Wie lässt sich der störende Flittergrat beim Präzisionsschmieden von Aluminium vermeiden? Wissenschaftler aus Niedersachsen und ein Schmiedeunternehmen aus Nordrhein-Westfalen wollen das herausfinden.

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„Wir drucken die härtesten Materialien der Welt – der Schlüssel dazu liegt in einem hohen Kohlenstoffanteil“, so behauptet es jedenfalls Kolibri Metals. Der Betrieb produziert  u.a. Stempel, Matrizen und konturnahe Kühlungen für den Werkzeug- und Formenbau.

Schröder, Susanne

Vor Ort

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Additive Fertigung

Werkstoffe für additive Verfahren

Andere Werkstoffe

Die volle Härte

Die Rapid.Tech 3D bringt die Akteure des Additive Manufacturing vom 4. bis 6. Mai 2021 wieder in Erfurt zusammen. Neu ist ein Mix aus Live- und Digital-Event. Erste Aussteller sind bereits angemeldet.

Verfahren für die additive Fertigung

Anlagen für die Additive Fertigung

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, andere

PVC-Additive

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

CAM für die additive Fertigung

Software

Filamente für additive Verfahren

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Metall

Rapid.Tech 3D 2021: Live und digital

Die konturnahe Temperierung bringt große Vorteile im Werkzeug- und Formenbau. Allerdings nur, wenn die Temperierkanäle für den Durchfluss des Temperiermediums offen sind. Die Experten von iQTemp fassen ihre Lösungen mit der Kurzformel „Sauber ohne Sauerei“ zusammen. Mithilfe von Filtern und einem Aktiv-Schutz gegen Korrosion arbeiten auch sehr feine und komplexe Kanalstrukturen lange und zuverlässig.

Spritzgießwerkzeuge

Konturnahe Kühlung

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Saubere Temperierkanäle ohne Sauerei

Nonnenmann eröffnet mit dem Metall-3D-Druck ein neues Geschäftsfeld. Das Unternehmen bietet die Technologie als Komplettpaket mit Fertigbearbeitung an. Zum Einsatz kommt dabei ein neuer, korrosionsbeständiger Werkstoff zur additiven Fertigung.

Normalien

Verlängerte Werkbank

Nachhaltigkeit heißt der rote Faden, der sich vom 4. bis 6. Mai 2021 durch alle Foren der Kongressmesse Rapid.Tech 3D ziehen wird. Der Kongress findet erstmals auch digital statt, die Ausstellung ist als Präsenzveranstaltung geplant.

Fachkongress und Messe 2021

Messe Rapid.Tech 3D

Rapid.Tech 3D: Leitidee Nachhaltigkeit

Die Tagung Additive Fertigung – fokus: kunststoff steht im von 10. – 11. Februar 2021 als bewährter Branchentreff gleichermaßen für Aktualität wie für intensiven Austausch zwischen Experten, Forschung und Praktikern.

Weiterbildung, allgemeine

Seminare, Schulungen, Kongresse

3D-Drucker (für FDM, FFF, etc.)

Additive Fertigung – fokus: kunststoff 2021

Seit Jahresbeginn setzt die „Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung“ ihre Arbeit als „Fraunhofer Kompetenzfeld Additive Fertigung“ in bewährter Weise fort. Der Fokus im Jahr 2021 liegt auf dem Thema Nachhaltigkeit.

Fraunhofer-Allianz GENERATIV unter neuem Namen

Ein thematisch und personell hochkarätig besetzter Fachkongress mit wegweisenden Schlüsselvorträgen ist das Markenzeichen der Rapid.Tech 3D. Mit Herausforderungen und Lösungsansätzen von Additive Manufacturing (AM) für eine klimaneutrale Mobilität greifen die Keynotes das Thema Nachhaltigkeit als Leitmotto des Kongresses auf.

Keynotes nehmen Nachhaltigkeit ins Visier

In einem Forschungsprojekt zur Entwicklung additiv gefertigter, innengekühlter Schmiedegesenke konnte Stellitpulver für den 3D-Druck qualifiziert werden. Dieses überzeugt durch exzellente Eigenschaften für das Warm- und Halbwarmschmieden von Stahlteilen.

Hybride Schmiedegesenke

Die konturnahen Temperier-Lösungen für Spritzguss- und Druckgusswerkzeuge iQtemp von Renishaw und Listemann sind unempfindlich gegen Korrosion und Verschmutzung.

Konturnahe Temperierung

Mit Korrosionsschutz

Für seine neue Anlagenarchitektur hat Concept Laser Bauteilproduktion einerseits und Auf- und Abrüstvorgänge in zwei unabhängige Maschineneinheiten verlegt, die zudem beliebig kombinierbar sind. Dies ermöglicht es, Produktionsabläufe parallel statt sequentiell ablaufen zu lassen, sodass Stillstandzeiten deutlich reduziert werden und somit die Verfügbarkeit und Ausbringungsmenge der Prozesskette erhöht wird.  

M Line Factory geht neue Wege 

Concept Laser: Neues Anlagenkonzept für den 3D-Metalldruck  

Das neue 3D-Druckverfahren ist für funktionale Prototypen und Kleinserien geeignet. 

Dow Corning und German RepRap entwickeln "Liquid Additive Manufacturing" 

3D-Druck mit Flüssigsilikon  

Ob konturnahe Temperierung oder Prototypen aus dem 3D-Drucker: Die additive Fertigung spielt als ergänzende Technologie eine wichtige Rolle im Werkzeug- und Formenbau – und somit auch auf der wfb Fachmesse vom 21. bis 22. März 2017 in Siegen. 

Additive Fertigung im Werkzeug- und Formenbau 

3D-Druck auf der wfb  

3D-gedruckte hybride Schmiedegesenke aus Stellit

Konturnahe Kühlung reduziert Werkzeugverschleiß

Wissenschaftler*innen der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW) arbeiten an der Entwicklung eines Stellit-Werkstoffs für die Additive Fertigung. Damit könnte der Kühlungsprozess von Schmiedegesenken erheblich verbessert werden.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Entwicklung von additiv gefertigten, innengekühlten Schmiedegesenken zum Warm- und Halbwarmschmieden von Stahlbauteilen wurde Stellitpulver für den 3D Druck qualifiziert. Als Stellit bezeichnet man Co-Cr-Hartlegierungen, die sich als Kobaltbasislegierung durch eine exzellente Warmfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit in Kombination mit hoher Verschleißbeständigkeit auch bei Hochtemperaturanwendungen auszeichnen. Mit diesen Eigenschaften bietet das Material einen großen Mehrwert gegenüber den aktuell druckbaren Legierungen.

Stellit besitzt einen relativen hohen Kohlenstoffanteil, der dazu führt, dass bis zu 50 % des Volumens aus Karbiden besteht. Diese Karbidausscheidungen im Gefüge sind die Ursache für die höhere Warmfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gesenkwerkstoffen, wie bspw. 32CrMoV12–28. Die Eigenschaften des Stellits deuten auf ein hohes Potenzial für eine Anwendung als Schmiedegesenk hin.

Konturnahe Kühlung vs. Oberflächensprühkühlung

Während des Schmiedeprozesses sind die Gesenke Temperaturen von bis zu 1250 °C ausgesetzt. Zur Reduzierung des Werkzeugverschleißes müssen die Temperaturspitzen, insbesondere an der unmittelbar mit dem Werkstück in Kontakt tretenden Oberfläche, abgesenkt werden. In der Schmiedeindustrie wird hierzu eine Oberflächensprühkühlung genutzt. Dazu wird zwischen zwei Schmiedezyklen Kühlmittel (meist wasserbasiert) von außen auf die erhitzten Werkzeuge aufgesprüht. Das Auftreffen des Kühlmittels auf das heiße Werkzeug führt zu einer schlagartigen Abkühlung. Durch thermische Ausdehnungsprozesse induziert der entstehende Thermoschock Spannungen, denen eine Gefügezerrüttung der Gesenkoberfläche folgt. Eine konturnahe Kühlung könnte dies vermindern, indem die Oberflächentemperatur konstant niedriger gehalten wird.

Produktivitätsgewinn kompensiert höhere Herstellkosten

Mit herkömmlichen Fertigungsverfahren lässt sich eine konturnahe Kühlung der Gesenke jedoch nicht realisieren. Das LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion; auch SLM, Selective Laser Melting) bietet als additives Herstellungsverfahren die geometrischen Freiheiten, die es ermöglichen das Gesenk mit einer innenliegenden, konturnahen und bedarfsgerechten Kühlung auszustatten. In hochproduktiven Schmieden finden innerhalb einer Schicht u.U. mehrere Werkzeugwechsel statt. Eine konturnahe Kühlung soll zu einer höheren Verschleißbeständigkeit der Werkzeuge führen, wodurch längere Standzeiten erreicht werden. Die dadurch eingesparte Rüstzeit gestaltet den Schmiedeprozesse effizienter. Durch den Gewinn an Produktivität können die höheren Herstellkosten durch die 3D Drucktechnologie kompensiert werden. Außerdem wird in der Auslegung der Gesenke darauf geachtet, den Nutzen der additiven Herstellung für die Anwendung zu maximieren. Aus diesem Grund wird innerhalb des Forschungsvorhabens das Gesenk als hybrides Werkzeug aufgebaut (s. Abbildung 1).

