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Ausgabe 04/2018, 13.04.2018

Vollhartmetallwerkzeuge additiv herstellen

Additive Verfahren bieten sich für die Herstellung von Sonderwerkzeugen an. Einerseits erlaubt die fast unbegrenzte Gestaltungsfreiheit funktionale Erweiterungen. Andererseits ist der Einsatz additiver Technologien für die Herstellung von Prototypen, individualisierten Bauteilen und kleinen Serien geeignet. Vor diesem Hintergrund entwickelt das Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik der Rheinischen Fachhochschule Köln (iWFT) im Projekt «PräziGen» eine Prozesskette zur additiven Herstellung von Hartmetall-Zerspanwerkzeugen.

Autor: Prof. Martin Reuber und Tobias Schwanekamp, RFH Köln, Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik

Im Rahmen des Verbundprojekts PräziGen entwickelt das iWFT mit Partnern aus Forschung und Industrie (siehe Kasten «Auf einen Blick») eine vollständige Prozesskette zur additiven Herstellung anwendungsoptimierter Sonderwerkzeuge aus Hartverbundstoffen. Im Fokus steht dabei das Verbundsystem Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co). Ein Kernaspekt der Untersuchungen ist die Qualifizierung von Hartverbundstoffen für den additiven Herstellungsprozess. Neben der Auslegung und Optimierung beinhaltet das Bild der vollständigen Prozesskette auch die dem additiven Fertigungsprozess nachgelagerten Schritte wie die schleiftechnische Bearbeitung der endkonturnahen Grundkörper und das Beschichten sowie die Bewertung des Werkzeugverhaltens anhand von Prototypen unter definierten Einsatzbedingungen im Zerspanprozess.

Die Materialentwicklung für künftige industrielle Anwendungen additiver Verfahren wird stetig vorangetrieben. Neben zahlreichen Kunststoffen lassen sich heute diverse metallische Legierungen auf Eisen-, Kobalt-, Chrom-, Titan-, Nickel- und Aluminiumbasis prozesssicher verarbeiten. Auch die additive Verarbeitung mehrkomponentiger Pulverwerkstoffe und Hartverbundstoffe, insbesondere Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co), im selektiven Lasersinterprozess (SLM) wurde bereits untersucht.

Die prinzipielle Prozessierbarkeit von WC-Co wurde vor dem Hintergrund einer Anwendung im Formenbau demonstriert [Gläs10]. Im Vergleich zum Formenbau sind die mechanischen Anforderungen an Zerspanwerkzeuge, insbesondere in den schneidenden Bereichen, deutlich höher. In bisherigen Untersuchungen konnte eine prozesssichere additive Verarbeitung von WC-Co in einer ausreichenden Qualität zur industriellen Herstellung von Vollhartmetall-Schneidwerkzeugen noch nicht erreicht werden [ReSc16, SBBS17, ScRe16, UhBG15].

Neben der Schwierigkeit, aus der Schüttdichte des Pulvers Festkörper mit ausreichender Raumerfüllung zu erzeugen, bereitet vor allem die im Vergleich zum konventionellen Sintern deutlich heterogenere Art der Energieeinbringung Probleme. Die komplexe Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Pulverbett in Verbindung mit den extrem kurzen thermischen Einwirkungszeiten erschweren die exakte Steuerung der Temperatur in der Bearbeitungszone. Die hohen Leistungsdichten im Fokus führen aufgrund von Verdampfungseffekten zu einer deutlichen Kobaltverarmung und damit zu einer Versprödung des Werkstoffs. Zudem können sich im ternären System aus W, C und Co in Verbindung mit lokaler Kohlenstoffverdampfung während des Prozesses unerwünschte Werkstoffphasen, sogenannte η-Phasen, mit signifikant verschlechterten mechanischen Werkstoffeigenschaften ausbilden. Die örtlich und zeitlich heterogene Energieeinbringung erzeugt darüber hinaus starke Temperaturgradienten im lasergesinterten Bauteil, welche zu thermischen Spannungen und Rissen führen können.

Um Hartmetalle dennoch prozesssicher und in ausreichender Qualität mittels Laserschmelzen verarbeiten zu können, verfolgt das Projekt PräziGen Ansätze in der Optimierung der Ausgangspulver sowie des additiven Herstellungsprozesses. Die Prozessführung hat einen entscheidenden Einfluss auf das gesinterte Bauteil. Beim hier vorliegenden Werkstoff liegt ein besonderes Augenmerk auf der Verbesserung des Sinterergebnisses durch Massnahmen zur Homogenisierung des Energieeintrags.

