3D-gedruckter Werkzeugstahl: So lösen Paderborner Forscher ein altes Problem

Fast jedes Kunststoffprodukt entsteht in Werkzeugen aus Stahl. Wie schnell und präzise das gelingt, hängt vor allem von der Kühlung ab.

Bisherige Stähle für den 3D-Druck konnten entweder Härte oder Wärmeleitfähigkeit liefern, aber nicht beides. Ein Forscherteam aus Paderborn und dem MIT hat jetzt einen Werkzeugstahl entwickelt, der genau das verspricht.

Warum die Kühlung entscheidend ist

Die additive Fertigung ermöglicht es, nahezu beliebige Bauteilgeometrien herzustellen. Dies erlaubt unter anderem die Individualisierung von Implantaten, die exakt der Form und Größe der Knochen entsprechen, die sie ersetzen. Auch Raketendüsen werden heute aufgrund der Möglichkeit zur Integration komplexer Kanäle nahezu ausschließlich additiv gefertigt. Im Vergleich zu den klassischen Fertigungsverfahren ist die Materialauswahl allerdings eingeschränkt, da nur schweißbare Legierungen im weit verbreiteten LPBF-Verfahren (Laserstrahlschmelzen im Pulverbett) verarbeitet werden können.

Der Werkzeugbau ist ein der Öffentlichkeit kaum bekannter Industriezweig, aber zugleich das Rückgrat des Maschinenbaus. Ob Zahnbürste, Laptopgehäuse oder Autoteile – fast alle Produkte entstehen, indem Kunststoff in präzise gefertigte Formen aus Stahl eingespritzt wird. Dort kühlt das Material ab, erstarrt innerhalb weniger Sekunden und wird anschließend als nahezu fertiges Bauteil entnommen. Wie schnell und effizient diese Prozesse ablaufen, hängt maßgeblich von der Kühlung durch das Werkzeug ab.

Bereiche dieser Werkzeughälften additiv zu fertigen, ist besonders interessant, da sich dadurch das aus der Raketendüsenfertigung bekannte Konzept konturnaher Kühlkanäle auf Werkzeuge übertragen lässt. So können geschmolzene Kunststoffe effizienter abgekühlt werden, was Kosten, Material und Zeit spart und gleichzeitig die Lebensdauer der Werkzeuge erhöht.

Was 3D-Stähle bislang nicht konnten

Ein wesentliches Problem des bisherigen Standes der Technik besteht jedoch darin, dass keiner der bislang verfügbaren schweißbaren Werkstoffe für den Einsatz 3D-gedruckter Werkzeuge die notwendige Kombination aus großer Härte und guter Wärmeleitfähigkeit aufweist. Genau hier setzt die Erfindung der Gruppe um Dr. Florian Hengsbach an.

Gemeinsam mit MIT-Forschenden entwickelte Hengsbach als Gastwissenschaftler in den USA ein neuartiges Werkzeugstahlkonzept. Diese Stähle wurden anschließend an der Universität Paderborn in Zusammenarbeit mit Prof. Mirko Schaper, Inhaber des Lehrstuhls für Werkstoffkunde (LWK), erfolgreich als Pulver hergestellt, 3D-gedruckt und bis zur atomaren Ebene analysiert.

Vom MIT nach NRW

Im Rahmen der Ausgründung von Hengsbach wurde dieses neue Stahlkonzept für den 3D-Druck in die Addition GmbH überführt. „Bislang war die Herstellung von Werkzeugen mittels 3D-Druck nur mit wenig geeigneten oder schlecht zu verarbeitenden Stählen möglich. Mit unserem patentierten, maßgeschneiderten Werkzeugstahl für den 3D-Druck müssen erstmals keine Performance-Abstriche akzeptiert werden“, erklärt der Gründer. Die erfolgreiche Überführung der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung wurde im Rahmen des vom Land Nordrhein-Westfalen geförderten Hochschulverbunds innovation2business.nrw unterstützt.

Hengsbach hebt insbesondere die Arbeit von Provendis, dem zentralen Dienstleister des Verbunds, hervor: „Die Zusammenarbeit war äußerst professionell und effizient. Ich habe wertvolle Hilfe bei der Patentierung erhalten, die uns den Weg zur weiteren Kommerzialisierung und zum Überzeugen von Investoren eröffnet hat. Die Unterstützung von Provendis hat den gesamten internationalen Transferprozess entscheidend erleichtert.“