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Ausgewählte Ausgabe: 10-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Druck von komplexen Hartmetallwerkzeugen

Der Komplexität von Hartmetallbauteilen sind aktuell durch konventionelle Formgebungs prozesse Grenzen gesetzt. Es können vergleichsweise nur einfache Geometrien realisiert werden. Moderne Werkzeuge erfordern jedoch häufig wesentlich komplexere Geometrien, die aufwendig und kostenintensiv durch Zerspanen und Schleifen von Hartmetallrohlingen mit Diamantwerkzeugen oder mittels Erodieren hergestellt werden. Auch Kleinserien oder Prototypen werden teils so gefertigt, um die hohen Anschaffungskosten der Formgebungswerkzeuge zu umgehen. Um neuartige Geometrien und neue Lösungen für die Industrie anbieten zu können, forscht das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS an der additiven Fertigung von Hartmetallen.


Hartmetall  ist  ein  leistungsfähiger Werkstoff, der sich vor allem durch seine hohe Härte und Verschleißfestigkeit bei  gleichzeitig  guter  Zähigkeit  auszeichnet. Dadurch finden Hartmetalle in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung,  zum  Beispiel  als  Werkzeugmaterial  für  Zerspan-  oder  Umformprozesse oder als Verschleißbauteil im Bergbau,  Straßenbau  oder  der  Landwirtschaft.  Die  Herstellung  von  Hartmetallbauteilen findet pulvermetallurgisch statt, das heißt die Ausgangsstoffe liegen in Pulverform vor, werden gemischt  und  durch  Formgebungsprozesse  wie  uniaxiales  Pressen  oder  Extrusion  zu  sogenannten  Grünteilen verarbeitet.  Diese  Grünteile  müssen anschließend  durch  einen  Wärmebehandlungsprozess,  das  Sintern,  weiter verdichtet  werden,  um  die  gewünschten  Materialeigenschaften  wie  hohe Härte und Festigkeit zu erreichen.

Aktuelle additive Verfahren

Bildartikel zu Bild 1_IWB_Fraunhofer IKTS.JPG

Bild 1
FFF-gedrucktes Hartmetallbauteil.

Im  Bereich  der  additiven  Fertigung existieren  verschiedene  Verfahren, aber nicht alle sind gleichermaßen für Hartmetalle geeignet. So lässt sich die Stereolithografie, mit der beispielsweise  sehr  komplexe  keramische  Bauteile hergestellt  werden  können,  für  Hartmetalle  aufgrund  ihrer  unzureichenden  optischen  Transparenz  nicht  anwenden.  Beim  Selektiven  Lasersintern (SLS), bei dem Pulver lokal durch einen Laser erwärmt und geschmolzen wird, ist  es  ebenfalls  nicht  möglich,  ein  zufriedenstellendes  Hartmetallgefüge  zu erzeugen.  Vielmehr  eignen  sich  für Hartmetalle  das  Fused-Filament-Fabrication (FFF) oder der 3-D-Pulverdruck. Beim FFF-Verfahren wird der Grünkörper aus einem Filament aufgebaut (Bild 1) und anschließend wärmebehandelt. Mit  diesem  Verfahren,  das  das  Fraunhofer IKTS speziell für Hartmetall angepasst hat, lassen sich Hartmetalleigenschaften  wie  bei  konventionell  gefertigten  Bauteilen  erreichen.  Beim 3-D-Pulverdruck (Binder-Jetting) dagegen wird eine Organik in ein Pulverbett gedruckt.

Optimiertes Binder-Jetting

Dieser  Prozess  wurde  am  Fraunhofer IKTS für Hartmetalle so optimiert, dass dichte Bauteile mit komplexer Geometrie hergestellt werden konnten. Beim Binder-Jetting wird das gemischte und granulierte  Hartmetallpulver  schichtweise  aufgerakelt  und  mittels  eines Druckerkopfs  durch  Aufbringen  eines organischen  Binders  lokal  verfestigt, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird.  Entsprechend  der  CAD-Daten entsteht  so  Schicht  für  Schicht  das Bauteil. 

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Autoren

Dr.-Ing. Johannes Pötschke

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