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12.10.2016 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

Hartmetallwerkzeuge aus dem 3D-Drucker

Autor:
Dieter Beste

Die Vielfalt der Möglichkeiten additiver Fertigungsverfahren verblüfft immer wieder aufs Neue. Jetzt haben Forscher den 3D-Druck von Hartmetall-Bauteilen entdeckt.

Bei Hartmetallen handelt es sich um Verbundwerkstoffe, die meist aus mehreren, erst bei sehr hohen Temperaturen schmelzenden Metallen und Metallverbindungen bestehen. Häufig zu einem hohen Prozentanteil aus dem keramischen Hartstoff Wolframkarbid, der in eine zähe Bindermatrix aus Kobalt und Nickel oder Eisen eingelagert ist. In ihrer Verwendung als Schneidstoffe oder in Umformwerkzeugen zeichnen sie sich durch sehr hohe Härte und große Verschleiß- und Warmfestigkeit aus. "Die Metalle werden aus ihren pulverförmigen Oxiden mit H2-Gas reduziert, gepresst, gesintert und bei 1300 °C verformt", berichten die Autoren von "Werkstoffkunde", denn diese höchstschmelzenden Metalle können mangels brauchbarer Feuerfeststoffe für Tiegel und Formen nicht als Schmelze gewonnen werden. "Letztere würden sich mit den Metallen legieren und zu unbrauchbaren Legierungen führen." (Seite 427)

Das Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) will nun im Oktober erstmals additiv gefertigte Hartmetallbauteile auf der WorldPM 2016 in Hamburg der Öffentlichkeit vorstellen. Deren Qualität soll konventionell hergestellten Hochleistungswerkzeugen nach Institutsangaben in nichts nachstehen.

Mäandrierende Kühlkanäle – kein Problem

Bislang wurden am IKTS Schneid-, Bohr-, Press- und Stanzwerkzeuge aus Hartmetall mit dem uniaxialen oder kaltisostatischen Trockenpressen, der Extrusion und dem Spritzgießen sowie der spanenden Formgebung gefertigt. Komplexe Geometrien, wie helixförmige oder mäandrierende Kühlkanäle im Inneren des Bauteils, seien im traditionellen Werkzeugbau jedoch oft nur mit hohem Kosteneinsatz oder gar nicht realisierbar. In dem nun von den Forschern des Instituts entwickelten 3D-Druckverfahren werden die Ausgangspulver bzw. -granulate mittels eines über einen Druckkopf aufgebrachten organischen Binder lokal benetzt und gebunden. 

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Die Herausforderung dabei war, hundertprozentig dichte Bauteile zu erhalten, die ein perfektes Hartmetallgefüge und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Durch die gezielte Variation der Bindermatrix werden Biegebruchfestigkeit, -zähigkeit und Härte individuell eingestellt – je geringer der Binderanteil im Hartmetall, desto härter das Bauteil. Die am Fraunhofer IKTS gefertigten Prototypen haben einen Bindergehalt von zwölf bzw. siebzehn Masseprozent und zeigen ein der konventionellen Herstellungsroute vergleichbares Gefüge. "Durch den Einsatz des 3D-Drucks zur Herstellung von komplexen Grünkörpern und dem anschließenden Sintern unter herkömmlichen Sinterbedingungen erreichen wir Bauteile mit einem typischen Hartmetallgefüge bei hundertprozentiger Dichte. Darüber hinaus ist es gelungen, eine homogene Kobalt-Verteilung einzustellen, die für vergleichbare Qualitäten sorgt wie bei konventionell hergestellten Hochleistungswerkzeugen", erläutert Johannes Pötschke, Gruppenleiter "Hartmetalle und Cermets" am Fraunhofer IKTS. 

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Quelle:
Metalle

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