Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
14.03.2018

Projekt "PräziGen": Vollhartmetallwerkzeuge additiv herstellen

Additive Verfahren bieten sich für Herstellung von Sonderwerkzeugen an. Einerseits erlaubt die fast unbegrenzte Gestaltungsfreiheit funktionale Erweiterungen. Andererseits ist der Einsatz additiver Technologien besonders 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 Hartmetallzerspanwerkzeugen.

Vollhartmetalle additiv herstellen

Potenziale, Herausforderungen und aktueller Entwicklungsstand

Martin Reuber und Tobias Schwanekamp, RFH Köln, Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik

 

Produzierende Unternehmen der spanenden Fertigung erschließen durch den Einsatz anwendungsoptimierter Sonderwerkzeuge hohe Produktivitätspotenziale. Diese Werkzeuge werden auf Anforderungen spezifischer Zerspanungsaufgaben zugeschnitten und erzielen ihre Produktivität häufig durch Schneidengeometrien oder -anordnungen, die an die Werkstückkontur angepasst sind. Additive Verfahren bieten sich für Herstellung der Sonderwerkzeuge aus mehreren Gründen an. Zum Einen heben Sie Restriktionen konventioneller Herstellungsprozesse von Zerspanwerkzeugen hinsichtlich der realisierbaren Innen- und Außenkonturen auf und erlauben so funktionale Erweiterungen. Zum Anderen ist der Einsatz additiver Technologien auf Grund der form- und werkzeuglosen Herstellung der Bauteile besonders für die Herstellung von Prototypen, individualisierten Bauteilen und kleinen Serien geeignet. Vor dem Hintergrund dieser verfahrensspezifischen Potenziale entwickelt das iWFT im Projekt PräziGen gemeinsam mit Verbundpartnern aus Forschung und Industrie eine Prozesskette zur additiven Herstellung von Zerspanwerkzeugen aus Hartverbundstoffen.

Defizite konventioneller Verfahren

Werkzeuge zur spanenden Bearbeitung werden heute zum überwiegenden Teil aus Hartverbundstoffen gefertigt. Das Stoffsystem WC-Co aus Wolframkarbid als Hartstoff und Kobalt als Bindematrix hat sich als meistverwendeter Schneidstoff etabliert [Gläs10, Kola07, ScWK07].

Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften lassen sich Hartverbundstoffe wie WC-Co schmelzmetallurgisch nicht ohne eine Beeinflussung der Stoffzusammensetzung verarbeiten. Die Herstellung erfolgt daher pulvermetallurgisch durch Sintern. Einfache Geometrien wie Wendeschneidplatten können so in einsatzfähigem Zustand hergestellt werden. Für komplexere Geometrien, wie sie insbesondere bei anwendungsoptimierten Sonderwerkzeugen vorliegen, werden Rohlinge gesintert und schleiftechnisch endbearbeitet (Bild 1). Dieses Verfahren ist langwierig, kostenintensiv und schränkt die geometrische Gestaltungsfreiheit ein. Makrogeometrische Merkmale, wie beispielsweise die Geometrie der Spannuten, werden durch Form und Kinematik der Schleifwerkzeuge limitiert, während sich innere Werkzeugstrukturen, wie Kanäle zur Kühlschmierstoffzufuhr, gar nicht oder nur unter erheblichem Aufwand integrieren lassen.

Potenziale additiver Verfahren

Additive Verfahren wie das selektive Laserschmelzen ermöglichen eine deutlich erweiterte gestalterische und konstruktive Geometriefreiheit [GeDH15]. Grundlage bildet ein 3D CAD-Modell, welches in Schichten konstanter Dicke zerlegt wird. Basierend auf dem erzeugten Datensatz werden beim selektiven Laserschmelzen die in einem Pulverbett angeordneten Partikel schichtweise und lokal durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und verfestigt. Nach jedem Belichtungsvorgang erfolgt eine Absenkung des Pulverbetts um die jeweilige Schichtdicke sowie ein erneutes Auftragen der Pulverschicht mit anschließender Belichtung der Bauteilkontur durch den Laser (Bild 2). Auf diese Weise wird ein Bauteil Schicht für Schicht aus dem Pulverbett heraus aufgebaut.

