Schicht für Schicht

Sie bezeichnen es als vielversprechenden Ansatz – die iwb-Experten Professor Dr.-Ing. Michael F. Zäh und Dipl.-Ing. Michael Ott – wenn sie von der Kombination generativer Fertigung und Multimaterialverarbeitung sprechen. Exklusiv erklären die beiden Spezialisten im nachfolgenden Fachbericht, welche Potenziale die drei wesentlichen Rapid-Technologien RP = Rapid Prototyping, RM = Rapid Manufacturing und RT = Rapid Tooling haben.

Generative Fertigungsverfahren zeichnen sich durch die direkte Umsetzung von 3D-CAD-Daten in ein physisches Bauteil aus. Dabei wird die Geo-metrie schichtweise während des Fertigungsprozesses aufgebaut. Je nach Anwendungsgebiet lassen sich so drei wesentliche Rapid-Technologien voneinander abgrenzen: Rapid Prototyping (RP), Rapid Manufacturing (RM) und Rapid Tooling (RT). Die stetig steigende Bauteilkomplexität sowie das Bestreben, die Produktionszeiten zu reduzieren, stellen die Fertigungstechnik vor neue Herausforderungen. Durch konventionelle Verfahren wie Drehen oder Erodieren wird es in Zukunft nur noch bedingt möglich sein, Werkzeuge kundenindividuell wirtschaftlich zu fertigen. Unter diesem Aspekt gewinnt die Flexibilität der metallischen Schichtbauverfahren in der Produktionstechnik weiter an Bedeutung. Eine nennenswerte Restriktion der metallischen und pulverbasierten Rapid-Prozesse besteht in der Verarbeitbarkeit von bislang nur einem Werkstoff oder nur einer Legierung. Um die Standzeiten der Werkzeugformen zu verbessern, wird im Rahmen des Forschungsprojektes HybriLay daran gearbeitet, Beschichtungen aus Hartstoffen in den generativen Fertigungsprozess zu integrieren. Die Zielsetzung des hier beschriebenen Projektvorhabens ist die Entwicklung hybrider Fertigungsverfahren zur integrierten Herstellung und Beschichtung von stark beanspruchten Werkzeugen und Bauteilen. Die Zielerreichung soll in zwei parallel durchzuführenden Schritten sichergestellt werden. Einerseits muss der konventionelle Auftragsmechanismus, eine einfache Rakel, zur Multimaterialverarbeitung befähigt werden. Die Erweiterung des bisherigen Pulverauftragsmechanismus erfolgt durch die Inbetriebnahme einer Dosiereinheit, die gewährleistet, dass das Beschichtungspulver zielgerichtet und hochpräzise in die Arbeitsebene eingebracht wird. Ziel der Adaption des bisherigen Verarbeitungsprozesses ist die simultane Verarbeitung von unterschiedlichen Materialien. Die Beschichtung des klassischen Stahlpulvers wird durch einen Hartstoff realisiert, der im bisherigen Werkstoffportfolio nicht enthalten ist. Hierbei wird das Forschungsvorhaben HybriLay durch die Industriepartner apppex GmbH, AxynTeC GmbH und Concept Laser GmbH unterstützt. Als Grundlage für die prozessorientierten Untersuchungen dient das von der Firma Concept Laser entwickelte Fertigungsverfahren des LaserCusing. Dabei wird das Metallpulver aufgeschmolzen und direkt zur endgültigen Geometrie verfestigt. Die bisher qualifizierten und herkömmlich eingesetzten Pulverwerkstoffe sind in ihrer Vielfalt bei allen Verfahren überschaubar, da hier immer eigene Werkstoffqualifizierungen durchgeführt werden. Bezüglich des Werkzeug- und Formenbaus (RT) werden vorzugsweise nur Warmarbeitsstähle mit geringem Kohlenstoffanteil verwendet. Ein zu hoher Kohlenstoffanteil in Kombination mit einer raschen Abkühlung verursacht einen hohen Anteil an Martensitgefüge im Bauteil. Der Abkühlprozess besitzt dabei eine kritische Temperatur, die sogenannte Martensittemperatur, bei der sich das Martensitgefüge bildet. Diese ist vom Kohlenstoffgehalt der Legierung abhängig. Durch die Martensitbildung wird der Härtegrad erheblich gesteigert, jedoch wird das Bauteil dadurch auch sehr spröde. Auf Grund der lokal durchgeführten Mikroschweißungen treten Temperaturschwankungen auf, die wiederum beim generativen Fertigungsverfahren zu inneren Spannungszuständen führen. Diese machen sich ihrerseits aufgrund der Sprödigkeit des Martensitgefüges durch Risse bemerkbar. Aktuell verarbeitbare Stähle mit geringem Kohlenstoffgehalt sind 1.4404, 1.2709 und 1.2083. Dabei sind vor allem die beiden Letztgenannten als Repräsentanten des Rapid Toolings zu sehen. Die physikalischen Eigenschaften der Warmarbeitsstähle variieren je nach Weiterbehandlung. Ein dem Lasergenerieren angeschlossener Auslagerungsprozess beeinflusst die Kennwerte des 1.2709 signifikant. Nennenswert sind die erhöhte Zugfestigkeit sowie die größere Härte des ausgelagerten Bauteils gegenüber einem unbehandelten. Hartstoffe zeichnen sich durch ihre hohe Verschleißbeständigkeit aus und eigenen sich deswegen gut zur Verschleißreduzierung an den beanspruchten Funktionsflächen. Im Rahmen diverser Forschungsprojekte wurden verschiedene Hartmetallpulver erfolgreich verarbeitet. Ein wichtiger Vertreter dieser Gruppe ist Wolframkarbid-Kobalt. Dieses Pulver setzt sich aus dem Bindemittel Kobalt und den Hartstoffpartikeln Wolframkarbid zusammen. Kobalt ist das wichtigste Bindemittel für diese Karbidverbindung. Das Verhältnis zwischen dem Bindemittel und den Hartmetallpartikeln ist für die Eigenschaften der späteren Schicht entscheidend. Bei steigendem Bindemittel erhöht sich die Biegebruchfestigkeit und die Härte reduziert sich. Durch den zunehmenden Anteil an Kobalt treten dessen Eigenschaften verstärkt in den Vordergrund. Die erreichbare Härte von über 2.200 HV verdeutlicht, warum dieser Hartstoff für den Verschleißschutz von großer Bedeutung ist. Das Hartstoffpulver kann mit unterschiedlichem Wolframkarbid-Körnungsdurchmesser zur Beschichtung verwendet werden. Je feiner gemahlen, desto größer ist dessen Härte. Jedoch führen zu feine Partikel auch zu vermehrtem Verschleiß der Schicht und verminderter Bruchzähigkeit. Durch die Verarbeitung von wenigstens zwei Werkstoffen im generativen Fertigungsprozess eröffnen sich neue Perspektiven zur Herstellung komplexer Werkzeug- und Formeinsätze. So kann mit nur einer Anlage das Bauteil inklusive Beschichtung erzeugt werden. Darüber hinaus können bereits etablierte Techniken wie strömungsoptimierte und oberflächennahe Kühlkanäle in das Werkstück integriert werden. Durch die direkte Umsetzung aus den dreidimensionalen Konstruktionsdaten in Formeinsätze spielt die Komplexität der Bauteile in der Herstellung nur eine untergeordnete Rolle. Das in diesem Forschungsvorhaben zu entwickelnde Verfahren nutzt die Vorteile der generativen Fertigungstechnologie, um den Herstellungsaufwand von Funktionsschichten zu minimieren. Durch den schichtweisen Aufbau der Werkzeuge wird die Beschichtung in unzugänglichen Hohlräumen und an Funktionsflächen ermöglicht. Dieses Verfahren leistet einen effizienten Beitrag zur Standzeiterhöhung und Realisierung anforderungsgerechter Funktionsflächen.

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