Projekt: Entwicklung eines digitalen Produktionsprozesses für die wirtschaftliche Fertigung von Systemen zur konturnahen Kühlung; Entwicklung eines Gieß- und Entkernverfahrens für hybride, verlorene Gussformen

Start eines Forschungsprojektes im Rahmen „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ unter dem Träger der AiF mit den Partnern voxeljet AG, dem Fraunhofer Institut für Silicatforschung (ISC) und der Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei,- Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV):
„Entwicklung eines digitalen Produktionsprozesses für die wirtschaftliche Fertigung von Systemen zur konturnahen Kühlung; Entwicklung eines Gieß- und Entkernverfahrens für hybride, verlorene Gussformen.“

Das Konsortium aus KMU-Unternehmen setzt sich mit diesem Projekt die Entwicklung einer neuartigen Prozesskette für die Herstellung von konturnahen Kühlsystemen – mit bisher unbekannter Baugröße und Komplexität – über Gussverfahren zum Ziel. Dabei soll vor allem der Markt Elektromobilität und Leistungselektronik, aber auch das Zielgebiet Werkzeugbau für Druckguss, Spritzgießen und der Turbinenbau adressiert werden.

Der zentrale Markt für Systeme zur konturnahen Kühlung sind auf Grund von großen Stückzahlen Elektromotoren. Während des Projekts soll anhand dieses Beispiels die beabsichtigte technologische Entwicklung verifiziert werden. Die Notwendigkeit in diesem Technologiesektor Entwicklungen voranzutreiben wird im Folgenden dargestellt:

Umweltfreundliche Antriebssysteme sind auf Grund steigender Belastungen in den Städten eine wesentliche Forderung an Mobilitätssysteme. Die Elektromobilität ist hierbei ein Schlüssel um die Emissionen aus dem stätischen Bereichen fern zu halten. Dies betrifft nicht nur die Fahrzeuge des Individualverkehrs sondern auch Nutzfahrzeuge des öffentlichen und des gewerblichen Bereiches.

Das Fahrzeugspektrum umfasst dabei Leistungsklassen von wenigen Kilowatt bei Motorrollern bis zu schienengebundenen Fahrzeugen mit mehreren Megawatt Antriebsleistung. Bei allen Fahrzeugen ist es aber relevant welches Gewicht der Motor selbst aufweist. Das Gewicht bestimmt wesentlich die Fahrdynamik und die Reichweite des Fahrzeugs. Ebenso ist das Gewicht des Motors mit der energetischen Gesamtbilanz des Fahrzeugs verbunden.
Der entscheidende Schlüssel für die Reduzierung des Gewichts – also der Steigerung der Leistungsdichte – ist die Kühlung des Motors. Besonders wirksam sind wassergekühlte Systeme. Deren Wirksamkeit hängt dabei vom Wärmeübergang an das Kühlmedium ab. Hier sind eine große Oberfläche und die räumliche Nähe zur Wärmequelle von Vorteil. Als technische Umsetzung dieser Kühlung wird um den stromführenden, geblechten Stator ein Kühlmantel gesetzt, in dem Kühlleitungen eingebracht sind (konturnahe Kühlung). Für dieses Gehäuse bietet sich als Material das Leichtmetall Aluminium an, das in gleichem Maße die Eigenschaften geringe Dichte und gute Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt.

Die Kanalstrukturen können realisiert werden, indem das Bauteil durch ein Gießverfahren mit verlorenen Kernen erzeugt wird. Die Kerne werden nach dem Guss aus dem Bauteil entfernt, indem der thermisch durch den Guss bereits geschädigte Kern über Vibrationen und Schläge zertrümmert wird.

Besonders hohe Komplexitätslevel können über die Additive- Manufacturing- Produktionsverfahren erreicht werden. Sie ermöglichen es ebenso die Teilevielfalt der unterschiedlichen Leistungs- und Fahrzeugklassen abzubilden. Unter den AM-Verfahren hat das Binder-Jetting die günstigsten wirtschaftlichen Eigenschaften.
Die sich daraus ergebende Aufgabenstellung für dieses Projekt ist die „Entwicklung eines digitalen Produktionsprozesses für die wirtschaftliche Produktion von Systemen zur konturnahen Kühlung“. Im Konsortium werden die im Folgenden beschriebenen Teilprojekte in enger Verzahnung bearbeitet: Das Fraunhofer Institut ISC erforscht einen Keramikschlicker zur Kernherstellung der sowohl in einem AM-Verfahren verarbeitet werden kann, als auch beim Sinterprozess die angestrebten Eigenschaften des Bauteils/Kerns ermöglicht. Die Firma voxeljet AG entwickelt ein prototypisches Drucksystem, das die Verarbeitung von Keramikschlicker im AM-Prozess auf industriellem Maßstab ermöglicht. Das Fraunhofer IGCV ermittelt experimentell alle Einflussgrößen auf den Bauteilerzeugungsprozess und macht den Prozess durch eine ganzheitliche Modellbildung und Simulation begreifbar und optimierbar.
Die Gießerei NRU GmbH entwickelt eine Prozesskette für die Erzeugung eines metallischen Gussteils, wobei der Entkernprozess für die neuartigen, keramischen Kerne der innovative Kern der Arbeiten ist. AMK als Elektromotorenhersteller und Großunternehmen ist ein potentieller Anwender der Produkte, die über den digitalen Produktionsprozess erstellt wurden und liefert selbst keine für die Förderung relevante Teilinnovation.