Diese Herangehensweise eröffnet neue Gestaltungs- und Optimierungspotenziale bei der Herstellung innovativer Produkte, insbesondere erlauben die geometrischen Freiheitsgrade eine gezielte Optimierung des Designs auf die jeweilige Anwendung. Außerdem wird in vielen Fällen Material eingespart, da nur die benötigte Werkstoffmenge für ein Bauteil verfestigt wird. Demgegenüber stehen zusätzliche Aufwände zur Pulverherstellung.

Bei der Herstellung von Zerspanwerkzeugen bieten die additiven Verfahren insbesondere Potenziale bei der Kühschmiermittelzufuhr. Die Verwendung von Kühlschmierstoffen in Zerspanprozessen ist mit ökologischen, ökonomischen und gesundheitstechnischen Nachteilen verbunden [Fros08, VASM09, ZuDT96]. Durch die Möglichkeiten additiver Fertigung können innere Kanäle für die Zufuhr von Kühlschmierstoff druckverlustoptimiert ausgelegt und, insbesondere bei mehrstufigen Werkzeugen, gezielt in die jeweiligen Bearbeitungszonen geführt werden. Hierdurch lassen sich Einsparungen im Kühlschmierstoffverbrauch und der zugehörigen peripheren Anlagentechnik erzielen. Auch sind Werkzeuge mit geschlossenen Kühlkanälen möglich, bei denen das Kühlmittel durch das Werkzeug geführt aber nicht in den Arbeitsraum eingebracht wird. Dadurch bietet sich insbesondere bei Anwendungen der Trockenbearbeitung eine Kühlmöglichkeit ohne den Arbeitsraum mit dem Fluid zu belasten.

Weitere Potenziale der additiv hergestellten Werkzeuge liegen in der endkonturnahen Herstellung, auf Grund derer die Schleifoperationen deutlich reduziert werden können. Das statische und dynamische Verhalten des Werkzeugs kann durch gezielte Massen- und Steifigkeitsverteilungen optimiert werden. So lassen sich Dämpfungseigenschaften lang auskragender Werkzeuge durch den Aufbau funktionaler Hohlstrukturen mit und ohne Pulverfüllung gezielt beeinflussen [Künn16, SaHK16]. Erweiterte Funktionalitäten liegen beispielsweise in der Gewichtsreduzierung [NN16] oder in der Erzeugung optimierter Drall- bzw. Spannutgeometrien zur Verbesserung des Spanablaufs.

Die hohe Flexibilität und Individualität prädestiniert die additive Herstellung für den Einsatz in der wirtschaftlichen Fertigung von Prototypen und Kleinserien. Additive Verfahren bieten insbesondere dann ökonomische Vorteile, wenn eher geringe Stückzahlen auf komplexe Bauteildesigns und hohe Ansprüche an Funktionalität, Gewicht oder Geometrie des einzelnen Bauteils treffen. Genau diese Anforderung ist bei der Herstellung anwendungsoptimierter Sonderwerkzeuge gegeben.

Industrielle Anwendungen additiver Verfahren im Bereich spanender Werkzeuge finden sich nur vereinzelt. Veröffentlicht ist die additive Herstellung von Werkzeuggrundkörpern, Spannfuttern und Außenreibahlen im selektiven Lasersinterprozess [Enze14, Kome16, Nn16] unter Ausnutzung der oben geschilderten Vorteile. Die Fertigung ist jedoch zum momentanen Stand der Technik noch auf Produkte aus Werkzeug- bzw. Edelstählen beschränkt. Eine Herstellung von schneidenden Werkzeugbereichen aus Vollhartmetall im Lasersinterprozess konnte bislang nicht demonstriert werden.

Additive Prozesskette für Hartmetallwerkzeuge

Im Rahmen des Verbundprojekts PräziGen entwickelt das iWFT mit Partnern aus Forschung und Industrie eine vollständige Prozesskette zur additiven Herstellung anwendungsoptimierter Sonderwerkzeuge aus Hartverbundstoffen (Bild 4). Im Fokus steht dabei das Verbundsystem Wolframkarbid-Kobalt. 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 nachgelagerte Schritte, wie die schleiftechnische Bearbeitung der endkonturnahen Grundkörper und das Beschichten sowie die Bewertung des Werkzeugverhaltens anhand von Prototypen unter definierten Einsatzbedingungen im Zerspanprozess.

