Additive Fertigung Mit hybrider Fertigung verschleißfeste Werkzeuge aus 16MnCr5 herstellen

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Mit einer Kombination aus subtraktiver und additiver Fertigung verbessert Burgmaier einen Werkzeughalter aus Einsatzstahl. Dabei müssen Konstrukteure auf Besonderheiten des hybriden Fertigens achten.

Einsatzstahl ist ein beliebter Werkstoff für verschleißfeste Bauteile, denn er hat eine besonders harte Oberfläche bei gleichzeitig duktilem Kern. Doch auch ein Bauteil aus verschleißfestem Material stößt an seine Grenzen, beispielsweise bei sehr hohen Temperaturen. Um Bauteile beständiger zu machen, setzt Burgmaier Technologies auf die Additive Fertigung. Denn mit Kühlkanälen können sie einer Wärmeentwicklung entgegenwirken.

„Durch die Kombination der Werkstoffgruppe Einsatzstahl mit additiver Fertigungstechnologie ergeben sich völlig neue Anwendungsgebiete“, sagt Johannes Mayer, Business Development Manager bei Burgmaier Technologies, und grenzt ein: „Sofern die Stellhebel in der Konstruktion und Prozessauslegung richtig bedient werden.“ Doch den chrom-mangan-legierten Einsatzstahl, den das Unternehmen verwendet, gab es bisher nicht als Werkstoff für 3D-Druck.

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Das mittelständische Technologieunternehmen tüftelt seit 2018 mit seinen Kunden an innovativen Lösungen für verschleißfeste Bauteile. Ein wichtiger Aspekt ist, subtraktive und additive Verfahren mit ihren jeweiligen Vorteilen und Grenzen mitzudenken. So entstand beispielsweise ein Hochdruck-Werkzeughalter für ZCC Cutting Tools Europe: Ein „hybrider“ Werkzeughalter aus konventioneller Aufnahme und additivem Aufbau – gefertigt im Einsatzstahl 16MnCr5. Ergänzt wird das Werkzeug um eine Kassette und eine Hochdruck-Spannpratze aus dem Werkzeugstahl 1.2709, die direkt aus dem 3D-Drucker stammen. Alle Komponenten durchzieht ein sternförmiger Kanal für Kühl-Schmier-Mittel.

Der bessere 16MnCr5-Stahl im 3D-Druck

2020 qualifizierten die 3D-Druck-Techniker von Burgmaier das Material 16MnCr5 für die Additive Fertigung im Pulverbettverfahren (SLM, selektives Laserschmelzen, auch LPBF). Kombiniert mit einer geeigneten Wärmebehandlung erreichen die Bauteile eine Oberflächenhärte > 60 HRC und übertreffen weitere mechanische Kennwerte wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung gegenüber dem konventionellen Material im Lieferzustand. „Mit diesem Meilenstein erweitert sich der Werkzeugkasten für Konstrukteure bei 16MnCr5-Bauteilen um die Möglichkeiten der Additiven Fertigung“, so Ken Krauß, Leiter Additive Manufacturing bei Burgmaier.

Mehr Kühlen bei weniger Kosten

In dem Hochdruck-Werkzeughalter durchzieht ein Kühlkanal alle Komponenten bis zu den gewünschten Austrittspunkten. Die Geometrie des Kanals ist sternförmig, um die Oberfläche und damit die Kühlwirkung zu vergrößern. Des Weiteren konnte der Materialeinsatz des Werkzeughalters signifikant reduziert werden, da in der Additiven Fertigung nur dort das Metallpulver verschweißt wird, wo es später notwendig ist. Weniger Material bedeutet in der Additiven Fertigung weniger Herstellkosten.

Die hybride Fertigung

Über einen hybriden Fertigungsansatz optimierte das Entwicklungsteam den Produktionsablauf: Additive und subtraktive Verfahren kommen dort zum Einsatz, wo sie ihren Mehrwert einbringen können. Für den Werkzeughalter wird auf eine kostengünstige, konventionelle Standard-Aufnahme additiv aufgebaut. Dabei können unterschiedliche Aufnahme-Varianten verwendet werden wie HSK, Capto oder VDI.

Burgmaier entwickelte im Rahmen eines von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Verbundprojekts einen standardisierten Hybrid-Prozess. Dabei werden mithilfe eines selbst entwickelten Spannsystems die Grundkörper auf einer Bauplattform präzise fixiert. Es können sogar mehrere unterschiedliche Aufnahme-Varianten in einem Baujob produziert werden. Durch den spezifischen Ablauf bei der Additiven Fertigung wird eine Wiederhol- und Positioniergenauigkeit bei wiederkehrender Fertigung bei einer Toleranz < 0,05 mm erreicht.

Die fertigungsgerechte Konstruktion

Welche Stellhebel müssen Konstrukteure beim Design vergleichbarer Bauteile beachten? Für eine fertigungsgerechte Konstruktion sind zunächst die allgemeinen Anforderungen des „Design for Additive Manufacturing“ zu berücksichtigen:

• Wandstärken sollten > 0,5 mm sein.

• Bereits im Vorfeld sollte ein Weg für die Pulverentfernung aus Kanälen und Gitterstrukturen festgelegt werden.

• Im Besonderen ist bei Hybridbau zu beachten, dass die Verbindungsstelle zwischen dem konventionellen und additiven Teil beim SLM-Verfahren eben verläuft.

• Die Schnittebene der zwei Bereiche bestimmt den Verlauf von Kanälen: Während im additiven Teil die Konstruktion weitestgehend frei ist, kann im konventionellen Teil nur ein gerader Verlauf definiert werden.

• Oberhalb der Schnittebene sollten keine Überhänge mit einem Winkel > 40 ° entstehen, da diese im SLM-Verfahren Stützstrukturen erfordern.

Die Vorteile für den Werkzeughalter

Im Beispiel des Hochdruck-Werkzeughalters konnten folgende Ergebnisse erreicht werden:

• Die Kühlkanäle erhöhen die Standzeit des Werkzeugs.

• Die präzise Kanalführung ermöglicht ein Brechen der Späne durch den Kühl-Schmier-Stoff direkt am Werkstück.

• Die Leichtbau-Konstruktion für die Additive Fertigung reduziert das Gewicht erheblich und führt damit auch zu einem Kostenvorteil gegenüber der konventionellen Herstellung.

• Die Auslegung für den Hybridbau verringert die Herstellkosten weiter, da nur an den notwendigen Stellen additiv auf eine kostengünstige Standard-Aufnahme aufgebaut wird.

Die Vorteile aus der Kombination des Werkstoffs und der additiven bzw. hybriden Fertigung können über das Beispiel des Hochdruck-Werkzeughalters hinaus auf unterschiedliche Anwendungen verallgemeinert werden. Weitere Anwendungsfälle, auf die sich Burgmaier fokussiert, sind hybride Fertigung von Werkzeugeinsätzen für Gussformen oder Guss-Prototypen. Dabei werden die vielfältigen Möglichkeiten der Wärmebehandlung von 16MnCr5 zielgerichtet eingesetzt. Je nach Verfahren und Zykluszeit der Wärmebehandlung können die gewünschten mechanischen Eigenschaften eingestellt werden.

Burgmaier hat durch die Einführung des Einsatzstahls in die additive und hybride Fertigung die Türe gerade erst aufgestoßen. Die Umsetzung der neuen Möglichkeiten kann nun von technischen Experten in verschiedenen Branchen vorangetrieben werden.

* Johannes Mayer ist Business Development and Sales Manager Additive Manufacturing bei Burgmaier Technologies in 89604 Allmendingen

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