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Ausgewählte Ausgabe: 11-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Additiv gefertigte Kupferlegierungen: reif für den Werkzeug- und Formenbau?

Aushärtbare Kupferlegierungen kombinieren hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit mit ausgezeichneter Warm- und Verschleißfestigkeit [1;2]. Diese Eigenschaften führen bei einer Verwendung als Werkzeugeinsatz zu langen Standzeiten bei gleichzeitig kurzen Taktzeiten – und damit zu einer Steigerung der Produktivität des gesamten ur- oder umformenden Fertigungsprozesses. Zusätzlich ist es möglich, die Produktivität durch die Funktionalisierung von Werkzeugen, zum Beispiel das Einbringen konturnaher Kühl- oder Temperierkanäle mittels selektivem Laserstrahlschmelzen (SLM), weiter zu steigern.


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Bild 1.
Selektives Aufschmelzen des Metallpulvers im Laserstrahlschmelz-Prozess.

Die Verarbeitung von Kupferlegierungen mittels SLM für den Bau von Werkzeugen könnte die werkstoff- und technologieseitigen Potentiale vollständig ausschöpfen. Allerdings zählen Kupferlegierungen noch nicht zu den Standardwerkstoffen, die umfassend für die SLM-Anwendung, Bild 1, untersucht wurden und prozesssicher eingesetzt werden können. Gründe dafür sind die hohe Wärmeleitfähigkeit sowie die hohe Reflektivität dieser Werkstoffe, die die Energieeinkopplung mittels Laser erschweren [2].
Zur Überwindung dieser Beschränkungen wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin die Verarbeitung der Kupferlegierung CuCr1Zr mittels SLM und die Leistungsfähigkeit daraus hergestellter Werkzeuge für das elektromagnetische Umformen (EMU) umfassend untersucht. Nachfolgend werden ausgewählte Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen dargestellt. Das erarbeitete Wissen zur SLM-Werkstoffqualifizierung sowie zur mechanischen und thermischen Nachbehandlung können auf weitere Kupferlegierungen mit diversen Applikationen im Werkzeug- und Formenbau übertragen werden.

Der Werkzeug-/Formenbau ist eine Kernbranche für SLM

Der Werkzeug- und Formenbau ist als Zulieferer für viele andere Branchen einer der Innovationsmotoren der deutschen Industrie. Die überwiegend mittelständisch geprägten Unternehmen sind bei steigenden Qualitätsanforderungen ständigem Kosten- und Zeitdruck ausgesetzt. Die Produkte werden meistens einzeln oder in Kleinserie hergestellt, bei gleichzeitig hochkomplexen und kundenindividuellen Geometrien. Wettbewerbsvorteile, zum Beispiel durch eine Verkürzung der Prozesskette oder die Integration neuer Funktionen mittels innovativer Fertigungsverfahren, sind für die Branche essentiell und daher von großem Interesse.
SLM durchdringt als additives Fertigungsverfahren immer mehr Industriezweige und gewinnt in vielen Wertschöpfungsketten an Bedeutung. Die durch SLM hergestellten Bauteile zeichnen sich durch die hohe relative Dichte von circa 99 % sowie gute mechanisch-technologische Eigenschaften aus. Einer der Hauptanwendungsbereiche des Verfahrens ist die Werkzeugherstellung. Durch die Verfahrensbesonderheiten von SLM lassen sich Geometrien beliebiger Form realisieren und es ist beispielsweise möglich, Kühlkanäle in geometrisch hochkomplexe Werkzeuge konturnah einzubringen. Des Weiteren kann durch die „Integralbauweise“ die Anzahl der Bauteile in einer Baugruppe deutlich reduziert werden. Jedoch sind nur wenige Werkstoffe bisher für das Verfahren qualifiziert. Deshalb ist es unabdingbar, die SLM-Werkstoffpalette durch umfangreiche Untersuchungen ständig zu erweitern.
Das Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik des IWF der TU Berlin beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von Werkzeugen, Baugruppen und Komponenten an Werkzeugmaschinen sowie der Analyse und Entwicklung innovativer Fertigungsverfahren und Fertigungsprozessketten. Neben der konventionellen Bearbeitung liegt hierbei ein Schwerpunkt in der additiven Fertigung. Umfangreiche Forschungsaktivitäten werden aktuell in folgenden Bereichen verfolgt: Auslegung und Optimierung von Prozessketten für die additive Fertigung neuer Werkstoffe, Ermittlung von Design- und Fertigungsgrenzen sowie In-Prozess-Eigenspannungsanalyse.

Qualifizierung neuer Werkstoffe für SLM

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Bild 2.
Vorgehensweise zur Qualifizierung von Werkstoffen für den SLM (selektives Laserstrahlschmelzen)-Prozess.

Die Qualifizierung neuer Werkstoffe für den SLM-Prozess ist ein zeit- und ressourcenaufwendiger Prozess. Im Wesentlichen besteht dieser aus drei Phasen, Bild 2: Analyse des Pulvers, Parameterstudien am Fertigungsprozess und werkstofftechnische Charakterisierung der additiven Erzeugnisse. Ergänzend können durch Nachbearbeitungsverfahren die geforderten Bauteileigenschaften eingestellt werden, zum Beispiel Festigkeit und Leitfähigkeit durch Wärmebehandlung oder Oberflächengüte durch spanende Nachbearbeitung.
Die Untersuchungen zur Verarbeitbarkeit des pulverförmigen Ausgangswerkstoffs im SLM-Prozess werden nach VDI-Richtlinie 3405 Blatt 2 durchgeführt [3]. Im Verlauf der Untersuchungen am Prozess werden mehrere iterative Versuchsreihen durchgeführt, in denen zunächst die Bauteildichte an Vollvolumen-Würfeln maximiert wird (Bild 2). Anschließend werden die Parameter an zunehmend komplexeren Bauteilgeometrien weiter modifiziert, um eine Steigerung der Oberflächengüte und der mechanisch-technologischen Eigenschaften – wie Zugfestigkeit, E-Modul, Härte, elektrische Leitfähigkeit – zu erreichen. Hinzu kommen Versuchsreihen zur thermischen und mechanischen Nachbearbeitung [4].

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Autoren

Univ.-Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing.  Eckart Uhlmann

Jahrgang 1958, studierte Maschinenbau im Fachbereich Konstruktion und Fertigung an der Technischen Universität (TU) Berlin. Seit 1997 ist er Univ.-Professor für das Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und  Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin und Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK).

M. Sc. Vasyl Kashevko

Jahrgang  1986, studierte Maschinenbau an der TU Berlin. Seit 2013 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik des IWF.

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