Herausforderungen

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 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 extrem kurzen thermischen Einwirkungszeiten erschweren die exakte Steuerung der Sinter- bzw. Schmelztemperatur in der Bearbeitungszone. Im ternären System aus W, C und Co können sich hierdurch in Verbindung mit lokaler Kobalt- und Kohlenstoffverdampfung aufgrund hoher Leistungsdichten im Fokus des Laserstrahls während des Prozesses unerwünschte Werkstoffphasen, sogenannte h-Phasen, mit signifikant erhöhter Sprödigkeit im Gefüge ausbilden. Dies verschlechtert die mechanischen Werkstoffeigenschaften erheblich. Zudem erzeugt die örtlich und zeitlich heterogene Energieeinbringung 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 der Optimierung 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 Probenkörper 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 Hochtemperatur-Heizmodul 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 (Bild 5). 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 (Bild 6).

Zusammenfassung

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.

Im Verbundprojekt PräziGen bilden acht Partner aus Forschung und Industrie die Kompetenzen entlang der gesamten zu entwickelnden Prozesskette ab und ermöglichen im Erfolgsfall eine kommerzielle Verwertung.

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, Hoffmann Fördertechnik GmbH, H-O-T Servicecenter Schmölln GmbH & Co. KG, Renishaw GmbH, Präzisionswerkzeuge Wurzen und das iWFT.

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Martin Reuber ist Mitglied am Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik und betreut dort schwerpunktmäßig die Forschungsthemen der additiven Fertigung und der Materialmodellierung für die FEM-Zerspansimulation.

Dipl.-Ing. Tobias Schwanekamp ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik der Rheinischen Fachhochschule Köln. Seine Forschungsschwerpunkte sind additive Fertigung und selektives Laserschmelzen.

Kontakt

iWFT@RFH-Koeln.de

www.iWFT.RFH-Koeln.de

 

Literatur

 

[Enze14]          Enzenbach, A.: Werkzeuge aus dem 3D - Drucker. MAPAL zeigt Weltneuheiten auf der AMB 2014 (2014)

[Fros08]          Frost, Thomas: Drehen mit geschlossenem Innenkühlsystem. Berlin, Technische  Universität Berlin, Dissertation, 2008

[GeDH15]        Gebhardt, A. ; Dobischat, R. ; Hans-Böckler-Stiftung (Hrsg.): 3D-Drucken in Deutschland: Entwicklungsstand, Potenziale, Herausforderungen, Auswirkungen und Perspektiven ; [Hans-Böckler-Stiftung Projekt-Nr. 2012-602-1]. Aachen : Shaker, 2015 — ISBN 978-3-8440-3479-0

[Gläs10]          Gläser, T: Untersuchungen zum Lasersintern von Wolframkarbid-Kobalt. Aachen, RWTH Aachen, 2010

[Kola07]          Kolaska, Hans: Hartmetall – gestern, heute und morgen. In: Metall Bd. 61 (2007)

[Kome16]        Komet Group: Laser löst Produktivitätsschub aus. In: Diamond Business Bd. 58 (2016), Nr. 3/2016, S. 7–11

[Künn16]         Künneke, Thomas: Universität Paderborn: Additive Manufactured Function Integrated Damping Structures (AMFIDS). URL http://mb2.uni-paderborn.de/en/kat/forschung/projekte/amfids/. - abgerufen am 2016-05-31

[Nn16]             N.N., MAPAL: Hydrodehntechnologie_DE.pdf. URL http://www.mapal.com/fileadmin/00_PDF-Dateien/Kataloge/de/Hydrodehntechnologie_DE.pdf. - abgerufen am 2016-05-25. — MAPAL

[ReSc16]          Reuber, Martin ; Schwanekamp, Tobias: Additive Herstellung vonZerspanwerkzeugen aus WC-Co-Hartmetall - Potenziale und Herausforderungen. In: Industrie 4.0 Management (2016), Nr. 5.2016