Weitere Vorteile additiv gefertigter Gesenke

Neben der Standzeiterhöhung bringt die additive Fertigung der Gesenke weitere Vorteile mit sich. Beispielsweise können durch die bedarfsgerechtere Kühlung engere Maßtoleranzen eingehalten und somit die Genauigkeit der geschmiedeten Bauteile erhöht werden. Dies führt zu einer Qualitätssteigerung im Schmiedeprozess. Außerdem ist durch die geometrische Freiheit in der Konstruktion ein breiteres Anwendungsgebiet der Werkzeuge vorstellbar.

Doch bevor der 3D-Druck eines ausgewählten Metalls genutzt werden kann, muss der Werkstoff durch zahlreiche Versuchsreihen für den Prozess zu qualifiziert werden. Innerhalb dieser Versuchsreihen wird eine Vielzahl von Parametern aufeinander abgestimmt. Hierzu werden zunächst Würfel mit verschiedener Energiedichte gedruckt. Als Energiedichte bezeichnet man die Energie, die durch den Laserstrahl zur Aufschmelzung des Werkstoffs pro Volumeneinheit auf das Pulverbett in der Prozesskammer einwirkt. Sie setzt sich aus der Laserenergie, der Scangeschwindigkeit, dem Spurabstand des Lasers und der Pulverschichtdicke zusammen. Bei nicht gut aufeinander abgestimmten Parametern besteht ein hohes Risiko an Bindungsfehlern. Neben der Energiedichte müssen weitere Dinge, wie die Anordnung der Bauteile auf der Bauplattform, der Sauerstoffgehalt oder die Temperatur im Prozess berücksichtigt werden. Selbst innerhalb eines stabilen Prozessfensters können kleinste Schwankungen, wie beispielsweise die Verwirbelung in der Schutzgasführung oder die Verschmutzung des Laserschutzglases zu einer massiven negativen Beeinflussung des Druckergebnisses führen. Bei der Vielzahl an Einflussgrößen wird schnell deutlich, dass der Metalldruck deutlich komplexer ist als beispielsweise der Druck von Kunststoffen.

Den Wissenschaftler*innen der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW) in Remscheid ist es in einer ersten Studie gelungen, rissarme Proben aus Stellit mit einer Härte von bis zu 45 HRC und einer Dichte von über 99,8 % aufzubauen (s. Abbildung 2 und 3). Ausgewählt wurde die Stellitsorte Celsit 21 der Deutschen Edelstahlwerke GmbH & Co. KG. Die Versuche wurden mit einem Creator der Firma O.R. Lasertechnologie GmbH unter Argonschutzgasatmosphäre durchgeführt. Zur Untersuchung der Eigenschaften im Schmiedeprozess ist bereits ein erster Stellitkörper als Gesenkoberfläche mit integrierter Kühlung hergestellt worden (s. Abbildung 4). Zurzeit wird an der Qualifizierung von Cellsit F im LPBF¬-Prozess gearbeitet. Diese Legierung weist eine höhere Härte als das Celsit 21 auf. Durch die Entwicklung des LPBF Prozess zur Verarbeitung von Stellit, erhoffen sich die Forscher*innen, hochbelastbare Materialien für die breite Anwendung an Werkzeugen oder zur Panzerung im Hochtemperaturbereich für den 3D Druck nutzbar machen zu können.

FGW Forschungsgemeinschaft Werkzeuge u. Werkstoffe e.V. 

https://www.fgw.de

Abbildung 1: Schmiedegesenk als hybrides Werkzeug

Abbildung 2: Schliffbild von Celsit 21, 3D-gedruckt

Gefügeaufnahme von Celsit 21, 3D-gedruckt, geätzt mit erkennbaren Schweißspuren und gleichmäßigen, homogenen Gefügeaufbau

Abbildung 4: Gedruckter Stellitkörper als Teil des hybriden Schmiedewerkzeugs

3D gedruckte hybride Schmiedegesenke aus Stellit

Das IGF-Vorhaben 20773 N der Forschungsvereinigung Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW), 42859 Remscheid, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Mareen Goßling, M.Sc., <a href="mailto:gossling@fgw.de">gossling@fgw.de</a>

Dr. Hans-Jürgen Gittel, Dr. Robin Roj, Dr. Ralf Theiß, Dr. Peter Dültgen.

<a href="https://www.fgw.de/" target="_blank">Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW)</a>

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