Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Maßgeschneiderte verschleißfeste Verbundbauteile durch Additive Manufacturing und heißisostatisches Pressen

Die pulvermetallurgischen Verfahren Additive Manufacturing (AM) und Heißisostatisches Pressen (HIP) können vielfältig kombiniert werden. Zwar wird HIP bereits genutzt, um mechanische Eigenschaften wie z. B. die Dauerfestigkeit von AM-Bauteilen zu verbessern. Aber erst eine umfassende Prozesskette unter Hinzuziehung einer numerischen Simulation ermöglicht es, einfach und flexibel Hochleitungsbauteile zu fertigen, die konventionell nur mit sehr hohem Aufwand möglich wären.

Im beantragten Vorhaben wird ein Weg aufgezeigt, komplex geformte, verschleißfeste Verbundbauteile endkonturnah zu fertigen. Dazu wird eine HIP-Kapsel aus einem verschleißfesten Stahl aufgebaut, mit einem zähen Vergütungsstahlpulver gefüllt und zu voller Dichte konsolidiert. Die durch HIP hervorgerufene Verdichtung und Verformung werden vor der AM-Fertigung durch eine numerische Simulation berücksichtigt und der Kapselgeometrie aufgeschlagen. Nach dem HIP liegt das Bauteil nahezu in Endabmaßen vor und muss nur noch an Funktionsflächen nachbearbeitet werden.

Im Vorgängervorhaben wurde erfolgreich das prinzipielle Vorgehen mit einem monolithischen Bauteil aus einem rostfreien, austenitischen Stahl gezeigt. Mit dem genutzten AM-Verfahren Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) war es allerdings nicht möglich, einen hochkarbidhaltigen verschleißfesten Stahl rissfrei zu verarbeiten. In diesem Vorhaben werden deshalb im ersten Schritt drei AM-Verfahren (PBF-EB, BJT, DED) auf ihre Eignung zur Verarbeitung von hochkohlenstoffhaltigen Stählen evaluiert. Schließlich wird ein Verfahren ausgewählt, mit dem ein komplex geformtes, verschleißfestes Demonstratorbauteil aufgebaut und charakterisiert wird.

Sämtliche Arbeiten sowie Werkstoffauswahl und die Festlegung der Demonstratorgeometrie laufen stets in enger Abstimmung mit dem PA. Insbesondere KMU werden durch das Vorhaben detaillierte Erkenntnisse über AM erhalten und mit der Prozessroute ihr Produktportfolio erweitern können.

Ergebniszusammenfassung:

Das Hauptziel kann in der erfolgreich herausgearbeiteten Prozessroute FEM-Optimierung → Additive Fertigung → HIP-Verdichtung zur Fertigung verschleißbeständiger Kompositbauteile mit zähem Kern gesehen werden. Wie gezeigt werden konnte, ist es mithilfe der numerischen FEM-Simulation möglich, die Geometrie von komplex geformten Bauteilen so auszulegen, dass am Ende der Prozessroute die Bauteile bereits mit einer Genauigkeit von etwa 2 Prozent endkonturnah vorliegen.

Die Prozessparameter wurden dabei im Projektverlauf stets an industriell eingesetzten Parametern orientiert. Somit wurde sichergestellt, dass die Ergebnisse des Projektes nach kostengünstigen Übertragbarkeitsstudien in der Industrie angewendet werden können. Das prinzipielle Vorgehen konnte mit dem verschleißbeständigen Stahl X245VCrMo10-5-1 (AISI A11) sowohl im pulverbettbasiertem Elektronenstrahlschmelzen, als auch im Metall Binderjetting gezeigt werden. Für diesen Werkstoff konnten an den Forschungsstellen alle relevanten Werkstoffparameter ermittelt werden. Ein Bauteil, das von einer der beteiligten Firmen im projektbegleitenden Ausschuss zur Verfügung gestellt wurde, wurde für die neue Prozessroute aufbereitet und ein Demonstrator produziert. Verschiedene Konzepte wurden erarbeitet, mit denen das Bauteil mit der neuen Prozessroute möglichst ressourceneffizient gefertigt werden kann.

Im industriellen Kontext könnten die Ergebnisse bereits jetzt für Entwicklungsarbeiten oder Einzelteilfertigung aus X245VCrMo10-5-1 verwendet werden. Um die Projektergebnisse möglichst breit industriell anwenden zu können, müssen entsprechend für die verwendeten Materialien spezifische Werkstoff- und Prozessparameter bestimmt werden.