„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

form-werkzeug.de

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

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.

Konturnahe Kühlung reduziert Werkzeugverschleiß

Schmiedeteile

Maschinenelemente

Mechanische Konstruktionselemente

Konturnahe Kühlung

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

3D-gedruckte hybride Schmiedegesenke aus Stellit

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

Dienstleistungen

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

Die Planungen der Formnext mit einem hybriden Messekonzept und einer echten Präsenzmesse vom 16. bis 19. November in Frankfurt stößt auf ein positives Echo der Aussteller: Bereits Ende April hatten 351 Unternehmen aus der gesamten Welt ihre Teilnahme an der Formnext 2021 zugesagt.

Messe formnext

Schon 350 Aussteller-Anmeldungen

Auf den Rapid.Tech 3D-Foren ›Software, Prozesse & Konstruktion‹ sowie ›Werkzeug-,Modell- & Formenbau‹ stellen Anwender Beispiele für nachhaltige AM-Lösungen vor.

Foren zeigen nachhaltige AM-Praxislösungen

Das Unternehmen Materialise (NASDAQ: MTLS) teilt mit, dass es von Airbus die Qualifizierung für die Herstellung flugfertiger Teile mit Lasersintertechnologie erhalten hat. Das dazu von EOS hergestellte Material ist ein schwer entflammbares Polyamid (PA 2241 FR). Mit dieser Entwicklung sind Materialise und EOS die ersten Zulieferer, die von Airbus für die Herstellung von lasergesinterten Teilen unter der Prozessspezifikation AIPS 03–07–022 qualifiziert wurden. Materialise bietet jetzt zwei von Airbus genehmigte 3D-Drucktechnologien für flugbereite Bauteile an. 

3D-Druck-Anlage, pulverbettbasiert, Metall

Polymer-3D-Druck von Materialise wird von Airbus zertifiziert

Das ist der neue kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundstoff für das Powder-Bed-Fusion-Verfahren von CRP Technology. Der Technische Direktor und CEO von CRP Technology, Ingenieur Franco Cevolini berichtet: »In der Welt der additiven Fertigung mit PBF-Verfahren ist „Windform RS“ konkurrenzlos: Es ist uns gelungen, einen Werkstoff zu schaffen, der hohe Zugfestigkeit mit hoher Bruchdehnung und geringer Dichte kombiniert.«

Zugfest, dehnbar und leicht

In den Foren „AM Wissenschaft“ und „Neues aus AM“ werden zum digitalen Rapid.Tech 3D-Fachkongress neueste Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung vorgestellt.

Rapid.Tech 3D digital bietet Einblicke in die nahe und ferne Zukunft des 3D-Drucks

Mit 3D-gedruckten Werkzeugeinsätzen aus Keramik konnte das Mundstück zur Extrusion von Ziegeln so individuell angepasst werden, dass bisher unmögliche, neue, funktionale Ziegelformen herstellbar wurden. Auch die Standzeit der Werkzeugeinsätze aus Al2O3-Keramik ist denen aus konventionellem Stahl deutlich überlegen.

Keramikwerkzeuge

Präzisionswerkzeuge

Keramik

Mit Keramik-Werkzeugeinsätzen zum „Super-Ziegel“

Neues Material im Portfolio: PA12 glasgefülltes Nylon für besonders hohe Steifigkeit unf chemische Beständigkeit

Weerg 3D druckt mit PA12 glasgefülltem Nylon

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.

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.

Als Stellit bezeichnet man Kobalt-Chrom-Hartlegierungen (CoCr), 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 aktuell druckbaren Legierungen.

Dabei besitzt Stellit einen relativ  hohen Kohlenstoffanteil, der dazu führt, dass bis zu 50 Prozent des Volumens aus Karbiden besteht. Diese Karbidausscheidungen im Gefüge sind die Ursache für die höhere Warmfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Gesenkwerkstoffen, wie etwa 32CrMoV12–28. Ein hohes  Potenzial für eine Anwendung des Stellits als Schmiedegesenk zeichnet sich ab.

Konturnahe Kühlkanäle statt  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.

Mit herkömmlichen Fertigungsverfahren lässt sich eine konturnahe Innen-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 innen liegenden, konturnahen und bedarfsgerechten Kühlung auszustatten. In hoch produktiven 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 mithilfe der 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.

Verbesserung der Standzeit  und der Qualität

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 weiteres Anwendungsgebiet der Werkzeuge vorstellbar.

Doch bevor der 3D-Druck eines ausgewählten Metalls genutzt werden kann, muss der Werkstoff durch zahlreiche Versuchsreihen für den Prozess qualifiziert werden. 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 Parameter, 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 Wissenschaftlern 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 Prozent aufzubauen. 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. Zurzeit wird an der Qualifizierung von Celsit F im LPBF-Prozess gearbeitet. Diese Legierung weist eine höhere Härte als das Celsit 21 auf. Durch die Entwicklung des LPBF-Prozesses zur Verarbeitung von Stellit erhoffen sich die Forscher, 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

Lesen Sie außerdem in dieser Ausgabe:

<ul><li>Exzellenz kennt keine Krise: Werkzeugbau des Jahreswurde erkoren</li><li> Schlüsselfertiges Werkzeug: Heiße Seite inklusive Normalien geliefert</li><li> Planungssicherheit im Detail: Formenbauer verbessert die Transparenz im Betrieb</li></ul>

Ausgabenartikel

Gleichmäßig: Das 3D-gedruckte Celsit 21, geätzt mit erkennbaren Schweißspuren, weist einen gleichmäßigen, homogenen Gefügeaufbau auf

Widerstandsfähig: Der gedruckte Stellitkörper als Teil des hybriden Schmiedewerkzeugs

Interne Kühlung: Funktionsbild des Schmiedegesenks, ausgelegt als hybrides Werkzeug und in Stellit gedruckt

FGW - Hauptartikel

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.

Institut für Werkzeugforschung und Werkstoffe (IFW) der FGW und Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Leibniz Universität Hannover www.fgw.de

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