festgestellt werden. Mittlerweile sind einige Kleinserien und Entwicklungsprojekte mit ähnlichen positiven Werten hinzugekommen. So konnten etwaige Kinderkrankheiten beseitigt und entsprechende Qualitätsanforderungen bestätigt werden.

Aufwand und Kosten noch relativ hoch

Grafik Vergleich Steuerblock und 3D-gedruckter Steuerblock, Bild: Tries
Sowohl der konventionell als auch der additiv gefertigte Steuerblock kommen dauerhaft mit einem Arbeitsdruck von 250 bar zurecht. Bild: Tries

Neben den hohen Kosten hat das DMP-Verfahren noch andere Nachteile. Funktionsfähige Prototypen im DMP-Verfahren sind ohne Nachbearbeitung noch nicht einsatzfähig. Anschlussgewinde, Dichtflächen und Ventilaufnahmen müssen entsprechend feingeschliffen werden. Stützstrukturen müssen entfernt werden und aufgrund der auftretenden Eigenspannungen ist ein thermisches Nachbearbeiten notwendig. Doch auch an diesen Punkten ist die Entwicklung bei Herstellern und Anbietern entsprechend rasant.

Die Zukunft dieses Fertigungsverfahrens steht und fällt vor allem mit der Kostensituation. Je schneller die Druckzeiten werden und je mehr Funktionalität in den Steuerblock eingearbeitet werden kann, je eher ergeben sich finanzielle Vorteile. Langfristig muss es das Ziel sein, einen einbaufertigen hydraulischen Steuerblock zu generieren. Doch hier haben Entwicklungspartner und Hersteller noch einige Aufgaben zu lösen, welche jedoch beim aktuellen Fortschritt in nicht allzu weiter Zukunft erreicht werden können. hei

 

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