Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erforschung, Entwicklung und Anwendungsdemonstration von gradierten hybriden Schichten: Kombiniertes draht- und pulverbasierte Laserauftragschweißen zur Standmengenerhöhung verschleißbelasteter Werkzeuge: „LMD Hybrid“

KMU in der warmarbeitenden Industrien sind heute gezwungen, die Produktionskosten weiter zu minimieren und den Durchsatz und die Qualität der gefertigten Teile zu maximieren. Daher werden neuartige Warmarbeitsstähle und Umhüllungsmaterialien mit verbesserten Eigenschaften gefordert, um diesem Sachverhalt nachzukommen. Im Projekt "LMD Hybrid" sollen daher hybride Materialien - TiC-verstärkte Werkzeugstähle - erforscht und durch kombiniertes draht- und pulverbasiertes Laserauftragschweißen als gradierte Verschleißschutzschichten auf die 3D-Oberflächen von Werkzeugen aufgetragen werden. Die Gradierung soll einerseits zur Erhöhung des Karbidgehalts an der Oberfläche und somit der Verschleißbeständigkeit führen und andererseits die Optimierung der inneren Spannungen des Schichtverbunds ermöglichen. Das IWM wird in dem Vorhaben die Werkstoffauslegung übernehmen und basierend auf Gefüge- und Eigenspannungssimulationen Empfehlungen hinsichtlich der erforderlichen Schichtzusammensetzung und -gradierung für die jeweiligen Anwendungsfälle geben. Am IPT werden der LMD -Prozess für die Herstellung der TiC-verstärkten Stähle entwickelt und die Proben für die eng an den Prozess gebundene Werkstoffentwicklung gefertigt und anschließend mit dem IWM zusammen charakterisiert. Parallel entwickelt die FVP eine CAM-Strategie, die die Übertragung des Prozesses auf 3D-Oberflächen ermöglicht. Im letzten Halbjahr der Projektlaufzeit sollen die gewonnenen Erkenntnisse dazu verwendet werden, Demonstratorwerkzeuge zu beschichten und die hybriden Gradientenschichten anwendungsnah bei den Industriepartnern zu validieren. KMU werden so in die Lage versetzt, Bauteilbereiche mit einer gezielten Parametereinstellung an lokale Belastungen mechanischer, thermischer und chemischer Art anpassen zu können, was zu einer deutlich erhöhten Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Werkzeuge, und damit zu einem auch internationalen Wettbewerbsvorteil führt.

Ergebniszusammenfassung:

Die Lebensdauer technischer Bauteile und Werkzeuge wird maßgeblich durch ihre Korrosions- und Verschleißbeständigkeit bestimmt. Abrasiver Verschleiß zählt hierbei zu den häufigsten Gründen des Werkzeugversagens beziehungsweise des Funktionsverlustes. Obwohl Verschleiß in der überwiegenden Anzahl der Fälle nur die Werkzeugoberfläche betrifft, wird oftmals das ganze Bauteil ausgetauscht. Der auf Verschleiß zurückzuführende ökonomische Schaden ist somit immens und wird auf bis zu 7 % des Bruttosozialproduktes der Bundesrepublik Deutschland bzw. 10 % des Primärenergieverbrauches geschätzt. Die Reduktion des Verschleißes und die damit erzielbare Standzeiterhöhung von Werkzeugen nur um wenige Prozent sind somit ökonomisch bereits äußerst relevant und wünschenswert.

In diesem Forschungsvorhaben wurden Standzeiterhöhungen durch das Erzeugen einer Verschleißschutzschichten aus Titankarbid (TiC)-verstärkten Stählen erreicht. Diese werden durch kombiniertes draht- und pulverbasiertes

Laserauftragschweißen erzeugt. Zugehörige Prozesse können weiterhin durch eine hierauf zugeschnittene CAD-CAM-Planungsstrategie effektiv mit bestehenden CAD-CAM-Planungssystemen ausgelegt werden. Die erreichte Erhöhung der Verschleißbeständigkeit und somit die Vergrößerung der Standmengen von Werkzeugen bietet in diesem Spannungsfeld die Möglichkeit, produzierende KMU in Deutschland auf diesem Gebiet besser zu positionieren.

Darüber hinaus profitieren Software-Anbieter aus den Bereichen CAD und CAM von den im Vorhaben entwickelten

Bahnplanungs- und Simulationskonzepten. CAD/CAM-Anbieter am Standort Deutschland sind ebenfalls vermehrt klein oder mittelständisch Durch eine industrielle Umsetzung der angestrebten Projektergebnisse können sich diese im international umkämpften Markt mit einem Volumen von ca. 10 Milliarden Euro erhebliche Wettbewerbsvorteile sichern.