Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kleinserienfertigung komplexer metallischer Bauteile durch binderbasierte 3D-Druck-Technologie

Der Metallpulverspritzguss (Metal Injection Moulding, MIM) ist ein in der Industrie etabliertes Verfahren zur Herstellung komplex geformter metallischer Bauteile in Serienproduktion, das allerdings aufgrund der Werkzeugkosten für geringe Stückzahlen unwirtschaftlich ist. Das binderbasierte 3D-Druckverfahren (3DP) zeigt als Additives Verfahren großes Potential, eine Ergänzung für MIM für die Vor-und Kleinserienproduktion darzustellen.

Allerdings wird beim 3DP im Gegensatz zum Spritzguss das Ausgangspulver schichtweise aufgetragen. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts soll untersucht werden, wie sich diese Art des Pulverauftrags und die Eigenschaften des Ausgangspulvers auf die erreichbare Dichte nach dem Sintern auswirken, und ob zu MIM vergleichbare Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und mechanische Eigenschaften erzielt werden können.

Das Fraunhofer IFAM führt dazu mit einem typischen MIM-Werkstoff (aushärtbarer Stahl 17-4PH) sowie einem hoch karbidhaltigen Werkzeugwerkstoff (Ferro-Titanit) Parameterstudien auf einer kommerziell verfügbaren 3D-Druck-Anlage durch. Am IWM der RWTH Aachen erfolgen FEM-Simulationen zur Modellierung der Sinter- und Wärmebehandlungsprozesse sowie eine umfassende Charakterisierung der Bauteileigenschaften unter statischer und zyklischer Belastung.

Bei erfolgreichem Projektabschluss bietet sich für KMU die Möglichkeit, den Markt für die Fertigung von Kleinserien komplexer MIM-Bauteile wirtschaftlich adressieren zu können. Zusätzlich ergeben sich neue Optionen zur Herstellung von Musterbauteilen für die Kundengewinnung und Funktionsmustern zur Reduzierung von Nacharbeitsaufwand in einer späteren MIM-Fertigung. Analog dazu ergeben sich entsprechende wirtschaftliche Vorteile für die Anwender von MIM-Teilen, da Bauteile schneller und kostengünstiger zur Verfügung stehen.

Ergebniszusammenfassung:

Die erfolgreiche Herstellung von Demonstratorbauteilen aus 17-4PH und die prinzipielle Verarbeitbarkeit des Hartstoffs Nikro128® demonstrierte das Potenzial der 3D-Druck-Technologie für die Kleinserienfertigung von Bauteilen als wirtschaftlich sinnvolle Ergänzung zum Metallpulverspritzguss (MIM). Im Mittel über alle Baurichtungen konnten die angestrebten mechanischen Mindestkennwerte hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Zähigkeit erreicht werden. Für die Schwingfestigkeit liegen durch die im Projekt generierten Daten nun mehr Informationen für den Werkstoff 17-4PH vor, als für die etablierte Herstellung über MIM. Für Anwendungen mit hohen Festigkeitsanforderungen können (zukünftige) 3DP-Dienstleister auf das HIP-Nachverdichten zurückgreifen, sodass typische MIM-Werte ohne Ausreißer sicher erzielt werden können.

Lediglich hinsichtlich der Oberflächengüte wurden die Spezifikationen von MIM-Bauteilen nicht erzielt. D Die Unternehmen des PA merkten an, dass vor dem industriellen Einsatz daher kostengünstige Verfahren zur kleinserientauglichen Nachbearbeitung von Oberflächen oder Funktionsflächen gesucht und verglichen werden sollten. Die Maßhaltigkeit ist noch schlechter als MIM, was aber auch an Verzug liegt, der über eine erweiterte Sintersimulation vorhergesagt und schon bei der Grünkörperfertigung berücksichtigt werden kann. Langfristig wird davon ausgegangen, dass durch ein verbessertes Prozessverständnis und-kontrolle die Eigenschaften in z-Richtung deutlich angehoben werden können.

Der breite Beteiligung der Firmen des PA an einem bereits begutachteten Folgeantrag zeigt schließlich, dass die Firmen interessiert daran sind, die Projektergebnisse weiterzuentwickeln, um die 3DP-Fertigung als Innovation im eigenen Unternehmen einführen zu können. Konkrete Bauteile hierfür sind alle Bauteile, die derzeit in Kleinserie mittels MIM gefertigt werden.