Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
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Forschungsprojekt »LMD Hybrid«
Additiv gefertigte Schutzschichten erhöhen Standmengen von Werkzeugen
Die Lebensdauer technischer Bauteile und Werkzeuge wird in starkem Maße durch ihre Korrosions- und Verschleißbeständigkeit bestimmt. Besonders abrasiver Verschleiß führt zu frühzeitigem Werkzeugversagen oder Funktionsverlust. Obwohl in den meisten Fällen nur die Werkzeugoberfläche vom Verschleiß betroffen ist, wird das ganze Bauteil ausgetauscht. Der ökonomische Schaden, der auf den Verschleiß zurückzuführen ist, beträgt für die gesamte Bundesrepublik Deutschland geschätzt bis zu sieben Prozent des Bruttosozialprodukts und zehn Prozent des Primärenergieverbrauchs. Es ist also ökonomisch äußerst sinnvoll, den Verschleiß von Werkzeugen zu reduzieren und damit ihre Standzeit und -menge zu verlängern.
Verschleißschutzschichten aus stahlverstärktem Titankarbid verbessern Standzeit und -menge
Ziel des Forschungsprojekts »LMD Hybrid« war es, die Standzeit thermisch und abrasiv belasteter Umformwerkzeuge um bis zu zehn Prozent zu erhöhen. Dies sollte durch Verschleißschutzschichten erreicht werden, die aus titankarbidverstärkten Stählen (TiC) bestehen. Die Schutzschichten wurden durch eine Kombination aus draht- und pulverbasiertem Laserauftragschweißen (Wire and powder-based Laser Metal Deposition, LMD-w+p) hergestellt. Im Forschungsprojekt »LMD Hybrid« qualifizierte das Fraunhofer IPT gemeinsam mit seinen Partnern einen LMD-w+p-Prozess für die Herstellung gradierter TiC-verstärkter Schichten.
Dazu wurde zunächst grundlegend die geeignete Zusammensetzung und Gradierung des Werkstoffs durch entsprechende Simulationen und Charakterisierungen ermittelt. Durch Entwicklung einer prozessbezogenen CAM-Bahnplanungssoftware wurde anschließend die Übertragbarkeit des LMD-w+p-Prozesses auf Freiformoberflächen von realen Werkzeugen sichergestellt.
Entwicklung eines neuartigen LMD-w+p-Prozesses
Das Fraunhofer IPT entwickelte während des Projekts nicht nur den LMD-w+p-Prozess für die Herstellung der TiC-verstärkten Stähle, sondern fertigte auch die Proben für Werkstoffentwicklung. Die Charakterisierung erfolgte in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern.
Parallel erarbeiteten die Aachener Forscher eine CAM-Strategie, anhand derer sich der LMD-w+p-Prozess auf 3D-Oberflächen übertragen ließ. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten anschließend dazu verwendet werden, Demonstratorwerkzeuge am Fraunhofer IPT zu beschichten und die hybriden Gradientenschichten bei den Industriepartnern zu validieren.
Die grundlegenden Versuche zum LMD-w+p-Prozess sowie das Beschichten der Demonstratorwerkzeuge mit TiC-Verstärkten Werkzeugstählen wurden mit einem 5-achsigen Bearbeitungszentrum GX1000-5T-LOB des Maschinenherstellers Alzmetall durchgeführt. In die Anlage ist ein Bearbeitungskopf für LMD-w+p integriert. Damit konnten nicht nur die Vorexperimente zur Prozessentwicklung und Werkstoffcharakterisierung durchgeführt, sondern gegen Ende des Projekts auch die 3D-Beschichtungen aufgebracht werden. Die Prozessentwicklung erfolgte in engem Austausch mit Experten für Werkstoffentwicklung und Simulation. Für praktische Versuche wird ein Bahnplanungstool eingesetzt, das ebenfalls in dem Projekt entstand.
Ressourcen- und Kosteneinsparungen bei erweitertem Anwendungsspielraum
Die Projektergebnisse führen dazu, dass die Standmenge von Werkzeugen erhöht und dadurch Fertigungskosten und Material eingespart werden. Mit dem kombinierten LMD-w+d-Verfahren lassen sich die Oberflächen hochbelasteter Werkzeuge so reparieren, dass deutliche Kosten- und Ressourceneinsparungen möglich werden. Aber auch andere, erweiterte oder gänzlich neue Anwendungsfelder für die Werkstoffe können mit dem Verfahren erschlossen werden. Die Software für die Analytik, Simulation und Bahnplanung, die die Partner im Projekt entwickelten, sollte so angelegt werden, dass sie sich zu einem späteren Zeitpunkt kommerziell verwerten und auf andere Anwendungsfälle übertragen lässt.
Projektpartner
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau IWM der RWTH Aachen, Aachen
- Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen e.V. (FVP), Aachen
Förderung
Dieses Projekt wurde mit Mitteln des BMWK im Rahmen des AiF-Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert.