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Das MPA Auftragsverfahren ist eine Variante des sogenann-ten Kaltgasspritzens, das hauptsächlich zur Beschich-

tung von Oberflächen eingesetzt wird. Kernstück ist dabei eine Lavaldüse, in der aus einem Gasstrom so viel Energie auf die Pulverpartikel übertragen wird, dass sie beim Aufprall auf einem Substrat haften bleiben. Bei der MPA Technologie werden

die Metallpulver mit Hilfe von Stickstoff als Trägergas zur Düse der Auftragsein-heit transportiert. Dort wird in einer Mischzone überhitzter Wasserdampf als Energieträger zugeführt. Beim Durchlauf durch die Düse überträgt dieser ausrei-chend Energie auf die Pulverpartikel, die dabei sowohl erhitzt, als auch auf mehr-fache Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Am Auftreffpunkt des Pulver-

Gas-Strahls werden sowohl die Pulverpar-tikel als auch die Substratoberfläche stark plastisch verformt (Bild 1). Besonders an den jeweiligen Oberflächen findet unter hohen lokalen Drücken und Temperaturen eine starke Streckung des Materials statt. Die Schichthaftung entsteht dabei durch wechselseitige Anpassung der jeweiligen Oberflächen.Neben der Möglichkeit, mit dem Spritz-verfahren eine Vielzahl unterschiedlicher Metalle aufzutragen, liegt der Schlüssel zur generativen Fertigung von Bauteilen in einem speziellen Material zum Verfül-len innenliegender Geometrien wie zum Beispiel von Kühlkanälen. Dieses Material wird gleichfalls mit dem MPA Verfahren aufgetragen, lässt sich gut zerspanen und ist wasserlöslich. Als temporäre Hohl-raumfüllung dient es als stabiles Substrat für den Auftrag vom Metallschichten und kann zum Ende des Fertigungsprozesses rückstandslos ausgelöst werden.

Ein hybrides Verfahren - Materialauftrag und Zerspanung geschickt kombiniert

Beim Materialauftrag mit dem MPA-Ver-fahren muss der aus der Düse austretende Pulverstrahl mit hoher Geschwindigkeit und Dynamik über das Substrat bewegt werden. Bei Hermle wurde die Auftrags-einheit daher in den Z-Schlitten eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums integriert (Bild 2). Mit der Ausrichtung der Düse parallel zur Werkzeugspindel ist dabei nahezu der gesamte Arbeitsraum für den Pulverauftrag zugänglich. Gleichzeitig kann das jeweilige Bauteil über die Achsen des Dreh-Schwenk-Tisches dynamisch zur Düse orientiert werden. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, auf gekrümmten Freiformflächen eines bereits vorgefertig-ten Rohlings Material aufzubauen. Das hybride Maschinenkonzept erweitert die Fräsmaschine um die Möglichkeiten der additiven Fertigung. Materialauftrag und Zerspanung können so zu einem Fertigungsschema kombiniert werden, das die komplette Bauteilbearbeitung in der Maschine möglich macht. In Verbin-dung mit dem großen Arbeitsraum setzt die MPA Maschine dabei Maßstäbe. Sie erlaubt die generative Herstellung groß-volumiger Bauteile mit mehreren hundert Kilogramm Masse und mehr als 500 mm Durchmesser. Bedingt durch die Geometrie der Düse hat der Pulverstrahl beim Aufprall auf das

Kupfer additiv fertigen mit der Hermle MPA-TechnologieMPA Technologie – Auftrag von Metallpulver im

thermischen Spritzverfahren

Die Maschinenfabrik Berthold Hermle AG zählt zu den weltweit führenden Herstel-lern von Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren. Ergänzend zur Zerspanungs-technik investiert sie seit Jahren in die Entwicklung eines innovativen und viel-seitigen generativen Fertigungsverfahrens: die Hermle MPA Technologie. Dieses Verfahren steht für den Auftrag von Metallpulvern (MPA = Metall Pulver Auftrag) auf der Basis eines thermischen Spritzverfahrens, das speziell für den Aufbau groß-volumiger Bauteilkomponenten optimiert wurde. Im Gegensatz zu vielen anderen additiven Technologien kommt beim MPA Verfahren kein Laser zum Einsatz. Das Metallpulver wird vielmehr mittels eines Trägergases über eine Düse auf das Sub-strat aufgebracht. Weder die Pulverpartikel noch das Substrat werden bei diesem Prozess aufgeschmolzen. Dadurch werden typische, durch einen Schmelzprozess entstehende Probleme vermieden, sodass sich aufgrund der vergleichsweise gerin-ge Spannungen im Gefüge nahezu verzugsfreie Bauteile herstellen lassen.

