Platten-Press-Löten für die Herstellung großer metallischer Werkzeuge

Die Grundlage der neuen Fertigungstechnologie ist eine sehr effektive Erwärmungsmethode, genannt Kontakterwärmung (Abbildung 1). Kontakterwärmung ist ein innovatives Konzept zur Wärmebehandlung von Metallblech. Während des Prozesses dienen zwei massive Stahlplatten (Kontaktplatten) als Wärmequelle für einen definierten Energieeintrag in das Metallblech. Durch thermische Isolation von der Umgebung mittels keramischer Ummantelung stellen die Kontaktplatten einen konstant temperierten Energiespeicher dar. Die Erwärmung des Metallblechs erfolgt durch einen direkten Kontakt mit den Kontaktplatten. Ein Schließmechanismus bringt die notwendige Kraft auf um eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen dem Blech und den Kontaktplatten und somit eine optimale Wärmeübertragung sicherzustellen. Verglichen mit konventionellem Heißpressen liegt der Hauptunterschied in der erhöhten Temperatur (ca. 1000 °C) der Kontaktplatten.

Abbildung 1: Prinzipskizze der Kontakterwärmung

Die prinzipielle Idee hinter PPL ist das Hartlöten eines Metallblechpakets durch die beschriebene Kontakterwärmung (Abbildung 2). Die Bleche können dabei unterschiedlicher Stärke sein und müssen mit Lot beschichtet werden. Abhängig vom Grundwerkstoff der Bleche muss ein entsprechend geeigneter Lotwerkstoff verwendet werden um die bestmögliche Verbindungsqualität zu erreichen. Verglichen mit Schweißprozessen bietet das Hartlöten erheblich mehr Freiheiten bezüglich der Auswahl der zu fügenden Grundwerkstoffe.

Abbildung 2: Schema des PPL-Prozesses

Durch die Kontakterwärmung lässt sich ein gleichmäßiger Energieeintrag in das Blechpaket realisieren und die Temperaturführung ist gut kontrollierbar. Der Temperaturgradient zwischen den zwei Kontaktplatten ist während der Erwärmung nahezu eindimensional, was die Herstellung von Bauteilen ohne Eigenspannungen oder Verzüge ermöglicht (Abbildung 3).

Abbildung 3: Simulation des Temperaturgradienten im Blechpaket

Platten-Press-Löten ist ein hybrides Fertigungsverfahren, welches die Vorteile von konventioneller (subtraktiv) und additiver Fertigung kombiniert. Um Herstellungszeiten zu reduzieren bietet es sich an, dickere Metallplatten anstelle von dünnen Blechen zu verwenden.

Ähnlich den additiven Verfahren beginnt der Prozess mit der Zerlegung (Slicing) eines dreidimensionalen CAD-Modells mit inneren Geometrien in Schichten entsprechend den Dicken der später zu verwendenden Metallplatten. Die inneren Geometrien werden zunächst aus den jeweiligen Platten ausgefräst. Anschließend werden die Platten von beiden Seiten durch Lichtbogenspritzen mit Lot beschichtet. Um eine ausreichende Haftung der Lotschichten auf den Metallplatten zu gewährleisten, müssen diese zuvor durch Sandstrahlen aufgeraut werden. Um oberflächliche Oxide zu reduzieren folgt darauf die Beschichtung der Platten mit Flussmittel. Abschließend werden die Platten passgenau gestapelt und durch Kontakterwärmung gefügt.

Der entstehende Block muss nach dem Fügen entsprechend der gewünschten Außengeometrie nachbearbeitet werden. Abbildung 4 zeigt eine vereinfachte Darstellung der PPL-Prozesskette.

Abbildung 4: Prozesskette des PPL-Verfahrens

Bei der Auswahl der in Frage kommenden Lotwerkstoffe werden zunächst die erreichbaren mechanischen Eigenschaften von Cu- und Ag-Lotpasten untersucht. Die hergestellten Proben werden anhand von Biegeversuchen charakterisiert (Abbildung 5). Die Ergebnisse zeigen eine gegenüber dem Grundwerkstoff nur geringfügig reduzierte Biegefestigkeit. Die gefügten Proben zeigen eine weitaus geringere Bruchdehnung verglichen mit dem Grundwerkstoff. Aufgrund der höheren Bruchdehnung der Cu-Lotpaste im Vergleich zur Ag-Lotpaste wird letztere als unzureichend für die gewünschte Anwendung der gefügten Metallplatten eingestuft. Alle weiteren Untersuchungen erfolgen unter der Verwendung von Cu-basiertem Lotwerkstoff (MS63).

Abbildung 5: Vergleich der Biegeversuche zwischen Grundwerkstoff und Lotwerkstoffen

Erste Ergebnisse beim Fügen unter Standardparametern des verwendeten Lotwerkstoffs führen zu einer Verstopfung der inneren Kanäle (Abbildung 6, links). Überschüssiges Lot dringt dabei aufgrund des aufgebrachten Fügedrucks in die Kanäle ein. Eine weitere Konsequenz sind stark poröse Fügestellen aufgrund der unterschiedlichen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Lot und Grundwerkstoff (Abbildung 6, rechts).

Abbildung 6: Links: innere Kanäle gefüllt mit Lotwerkstoff; rechts: unerwünscht große Poren in der Fügestelle

Durch eine Reduzierung der aufgebrachten Lotmenge kann zwar die Verstopfung der Kanäle reduziert werden, die Porosität lässt sich dadurch jedoch nicht verringern (Abbildung 7).

Abbildung 7: Einfluss der Schichtstärke des aufgebrachten Lots auf die Verstopfung der inneren Kanäle

Betrachtet man die Querschliffe der gefügten Proben wird eine zunehmende Porosität mit sinkender Schichtstärke des aufgebrachten Lots erkennbar (Abbildung 8). Die mechanischen Eigenschaften der so gefügten Platten entsprechen dadurch nicht den gestellten Einsatzanforderungen für Spritzgusswerkzeuge.

Abbildung 8: Einfluss der Lotschichtstärke (links: 120 µm; rechts: 160 µm) auf die Ausbildung von Poren

Um beide Herausforderungen zu meistern, erfolgt eine Anpassung der Prozessparameter, um die gewünschte Mikrostruktur zu erreichen. Folglich wird die Porosität ausreichend reduziert und ein Verstopfen der inneren Kanäle durch überschüssiges Lot verhindert (Abbildung 9). Die derart hergestellten Werkzeugeinsätze zeigen ausreichende mechanische Eigenschaften zur Verwendung im Spritzguss.

Abbildung 9: Links: innere Kanäle frei von Lotwerkstoff; rechts: keine großen Poren in den Fügestellen

Abbildung 10 zeigt eine REM-Aufnahme einer stoffschlüssigen Lotverbindung. Die wenigen verbleibenden Poren sind kleiner als 10 µm und gleichmäßig über die Fügezone verteilt. Die Aufnahme bei höherer Vergrößerung deutet auf die Ausbildung einer Diffusionszone zwischen Grund- und Lotwerkstoff hin.

Abbildung 10: REM-Aufnahme einer Stoffschlüssigen Lotverbindung bei unterschiedlichen Vergrößerungen

Diese Annahme wird durch eine Linienanalyse der Elementkonzentration mittels EDX-Untersuchung bestätigt (Abbildung 11). Der Beginn der Linienanalyse liegt im Grundwerkstoff und zeigt einen hohen Gehalt an Fe aufgrund des verwendeten Werkzeugstahls 1.2343. Am Interface nimmt die Fe-Konzentration graduell ab, während die Cu- und Zn-Konzentrationen zunehmen. Nach dem Interface fällt der Fe-Gehalt auf nahezu null ab, die Cu- und Zn-Gehalte erreichen hier die Zusammensetzung des verwendeten Lotwerkstoffs MS63. Die Ausdehnung der Diffusionszone kann somit auf etwa 5 bis 10 µm abgeschätzt werden.

Abbildung 11: Elementkonzentration quer zum Interface

Wie eingangs erwähnt, ist eine vielversprechende Anwendungsmöglichkeit des neuen Fertigungsverfahrens die Herstellung von Werkzeugeinsätzen für den Polymer-Spritzguss.

Um die Vorteile der PPL-Werkzeugeinsätze zu demonstrieren wird ein konventionell gefertigter Einsatz mit einem PPL-Einsatz mit konturnahem Temperiersystem verglichen (Abbildung 12).

Abbildung 12: links: CAD-Modell des PPL Werkzeugeinsatzes mit konturnahem Temperiersystem; rechts: Hergestellter PPL-Werkzeugeinsatz

Abbildung 13 zeigt die resultierende Bauteilqualität bei der angegebenen Zykluszeit. Die minimal mögliche Zykluszeit um eine ausreichende Formstabilität zu erreichen liegt bei dem PPL-Einsatz bei 5 Sekunden. Eine identische Zykluszeit führt bei dem konventionellen Einsatz zu ungenügender Kühlung der Polymermasse und somit starker Deformation des zu fertigenden Bauteils. Die Zykluszeit zur Herstellung eines Bauteils ausreichender Qualität beträgt bei dem konventionellen Einsatz 10 Sekunden.

Abbildung 13: Zykluszeiten der konventionellen und PPL Werkzeugeinsätze