Härtere Werkzeuge aus dem 3D-Drucker

In der Umformtechnik, der spanenden Formgebung und Verfahrenstechnik werden extrem harte Werkzeuge benötigt, die konventionell über Pulverpressen hergestellt werden. Damit wird zwar eine hohe Härte erzielt, es ist jedoch eine aufwendige und somit teure Nachbearbeitung erforderlich.

Additive Verfahren ermöglichen komplexe Geometrien von Hartmetallwerkzeugen, sind bislang jedoch hinsichtlich Härte und Bauteilgröße eingeschränkt. Forscher am Fraunhofer IKTS in Dresden haben nun das 3D-Druckverfahren Fused Filament Fabrication auf Hartmetalle adaptiert. Die Entwicklung erfüllt erstmals alle Anforderungen für den Einsatz in Bearbeitungswerkzeugen.

Hartmetalle bestehen aus den Metallbindern Nickel oder Cobalt und dem Hartstoff Wolframcarbid. Aus ihnen wurden bislang bereits zuverlässige Schneid-, Bohr-, Press- und Stanzwerkzeuge extrudiert, spritzgegossen oder über uniaxiales beziehungsweise kaltisostatisches Pulverpressen gefertigt. Komplexe oder spezifische Geometrien sind mit diesen Verfahren trotz teurer Nachbearbeitung jedoch nur sehr aufwendig oder gar nicht zu realisieren.

Eine Abhilfe schaffen additive Verfahren. Der 3D-Pulverdruck (Binder Jetting) und der thermoplastische 3D-Druck (3DTP) wurden am IKTS bereits erfolgreich mit ausgewählten Hartmetallen eingesetzt. Allerdings ist bei diesen Verfahren neben der Einstellung des Bindergehalts und der resultierenden Härte auch die Bauteilgröße limitiert.

Das aus der kunststoffverarbeitenden Industrie stammende additive Fertigungsverfahren Fused Filament Fabrication (FFF) wurde am IKTS zunächst auf Keramiken und Verbundwerkstoffe adaptiert. "Durch die materialeffiziente FFF eröffnen sich aber auch für Hartmetalle interessante Möglichkeiten zur Herstellung von großen, komplexen Prototypen oder Sonderwerkzeugen.", berichtet IKTS-Formgebungsexperte Dr. Tassilo Moritz.

Bei der FFF werden 3D-Körper aus einem flexiblen, schmelzfähigen Filament aufgebaut. Das Fraunhofer IKTS besitzt seit Jahrzehnten eine ausgewiesene pulvermetallurgische Kompetenz, mit der es gelungen ist, dass für das FFF notwendige Filament aus hartmetallischen Pulvern mit organischen Bindern herzustellen.

Je nach Werkstoffgefüge lassen sich über reduzierte Korngröße und Bindergehalt die Härte, Druck- und Biegefestigkeit von Hartmetallen gezielt steigern. Dr. Johannes Pötschke leitet am IKTS die Gruppe Hartmetalle und Cermets und bestätigt: "Die Filamente können als Halbzeug in Standarddruckern eingesetzt werden und ermöglichen es erstmals, Hartmetalle mit einem sehr geringen Bindergehalt von lediglich acht Prozent und mit feinsten Korngrößen unter 0,8 Mikrometer zu extrem harten Bauteilen mit 1700 HV10 zu verdrucken".

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS