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Ausgabe 05/2016, 12.05.2016

Porosität durch AM genau steuern

Bei der Inspire AG arbeitet man im Projekt «HiperFormTool» daran, additiv gefertigte Teile mit definierten Porengrössen herzustellen. Solche Bauteile könnten in Werkzeugen für die Blechumformung Schmierflüssigkeit permanent kontrolliert zwischen die Kontaktflächen bringen und so den Prozess optimieren.

Autor: Philipp Stoll Inspire AG, St. Gallen

Der Hype um additive Fertigungstechnologien erweckt in der Industrie zunehmend Aufmerksamkeit. Erste Erfolgsgeschichten unterstützen diesen Trend und erhöhen die Akzeptanz dieser neuen Produktionsverfahren. Ein Vertreter davon ist das Selective-Laser-Melting-Verfahren (SLM), welches durch einen schichtweisen Aufbau die Herstellung hochkomplexer Geometrien und Werkstücke aus Metall ermöglicht.

Dies führt auch ausserhalb des Werkzeugbaus, wo in der Kunststoffspritzguss-Industrie die Vorteile der additiven Fertigung bereits erkannt und umgesetzt wurden, zu zahlreichen neuen Anwendungsgebieten in weiteren Industriesektoren. So laufen nun auch in der Umformtechnik, welche speziell in der Schweiz und in Deutschland ein bedeutender Industriezweig ist, erste Forschungsprojekte hinsichtlich des Einsatzes von SLM zur Werkzeugfertigung.

«HiperFormTool» ist ein Projekt, welches sich mit der Optimierung von Werkzeugen für die Blechumformung beschäftigt.

Beim «HiperFormTool» betritt die Forschung Neuland

Eines der Ziele dabei ist, die Schmierung zwischen Werkstück und Werkzeug, die einen entscheidenden Einfluss auf den Umformprozess hat, durch den Einsatz eines mittels SLM gefertigten Werkzeuges während des gesamten Umformprozesses aufrecht zu erhalten. Die Werkzeugfertigung mit SLM bietet hierzu verschiedene Ansätze. Eine Variante der Schmiermittelzufuhr besteht in definierten Kanälen, die infolge des schichtweisen Aufbaus sämtliche Bereiche der Werkzeugoberfläche erreichen und mit Schmiermittel versorgen können. Während dieser Ansatz auf die gros- se Designfreiheit des SLM abzielt, nutzt die nachfolgend beschriebene Idee eine weitere Stärke des SLM: Materialeigenschaften können während des Aufbaus durch eine entsprechende Prozessführung gezielt gesteuert und hinsichtlich ihres Einsatzgebiets optimiert werden.

Ziel ist die gewollte und definierte Porosität

So werden entgegen dem eigentlichen Ziel des Prozesses – Bauteile mit möglichst hohen Dichten zu erzeugen – Strukturen generiert, die eine gewollte und allenfalls auch definierte Porosität aufweisen. Diese Poren können als Mikrokanäle dienen und ermöglichen so, einzelne Bereiche eines Umformwerkzeugs mit einem Fluid zu durchströmen oder zu benetzen.

Beim SLM-Verfahrens sind es vier Prozessparameter, die den Prozess entscheidend beeinflussen und die vom Bediener auf einfache Weise variiert werden können. Es sind dies Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Spurabstand und Schichtdicke. Diese vier Parameter ermöglichen die Ermittlung der Energiemenge, die dem Metallpulver während des Fertigungsprozesses pro Volumeneinheit zugeführt wird.

Für die Angabe eines Prozessfensters, in dem ein Material mittels SLM verarbeitet werden kann, wird die erreichbare Bauteildichte in der Literatur häufig als Funktion der Volumenenergiedichte dargestellt. Nebenstehende Abbildung zeigt eine solche Kurve am Beispiel des Werkzeugstahls 1.2709. Die relative Dichte auf der Ordinate ist ein Vergleich zwischen der Dichte des SLM-Bauteils und der Rohdichte des Blockmaterials von 1.2709. Die Abbildung verdeutlicht, dass die Porosität sowie das Design poröser Strukturen durch Variationen der Prozessparameter im SLM-Prozess gezielt beeinflusst werden können.

Für den Einsatz in Umformwerkzeugen, wo die Schmiermittelzufuhr durch eine poröse SLM-Struktur realisiert werden soll, eignet sich besonders eine Variation des Abstandes zwischen den einzelnen Laserspuren. Wird diese Distanz grösser als die Breite der Schmelzbäder gewählt, überlappen sich die Scanspuren nicht. So können durchgängige Mikrokanäle in Aufbaurichtung des SLM-Prozesses hergestellt werden.

Porosität steuern via Abstand zwischen den Laserspuren

Die oben stehende Abbildung stellt Schnittbilder der xy-Ebene – senkrecht zur Aufbaurichtung – von drei Probekörpern, die alle einen Spurabstand oder «Hatch» aufweisen, der grösser als die Schmelzbadbreite ist. Erreicht wurde dies durch das Variieren der Scangeschwindigkeit und somit der Volumen­energiedichte.

Der «Würfel a)» zeigt ein regelmässiges, gitterförmiges Muster. Die einzelnen Scanlinien sind aufgrund des hohen Energieeintrags vollständig aufgeschmolzen und über die gesamte Länge des Würfels durchgängig. Die so entstandene Struktur besteht aus parallel zur Aufbaurichtung verlaufenden Mikrokanälen. Die «Würfel b)» und «Würfel c)» weisen eine deutlich andere Struktur auf.

Die eingebrachte Energie war in diesen Fällen nicht mehr ausreichend, um die Scanlinien durchgängig aufzuschmelzen, sodass eine labyrinthartige Struktur entstand. Diese Strukturen sind zwar unregelmässiger als die Gitterstruktur von Würfel a), jedoch weisen auch sie im grösseren Massstab ein gewisses Muster auf. Die Mikrokanäle haben dabei aber einen über die Höhe variablen Querschnitt.

Diese Bilder zeigen die Verhältnisse innerhalb der Würfel, jedoch nur an einer einzigen xy-Schnitt-ebene, sodass für die Würfel b) und c) davon auszugehen ist, dass die Strukturen in den darüber- und darunterliegenden Schichten leicht anders aussehen. Für die Anwendung in einem Strömungskörper bedeutet dies, dass sich dieser ähnlich einem Schwamm mit Fluid füllen und dieses flächig an die Oberfläche fördern kann.

Durchströmung sowohl von Wasser als auch Schmieröl

Die Beobachtungen und Schlussfolgerungen aus diesen Mikroskopbildern wurden anhand eines Strömungstests validiert. Es konnte gezeigt werden, dass ein Strömungskörper, der mit den Prozessparametern des Würfels c) gefertigt wurde, sowohl von Wasser als auch von Schmieröl durchströmt werden kann.

Aufbauend auf diesen Resultaten wurden weitere Probekörper mit verschiedenen Mikrogeometrien gefertigt. Diese Körper bestehen aus einzeln gescannten Linien, die übereinander angeordnet sind und so eine Lamellenstruktur bilden.

Im Rahmen des Projekts «HiperFormTool» wurde bereits ein Ausschnitt einer Matrize für die Blechumformung additiv gefertigt. Diese besteht aus einem dicht gescannten Teil (blaue Geometrie in der Aufmacherabbildung, linkes Bild) sowie einem porösen Einsatz mit Lamellenstruktur (schwarzer Körper in der linken Abbildung). Rechts in der Abbildung ist der Matrizenausschnitt zu sehen, wie er aus der SLM-Anlage kommt.

Erstes Einsatzgebiet bei Umformwerkzeugen

Die Lamellenstruktur ermöglicht, dass Schmieröl, welches in einem kleinen Kanal hinter dem porösen Bereich bereitgestellt wird, gleichmässig über die Oberfläche verteilt austritt und von dem umzuformenden Blech mitgenommen wird. Auf diese Weise soll der Schmierfilm über den gesamten Matrizenradius aufrecht erhalten werden.

Ein erstes Einsatzgebiet derartiger poröser Strukturen, das im Rahmen des «HiperFormTool»-Projekts untersucht wird, ist die Schmiermittelzufuhr in Umformwerkzeugen. Die generelle Idee der Bereitstellung eines Gases oder Fluides durch einen gezielt porös gefertigten Bereich eines Werkstücks eröffnet darüber hinaus weitere Anwendungsbereiche.


Inspire AG, Icams
9014 St.Gallen, Tel. 071 274 73 27
stoll@inspire.ethz.ch



Umformmatrize mit porösem Bereich; links das CAD-Modell für den SLM-Aufbau, rechts das SLM-Werkstück.


SLM-Prozessfenster für 1.2709 Werkzeugstahl. (Bilder: Inspire).


Parameterstudie: Variation der Scangeschwindigkeit, Hatch > 1.0.

Fact Sheet

Projekt «HiperFormTool»

Das Projekt «HiperFormTool» ist ein transnationales Projekt, welches die Entwicklung intelligenter Werkzeuge für verschiedene Blechumformprozesse durch den Einsatz additiver Werkzeugfertigung zum übergeordneten Ziel hat.

Das Projektkonsortium besteht aus den Forschungsinstituten Inspire AG icam (CH) und Fraunhofer IWU (DE) sowie den Unternehmen Ringele AG, Gut Metallumformung AG (beide CH) und der Braun Cartec GmbH (DE). Das Projekt wird in der Schweiz von der Kommission für Technik und Innovation (KTI) mitfinanziert, in Deutschland werden die Projektpartner vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Konzepts «Research for Tomorrow`s Production» finanziell unterstützt.