Ein Ansatz besteht in der Erhöhung der Probentemperatur. Die Temperatur des bereits erzeugten Probenkörpers wird näher an den Schmelzpunkt des Bindemittels Kobalt herangeführt und erlaubt eine Reduzierung des lokalen Energieeintrags durch den Laserstrahl. Ziel ist es, einen ausreichenden Bindemechanismus in der Probe zu erzielen und dabei die thermischen Spannungen zu reduzieren sowie die Stoffbilanz durch die Vermeidung von Verdampfungseffekten zu erhalten.

Eine mögliche Prozessstrategie hierzu ist eine energiereduzierte Nachbelichtung bereits verfestigter Schichten und die Verkürzung der zeitlichen Belichtungsabstände. Das Temperaturniveau der Probe wird erhöht, und die Abkühlzeit zwischen zwei Belichtungszyklen wird reduziert. Der Effekt lässt sich durch Massnahmen verstärken, mit denen der Wärmeabfluss in die Bauplattform reduziert wird. Alternativ oder ergänzend bietet sich eine Beheizung der Bauplattform an. Damit wird das Temperaturgefälle reduziert. Allerdings sind die Vorheiztemperaturen von marktgängigen Standardanlagen ohne Sondermassnahmen mit etwa 200 °C für dieses Stoffsystem zu gering.

Aus diesem Grund wurde am iWFT ein Hochtemperaturheizmodul entwickelt, welches Vorwärmtemperaturen bis 800 °C ermöglicht. Hierdurch konnten erstmals vollständig rissfreie Gefüge mit sehr geringen Restporositäten und Sprödphasen an der Grenze zur Nachweisbarkeit erzeugt werden. Die so erzeugten Gefüge zeigten eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Insbesondere konnte die Biegebruchfestigkeit deutlich erhöht werden. Zwar sind die erreichten Werte immer noch deutlich unter denen von konventionell gesinterten Hartmetallen, gegenüber bisherigen Untersuchungen wurde die Biegebruchfestigkeit von Proben mit der aktuellen Prozessführung jedoch um den Faktor 5 erhöht.

Der komplette Artikel inklusive Literaturhinweise (im vorliegenden Artikel in eckigen Klammern) kann unter der www-Adresse goo.gl/iYbGdm abgerufen werden.


Rheinische Fachhochschule Köln, Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik iWFT
DE-50825 Köln, Tel. +49 221 546 87-21 33
iwft@rfh-koeln.de



Konzeptideen für optimierte, additiv gefertigte Bohrwerkzeuge mit komplexen Innengeometrien. (Bilder: iWFT)


Die Prozesskette PräziGen.


Gefügeschliffe von zwei mit identischen SLM-Prozessparametern erzeugten WC-Co-Probekörper ohne (links) und mit 800 °C (rechts) Vorwärmung.


Vergleich der relativen Porosität (links) und der Biegebruchfestigkeit (rechts) der ohne und mit 800 °C Vorwärmung erzeugten WC-Co-Probekörper.

Auf einen Blick

Verbundprojekt PräziGen

Das Verbundprojekt PräziGen wird im Rahmen der Förderinitiative «Photonische Prozessketten» über den Projektträger Jülich vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Verbundpartner sind das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Durum Verschleissschutz GmbH, Fit Production GmbH, Liftket Hoffmann GmbH, H-O-T Servicecenter Schmölln GmbH & Co. KG, Renishaw GmbH, Präzisionswerkzeuge Wurzen und das iWFT.

Hintergrund: Additive Fertigungsverfahren wie das selektive Laserschmelzen legen gegenüber konventionellen Verfahren erhebliche Innovationspotenziale zur Erzeugung komplexer Zerspanwerkzeuge frei. Geometrische Restriktionen der klassischen Herstellungskette werden aufgehoben und eine gezielte Optimierung der Werkzeugstruktur hinsichtlich des spezifischen Anwendungsfalls wird möglich.

Neben der Qualifizierung des Hartverbundstoffs WC-Co für den selektiven Lasersinterprozess stehen die erforderlichen vor- und nachgelagerten Optimierungs- und Bearbeitungsschritte sowie die Identifikation potenzieller Anwendungsszenarien im Fokus der Forschungsaktivitäten. Erste Demonstrationswerkzeuge wurden bereits erfolgreich hergestellt und getestet. Eine signifikante Verbesserung der erreichbaren Materialqualität konnte durch die Entwicklung eines Hochtemperatur-Heizmoduls mit Vorwärmtemperaturen bis 800°C erreicht werden.