[SaHK16]         Sander, Jan ; Hufenbach, Julia ; Kühn, Uta: Additive Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungswerkzeugstahl -  Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Gefügefeinung bei geometrischer Gestaltungsfreiheit. In: Konstruktion - Zeitschrift für Produktentwicklung und Ingenieur-Werkstoffe (2016), Nr. 4/2016, S. 14–16

[SBBS17]         Schubert, T. ; Breninek, A. ; Bernthaler, T. ; Sellmer, D. ; Schneider, M. ; Schneider, G.: Investigations on Additive Manufacturing of WCCo Hard Metals by Laser Beam Melting. In: Practical Metallography Bd. 54 (2017), Nr. 9, S. 577–595

[ScRe16]          Schwanekamp, Tobias ; Reuber, Martin: Additive Manufacturing of application optimized tungsten carbide precision tools. In: Proceedings of 6th International Conference on Additive Technologies. Nürnberg, 2016

[ScWK07]        Schatt, W. ; Wieters, K.-P. ; Kieback, B. (Hrsg.): Pulvermetallurgie: Technologien und Werkstoffe, VDI. 2., bearb. und erw. Aufl. Aufl. Berlin : Springer, 2007 — ISBN 978-3-540-23652-8

[UhBG15]        Uhlmann, Eckart ; Bergmann, André ; Gridin, Witalij: Investigation on Additive Manufacturing of Tungsten Carbide-cobalt by Selective Laser Melting. In: Procedia CIRP Bd. 35 (2015), S. 8–15

[VASM09]       Vicentin, Gilmar Cavalcante ; de Angelo Sanchez, Luiz Eduardo ; Scalon, Vicente Luiz ; de Mello, Hamilton José ; Abreu, Guilherme Gustavo Costa: TURNING TOOL-HOLDER WITH INTERNAL COOLING SYSTEM BASED ON CHANGE PHASE OF FLUID (2009)

[ZuDT96]         Zum Gahr, K.-H. ; Deutsche Gesellschaft für Materialkunde ; Tagung Reibung und Verschleiss (Hrsg.): Reibung und Verschleiß: [Vortragstexte der Tagung Reibung und Verschleiß, veranstaltet am 21. und 22. März 1996 in Bad Nauheim]. Oberursel : DGM Informationsges.-Verl, 1996 — ISBN 978-3-88355-220-0

 

Additive Manufacturing of Cutting Tools – Potentialities and Challenges

Metal-cutting manufacturing companies constantly demand for highly efficient process layouts which can particularly be achieved by the utilization of application optimized special tools. Conventional methods for the manufacturing of cutting tools are subject to restrictions, particularly with respect to the inner and outer shape design. At this point, additive manufacturing offers a substantial innovation potential. Through the buildup by layers, design limits of conventional methods are repealed and the production of complex and individual structures is feasible. Against the background of these process-specific potentialities, the iWFT and associated research and industry partners are developing a process chain for additive manufacturing of tungsten carbide cutting tools in the framework of the joint research project PraeziGen.

 

Keywords:

additive manufacturing, selective laser sintering, cemented carbides, tungsten carbide-cobalt (WC-Co), metal-cutting manufacturing, cutting tool, tool optimization, PraeziGen

 

Quellen der im Beitrag verwendeten Abbildungen:

 

Bild 1:

GGT Gleit-Technik AG, http://www.gleitlager.ch/de/technik/sintern#accordionpaneldefaultArea2_2, abgerufen am 21.07.2016

Alfred. H. Schütte GmbH&Co KG, Produktbroschüre WU305, DK08.05, A940D deu, 2005



Bild 1: Klassische Herstellungskette von Hartmetall-Zerspanwerkzeugen.


Bild 2: Selektives Laserschmelzen.


Bild 3: Konzeptideen für optimierte, additiv gefertigte Bohrwerkzeuge mit komplexen Innengeometrien.


Bild 4: Prozesskette PräziGen.


Bild 5: Gefügeschliffe zweier mit identischen SLM-Prozessparametern ohne (links) und mit 800°C (rechts) Vorwärmung erzeugten WC-Co Probekörper.


Bild 6: Vergleich der relativen Porosität (links) und der Biegebruchfestigkeit (rechts) der ohne und mit 800°C Vorwärmung erzeugten WC-Co Probekörper.