Schmalisch, B.; Gebhart, W. (1)

Bild 1: Durch den Aufprall verformte Kupfer-Partikel

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Substrat einen Durchmesser von mehreren Millimetern. Durch Abfahren paralleler Auftragsbahnen wird damit ein flächiger Schichtaufbau erzielt. Die konkreten Kon-turen der Bauteilgeometrie werden stets durch Zerspanung erreicht, sei es durch vorgefräste Taschen oder Kanäle, die dann per Pulverauftrag gefüllt werden oder durch in Form fräsen des aufgetragenen Materials. Daher werden zur Fertigung von Bauteilen mit dem MPA Verfahren Materi-alauftrag und zerspanende Arbeitsschritte miteinander verflochten. Eine mögliche Vorgehensweise ist dabei die Zerlegung der Bauteilgeometrie in einen Stapel aufeinan-der folgender planparalleler Schichten. Für ein Bauteil aus Stahl mit einem integrier-ten Kühlkanal wird dabei in jeder Schicht zunächst flächig Material aufgetragen und mit einer anschließenden Zerspanung die Geometrie Kanals umgesetzt. Danach wird mit einem Füllmaterial das Kanalvolumen auf der vorbereiteten Geometrie aufgetra-gen. Eventuelle Hinterschneidungen der Kanalgeometrie können nun als Negativ-konturen in das Füllmaterial gefräst wer-den. Mit dem erneuten Auftrag von Stahl schließt sich das Schema und der Aufbau einer neuen Schicht des Modells beginnt. Da die Bauteilkonturen jeweils erst durch die Fräsbearbeitung definiert werden, ist die Dicke der einzelnen Schichten variabel: Der Materialaufbau erfolgt immer so weit, wie alle relevanten Konturen im Bauab-schnitt noch zur Zerspanung zugänglich sind. Das Maschinenkonzept bietet jedoch noch deutlich mehr als die Fertigung in einer

Folge von planen Schichten. Da die Aus-richtung der Bauteiloberfläche relativ zur Düse über die Schwenkachsen dynamisch variiert werden kann, ist der Material-aufbau nicht nur in der Ebene, sondern auch auf Freiformflächen möglich. Damit bietet es sich in vielen Fällen an, massive Rohlinge einzusetzen und diese nur an

den entsprechenden Stellen um additiv gefertigte Komponenten zu ergänzen. Einschränkungen in den möglichen Geo-metrien werden dabei durch die Größe des Spritzflecks, die Grenzen der Maschi-nendynamik sowie durch den Bauraum der Maschine festgelegt. Mit dem dyna-mischen 5-Achs-Materialauftrag redu-ziert sich das Fertigungsschema für viele Bauteile auf wenige Arbeitsschritte. Bild 3 zeigt die wesentlichen Etappen bei der Herstellung eines Bauteils mit oberflä-chennahem Kühlkanal. Ausgangspunkt ist ein Rohling mit bereits eingefrästem Kanal. Dieser wird im ersten Schritt ver-füllt (1). In einem Frässchritt wird nun überschüssiges Füllmaterial entfernt und die Oberfläche genau definiert (2), bevor auf die gesamte Fläche ein Stahlmantel aufgetragen wird (3). Nach dem Herauslö-sen des Füllmaterials aus dem Kanal kann das Bauteil in die endgültige Form gefräst werden.Ein weiteres Beispiel für einen Ferti-gungsablauf ist in Bild 4 dargestellt. Die Serie zeigt verschiedene Stadien der Fer-tigung einer Vorkammerbuchse für eine Spritzgussmaschine für Kunststoffe. Um anfallende Wärme im Werkzeug effektiv abführen zu können, wurde eine Reihe von

Bild 2: Mit der Integration der MPA Auftragseinheit wird das Bearbeitungszentrum um die Möglichkeiten der generativen Fertigung erweitert. Über den Dreh-Schwenk-Tisch ist auch ein Materialauftrag auf Freiformflächen oder ein radialer Aufbau bei rotierendem Bauteil möglich.

Bild 3: Werkzeug mit konturnaher Kühlung als CAD-Modell (oben links) und als reales Bauteil mit hochglanzpolierter Oberfläche (oben rechts). Die Bildfolge unten zeigt die wesentlichen Schritte der Fertigung des Werkzeugs, bei der der Kühlkanal auf einem vor-gefertigtem Rohling aufgebaut wird.

