Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Standmengensteigerung von Schmiedegesenken und Warmumformwerkzeugen durch Integration von additiv gefertigten oberflächennahen Kühlelementen aus hochverschleißbeständigen Materialien

Für die Stückkosten eines Präzisionsschmiedeteils spielen die Werkzeugstandmenge und Rüstkosten eine maßgebliche Rolle. Schmiedegesenke verschleißen insbesondere durch die Werkstoffzerrüttung an der Oberfläche, die hauptsächlich durch die hohe Temperatur der Schmiedeteile und die schroffen Temperaturwechselzyklen verursacht wird. In den letzten Jahren gab es Bestrebungen, Gesenke zum Schmieden und Warmumformen durch oberflächennahe Kühlkanäle kühler zu halten und damit vor Verschleiß zu schützen. Durch die 3 D-Kontur der Gesenkoberfläche ist das meist nur durch selektives Laserschmelzen (SLS) herstellbar. Die heute verfügbaren Materialien für SLS weisen aber nur geringen Widerstand gegen den ebenfalls auftretenden abrasiven Verschleiß auf. Im beantragten Vorhaben soll deshalb Stellit als hochhartes Gesenkmaterial erstmals für das selektive Laserschmelzen qualifiziert werden. Um die Herstellkosten des Gesenks im wirtschaftlich attraktiven Rahmen zu halten, soll nur eine dünne Haube mit den feinen Kühlkanälen im 3 D-Druck hergestellt und auf einem inneren Kühlkörper befestigt werden. Dieser enthält die Zu- und Abführung des Kühlmediums und muss in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Temperaturverhältnisse der Fügestelle anpassbar sein, sodass eine gießtechnische Herstellung vorgesehen ist. Nach erfolgreicher Herstellung von Stellitbauteilen im SLS-Verfahren werden die Materialeigenschaften ermittelt und für eine Simulation der Gebrauchs- und Sicherheitseigenschaften derart hergestellter Gesenke genutzt. Es wird ein Demonstrator aufgebaut und unter industrieähnlichen Bedingungen erprobt und abschließend ein weiterer, gegebenenfalls verbesserter Demonstrator unter Industrieverhältnissen zum Einsatz gebracht. Neben höheren Standmengen und deren wirtschaftlichen Vorteilen in der Schmiedeindustrie werden vor allem Werkzeugbauer, Gießereien und 3 D-Druck-Unternehmen die Erk. nutzen können. Alle diese Industriezweige sind stark mittelständisch geprägt.

Ergebniszusammenfassung:

Das übergeordnete Ziel des Projektes zur Weiterentwicklung der Kühltechnik für Schmiedegesenke durch additiv gefertigte Hybridkonstruktionen mit verschleißbeständiger Oberfläche zur Erzielung von wirtschaftlich sinnvollen Gesenkstandmengen und zur Kompensation der höheren Kosten der additiven Fertigung wurde erreicht.

Im Rahmen von zahlreichen Studien und Untersuchungen ist es gelungen, die beiden Stellitesorten Celsit 21 und Celsit F für die Verarbeitung im LPBF-Verfahren zu qualifizieren. Dafür wurden beide Materialien unter Schutzgasatmosphäre aus Argon verarbeitet und es kam eine Bauplattformheizung zum Einsatz. Der Einsatz der additiven Fertigung führt zu einer geometrischen Formfreiheit, die kein konventionelles Fertigungsverfahren erreicht. Die Verarbeitung von beiden Stellitesorten kann für die Produktion von beliebigen Komponenten (branchenübergreifend) eingesetzt werden. Der Einsatz als verschleißfestes Material für die Gravur sowie die Verwendung von Hovadur als Trägermaterial zeigen die Möglichkeiten zur Qualifikation von alternativen Materialien bzw. Materialpaarungen für die Schmiedeindustrie bzw. für die additive Fertigung.

Der additiv zu fertigende Bereich wurde unter Berücksichtigung der thermischen und mechanischen Lasten mit möglichst kleinem Volumen ausgelegt. Bei der Skalierung auf eine industrielle Fertigung mit größeren Stückzahlen und der Verwendung einer Maschine mit größerem Bauraum können entsprechende Vor- und Nachbereitungsaufwände eingespart und somit die Gesamtkosten reduziert werden.

Des Weiteren kamen Simulationstechniken zum Einsatz, welche die Auslegung bzw. die Gestaltung des gesamten Aufbaus unterstützt haben und es wurde ermittelt, dass die beiden Bestandteile des Werkzeugs miteinander verlötet werden konnten. Ein hybrider Werkzeugaufbau und die damit verbundene Fügetechnik stellt somit eine Innovation in der Werkzeugfertigung dar und eröffnet neue Möglichkeiten zur Konstruktion und zur Gestaltung von Werkzeugen.