Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Additive Fertigung von Zerspanwerkzeugen aus Wolframkarbid-Kobalt

Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) ist ein additives Fertigungsverfahren (englisch: Additive Manufacturing, AM) zur Herstellung komplex geformter metallischer Bauteile. Die spanende Fertigung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen basiert in Deutschland weitgehend auf leistungsfähigen Werkzeugen aus Wolframkarbid-Cobalt-Hartmetall (WC-Co). Zur Fertigung von Werkzeugen aus WC-Co mittels LPBF gibt es bisher nur einige grundlegende Untersuchungen. Das LPBF-Verfahren bietet jedoch attraktive Vorteile in Bezug auf eine endkonturnahe Fertigung und die Geometriefreiheit. Insbesondere die mögliche Realisierung von innenliegenden, konturangepassten Kühlkanälen erlaubt höhere Schnittgeschwindigkeiten und damit eine deutliche Steigerung der Produktivität des Zerspanprozesses.

Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts sollen mittels LPBF Zerspanwerkzeuge aus WC-Co mit endkonturnaher Kühlung hergestellt werden. Ziel ist es, eine Zerspanleistung zu erreichen, die mindestens der von gesinterten Zerspanwerkzeugen entspricht. Der primäre werkstofftechnische Ansatz ist dabei die Homogenität des Gefüges zu erhöhen und die Bildung von Sprödphasen zu minimieren. Zudem muss der Anteil der Binderphase auf maximal 10 Gew.-% einstellbar sein.

Fraunhofer ILT erarbeitet die Prozesstechnik, wobei u. a. neue Vorheizkonzepte mit einer direkten Heizung des Pulverbetts erprobt werden. IWM der RWTH Aachen University charakterisiert die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften und korreliert diese mit den Verfahrensparametern um daraus Rückschlüsse für die Prozessanpassung zu ziehen. WZL der RWTH Aachen University entwickelt eine Nachbearbeitung für die additiv gefertigten Zerspanwerkzeuge und bestimmt in zerspantechnologischen Untersuchungen die Schneideigenschaften. Bei erfolgreichem Projektabschluss bietet sich für KMU die Möglichkeit auf jede Aufgabe (geometrisch) angepasste Hartmetallsubstrate intern in kleiner Losgröße zu fertigen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes konnten entlang der gesamten Prozesskette, beginnend mit der Pulvermodifikation, signifikante Einflüsse auf das Gefüge und Festigkeit des additiv hergestellten Hartmetalls identifiziert werden. Die entwickelte Vorheizstrategie gewährleistet eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die gesamte Bauplatte mit 950 ± 34 °C vor der Laserbelichtung. Mit dieser Vorwärmung konnte eine ausreichende Verdichtung für die anschließende Nachbehandlung verbunden mit einem moderaten Kornwachstum der Karbidphase im PBF-LB-Prozess erreicht werden.

Die druckunterstützte Nachbehandlung der additiv gefertigten Hartmetalle führte zu einer signifikanten Verdichtung. Durch das heißisostatische Pressen (HIP) konnte die Porosität im Probeninneren, jedoch nicht die Risse aus dem PBF-LB Prozess, verschlossen werden. Alternativ dazu genutztes Flüssigphasensintern in Vakuum mit einem Nachverdichtungsschritt in Argon (Sinter-HIP) schließt die Risse und kleinere Defekte. Die konventionell hergestellten und die additiv gefertigten Schneidplatten wurden mit gleichen Schnittparametern an den vorher ausgewählten Werkstoffen eingesetzt. Zwischen additiv und konventionell gefertigten Schneidplatten konnten keine Unterschiede in der Spanbildung festgestellt werden.

Die erfolgreiche Herstellung von Demonstratorbauteilen aus WC-12Co und die nachweisliche Verdichtung mit geringer WC-Korngröße demonstrierten das Potenzial des Verfahrens für die Kleinserienfertigung. Die breite Beteiligung der Firmen des PA an dem Entwurf eines Folgeantrag zeigt schließlich, dass die Firmen interessiert daran sind, die Projektergebnisse weiterzuentwickeln, um die additive Hartmetallfertigung als Innovation im eigenen Unternehmen einführen zu können.