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Kupferelementen in die Buchse integriert. Bei der Herstellung werden zunächst in einen zylindrischen Rohling aus Stahl die entsprechenden Taschen gefräst. Zur Fül-lung mit Kupfer erfolgt der Materialauf-trag radial, d.h. während das Bauteil unter der Düse rotiert. Überschüssiges Material wird anschließend wieder heruntergefräst, bevor mit dem Auftrag des Stahlmantels begonnen wird. Nachdem das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, kann es abschließend in die gewünschte Form gefräst werden. Am Bild des fertigen Bauteilsegments ist die halbrunde Kon-tur eines außenliegenden Kühlkanals zu sehen. Das integrierte Kupfer sorgt nun für die Wärmeleitung aus der Werkzeugspitze zum Kanal.

Materialspektrum und Qualität der Gefüge

Mit der MPA Technologie wird durch Abfahren paralleler Auftragsbahnen ein flächiger Schichtaufbau erzielt. Die Qua-lität des Gefüges dieser Schicht hängt dabei von einer Reihe von Parametern ab. Neben den Auftragsparametern wie Gas-druck und Temperatur spielen auch die Eigenschaften des verwendeten Pulvers wie zum Beispiel Partikelgrößenvertei-lung oder -form eine wichtige Rolle. Um

immer ein einheitliches und optimales Gefüge zu erhalten, ist daher für jedes verwendete Metallpulver eine detaillierte Abstimmung der Prozessparameter not-wendig. Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Restporosität und eventuelle Einschlüsse werden in diesem Zuge in umfangreichen Versuchsreihen mit Referenzbauteilen bestimmt. Dabei gilt nahezu ohne Aus-

nahme: Erst nach einer Wärmebehand-lung des fertigen Bauteils wird ein den Anforderungen entsprechendes Gefüge erreicht. Dessen Kennwerte sind dafür dann auch nahezu identisch mit einem konventionell hergestellten Halbzeug.Für das MPA Verfahren steht mittlerweile ein recht breites Spektrum an Metallen zur Verfügung. Häufig zum Einsatz kommen

dabei vor allem Warmarbeitsstähle wie 1.2343, 1.2367 und 1.2083. Auch Kaltar-beitsstähle oder rostbeständige Edelstäh-le gehören ebenso zur Materialauswahl. Darüber hinaus können auch Schwerme-talle wie Reinkupfer oder Bronze aufgetra-gen werden.Eine besondere Rolle nimmt die Verar-beitung von reinem Kupfer ein. Der Bin-dungsmechanismus des MPA Verfahrens funktioniert bei Kupfer besonders gut, wodurch Aufbauraten bis zu 900 cm³ erreicht werden. Auch die Materialeigen-schaften liegen sehr nahe am Halbzeug. Gerade bei diesem Werkstoff erschließt sich sehr deutlich die Wirkung der Wär-mebehandlung (Bild 5). Darüber hin-aus hat auch die Herstellung des Pulvers selbst einen entscheidenden Einfluss auf bestimmte Kennwerte des additiv gefertigten Bauteiles, wie zum Beispiel

den Sauerstoffgehalt oder die elektrische Leitfähigkeit. Auswirkungen haben zum Beispiel die Art der Verdüsung oder die Partikelfraktion.

Anwendungen der MPA Technologie

Mit zunehmender Vielfalt bei den zur Verfügung stehenden Materialien hat sich auch das Anwendungsgebiet der MPA Technologie immer mehr erweitert. Neben Schwerpunkten im Werkzeug- und For-menbau oder im Anlagenbau wird dieses Verfahren immer häufiger zur Herstel-lung von Bauteilen aus Kupfer eingesetzt. Anwendungen sind unter anderem innen-gekühlte Induktoren oder stromführende Bauteile im Bereich der Elektromobilität. Die generative Fertigung erlaubt eine kontinuierliche Kühlung von Bauteilober-flächen, wie sie mit herkömmlichen Her-stellungsverfahren nicht oder nur sehr aufwändig realisierbar ist. Die Möglich-keit, eine oberflächennahe Kühlung auf einen vorgefertigten Rohling aufzusetzen,

Bild 5: Kupfer-Zugproben ohne und mit Wärmebehandlung

Bild 6: Bei Werkzeugen mit oberflächennahem Kühlkanalverlauf kann die MPA-Technolo-gie ihre Stärken ausspielen. Bei vielen Bauteilen kann auf einem Rohling aufgebaut wer-den. Die mit dem MPA Verfahren generativ erzeugten Volumina – hier blau markiert – sind oft nur die Deckschicht auf den Kanälen.

Bild 4: Fertigungsschritte eines Bauteils mit Kupferelementen. Von links: Rohling, Bauteil nach Kupferauftrag und Fräsen, Bauteil nach Stahlauftrag, Segment des fertigen Bauteils

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macht den Einsatz der additiven Fertigung auch bei großen Bauteilen attraktiv. In der Regel müssen dabei weniger als 20 Prozent des Bauteilvolumens mit dem MPA Ver-fahren aufgetragen werden (Bild 6).

Auf große Resonanz stößt auch die Opti-on, Kupferelemente in ein Bauteil zu inte-grieren, oftmals in Verbindung mit einem Kühlkanal (Bild 7). Häufig weisen die her-zustellenden Komponenten geometrische

Engstellen auf, in denen kein Kanal unter-zubringen ist. Wenn aber gerade dort ein großes Wärmeaufkommen vorliegt, kön-nen Kupferkerne die Energie sehr effizient abführen und eventuell sogar an Kühlka-näle weiterleiten, die dann in einiger Ent-fernung von der Engstelle verlaufen. Bei bisher realisierten Kundenprojekten konn-te auf diese Weise die jeweilige Abkühlzeit im Spritzgusswerkzeug um mehr als 25 % verkürzt werden.Vorteile kann die MPA Technologie aber auch bei Bauteilen bieten, die in konven-tioneller Fertigung nur sehr aufwendig herzustellen sind (z.B. Gießen von Kupfer).

(1) Dipl.-Ing. Bianca Schmalisch, Werner Gebhart, Hermle Maschinenbau GmbH

Bild 7: Die Verbindung von Kupferelementen und Kühlkanälen erlaubt einen sehr effizien-ten Wärmetransport. Das Kupfer kommt meist dort zum Einsatz, wo für eine Flüssigkeits-kühlung kein Raum ist.

Auf Grund der mechanischen und physikalischen Eigen-schaften des Aluminiums ist es allerdings nicht möglich,

Kupfer vollständig zu ersetzen, wodurch der Bedarf an innovativen Fügeverfahren für Aluminium-Kupfer-Mischverbin-dungen steigt. Das Ultraschallschweißen, welches sich durch geringe Taktzeiten und

dem Fügen bei geringen Temperaturen auszeichnet, stellt eine geeignete Mög-lichkeit zum Fügen von Aluminiumkabel und Kupferterminal-Verbindungen dar. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Ver-bindungen während der Produktlebens-zeit Korrosion und Alterung geschützt werden. Insbesondere an Stellen, wo keine Abdichtung möglich ist, werden häufig

Nickelbeschichtungen für Kupfertermi-nals eingesetzt. Für diese Funktion können unterschiedliche Nickelarten als Beschich-tung verwendet werden, die sich auf Grund der Zusammensetzung des Elektrolyten, dem jeweiligen Abscheidungsverfahren, der verwendeten Charge und den beige-fügten Fremdstoffen unterscheiden. Im Beitrag zum Kupfersymposium wird der Einfluss von chemisch Nickel, galvanisch Nickel und Sulfamatnickel auf das Lang-zeitverhalten von ultraschallgeschweiß-ten Litze/Ableiterverbindungen unter thermischer und korrosiver Belastung untersucht. Hierzu wurden die jeweiligen Ni-Schichten zunächst hinsichtlich Ober-flächenstruktur, Schichtdicke, Rauheit, Härte und Zusammensetzung charakteri-siert, um anschließend zu analysieren, wie sich die Fremdstoffzusätze in der Nickel-beschichtung auf das Alterungsverhalten der Verbindung auswirken. Zum Vergleich untereinander wurden die Verbindungen nach einer thermischen Auslagerung und korrosiver Belastungszyklen hinsichtlich ihrer mechanischen, metallurgischen und elektrischen Eigenschaften untersucht. So konnte eine Kategorisierung hinsichtlich der Eignung der Beschichtungsarten für die Belastungsarten festgelegt werden.

(1) Tobias Köhler, Michael Grätzel und Jean Pierre Bergmann, Fachgebiet Fer-tigungstechnik, Technische Universität Ilmenau

Einfluss von metallischen Nickel überzügen auf das Langzeitverhalten von ultraschallgeschweißten EN AW 1370/EN CW 004A-Mischverbindungen

Die steigende Nachfrage nach energieeffizienten Fahrzeugen führt zu einem zu-nehmenden Bedarf an Leichtbaukonzepten. Im Bereich der Bordnetzanwendungen kann durch eine Substitution der Kupfer- durch Aluminiumkabel eine Gewichts- und Kostenreduzierung erzielt werden.

Köhler, T.; Grätzel, M.; Bergmann, j. P. (1)

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