Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Additive Fertigung kohlenstoffreicher Stähle mittels Laser- Powder Bed Fusion (AddKoSt)

Forschungsgegenstand ist die Optimierung der mittels Laser-Powder Bed Fusion (L-PBF) erzeugbaren Gefüge aus kohlenstoffreichem Werkzeugstahl zur additiven Herstellung von Werkzeuggrundkörpern, -haltern und -spannmitteln. Zur Vermeidung von thermischen und spannungsinduzierten Rissen wird im derzeitigen Stand der Technik im L-PBF-Prozess mit Vorheizung der Bauplattform bis ca. 500°C gearbeitet. Die mittels L-PBF hergestellten Komponenten bedürfen dann noch einer thermischen Nachbehandlung. Ziel dieses Vorhabens ist eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette aus L-PBF und Post Processing, um den Aufwand für die thermische Nachbehandlung und mechanische Endbearbeitung zu minimieren. Dafür werden zwei Prozessrouten in Vorheiztemperaturbereichen bis 800°C untersucht. Neben der Einstellung geforderter mechanischer Eigenschaften stehen geometrische Merkmale und optimierte Oberflächengüten im Fokus des Vorhabens. Die Verifizierung der im L-PBF-Verfahren erzeugten Gefüge erfolgt in werkstoffkundlichen Analysen sowie im Einsatztest von applikationsoptimierten Werkzeugdemonstratoren. Die Mitglieder des PA werden insbesondere in dieser Phase der Applikations- und Prozessroutenbewertung stark eingebunden, um die industrielle Umsetzung der Ergebnisse und Erkenntnisse aus der Forschung nach Projektende zu unterstützen. Die Fertigung von kundenindividuellen Sonderwerkzeugen gehört vielfach zu den Kernkompetenzen von KMU. Durch die additive Herstellung können Werkzeuge und -halter mit Hilfe von optimierten Kühlmittelzufuhrkonzepten, adaptierten Material- und Struktureigenschaften (dynamisches Verhalten) oder optimierter Gestaltung einzelner makrogeometrischer Bauteilelemente leistungsfähiger gemacht werden. Die Erweiterung des Materialspektrums für den L-PBF-Prozess um die Materialklasse der Werkzeugstähle, die in der konventionellen Fertigung standardmäßig verwendet werden, ist für die Werkzeugtechnik von außerordentlichem Interesse.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Qualifizierung von kohlenstoffreichen Stählen für den PBF-LB/M-Prozess und die Anwendung dieser Werkstoffe bei der additiven Herstellung von Werkzeuggrundkörpern. Kohlenstoffreiche Werkzeugstähle, wie sie bei der konventionellen Herstellung in der Werkzeugindustrie üblicherweise eingesetzt werden, finden aufgrund hoher Kaltrissneigung bisher bei additiver Fertigung kaum Verwendung. Im Projekt wurden die drei Werkstoffe 1.2343, 1.2714 und 1.2885 untersucht und unter Einsatz verschiedener Prozessrouten erfolgreich für den PBF-LB/M-Prozess qualifiziert. Favorisiert wird ein additiver Aufbau bei einer Verarbeitungstemperatur von 350°C – 450°C, die gezielt die Umwandlungslücken der Werkstoffe ausnutzt. Mit dieser, über eine Bauplattenvorheizung eingestellte Verarbeitungstemperatur, ließen sich die Werkzeugstähle kaltrissfrei und porenarm prozessieren. Die Bauteile sind nach dem additiven Aufbau unmittelbar gehärtet und weisen durch die schnelle Erstarrung eine für die additive Verarbeitung charakteristische feinzellulare Struktur auf. Das thermische Post-Processing beschränkt sich auf eine Anlassbehandlung. Die Stoffsysteme zeigen im Vergleich zur konventionellen Wärmebehandlung eine verbesserte Anlassbeständigkeit und ein erhöhtes Sekundärhärtemaximum, sofern vorhanden. Im additiven Aufbau erreichbare Maß- und Oberflächentoleranzen wurden optimiert und an werkzeugcharakteristischen Geometrien erprobt. Sie erfordern lediglich an Funktionsflächen, wie Plattensitzen, eine mechanische Nacharbeit. Die prozess- und werkstoffkundlichen Erkenntnisse des Projekts sind in zwei Einsatzszenarien angewendet worden. In beiden Fällen wurden rotierende Fräswerkzeuge unter Berücksichtigung konstruktiver Empfehlungen aus den Erkentnissender Geometriestudie funktionsoptimiert. Zielgrößen waren die Kühlkanalgestaltung, Gewichtsreduzierungen und Steifigkeitserhöhungen sowie der hybride Aufbau der Werkzeuggrundkörper auf Werkzeugschnittstellen.