Das Bundesland NRW fördert die Digitalisierung der Stahlbranche unter anderem mit dem Projekt AddSteel. Innerhalb von drei Jahren sollen neue, funktionsangepasste Stahlwerkstoffe für die Additive Fertigung entstehen.
Für neue, maßgeschneiderte Stähle kombinieren die AddSteel-Projektpartner unter anderem die Elemente Kobalt, Kohlenstoff, Molybdän, Vanadium und Wolfram und variieren entsprechende Legierungsanteile.
Fraunhofer ILT
Der Stahlstandort Deutschland steht unter Druck. Eine besondere Herausforderung für Stahlhersteller in Deutschland, konzentriert im Bundesland NRW, ist ein anhaltender Umsatzrückgang in der Branche. Während bisher vor allem Fertigungsprozesse und Anlagentechnik angepasst wurden, rücken nun zunehmend die Stahlwerkstoffe in den Fokus der Entwickler und Anwender. Mit innovativen Werkstoffen, so das Kalkül der Partner des seit Januar 2019 laufenden NRW-Leitmarkt-Projekts AddSteel, lassen sich neue Anwendungspotenziale erschließen, und sie setzen auf Wettbewerbsvorteile in den Märkten.
Unter Koordination des Anlagenherstellers SMS group, Mönchengladbach, sollen innerhalb von drei Jahren neue, funktionsangepasste Stahlwerkstoffe für die Additive Fertigung entstehen. Zentraler Bestandteil des Projektes ist die Qualifizierung der entwickelten Werkstoffe für das metallische 3D-Druckverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen. Ein erster Erfolg des AddSteel-Projektteams, zu dem auch die Deutsche Edelstahlwerke Specialty Steel, Krefeld, und das Fraunhofer-ILT-Spin-off Aconity, Aachen, zählen, ist ein halbes Jahr nach Projektbeginn die Entwicklung von ersten maßgeschneiderten Einsatz- und Vergütungsstahl-Pulvern für das LPBF. Mit dem LPBF-Verfahren lassen sich aus digitalen Daten direkt funktionsverbesserte Bauteile herstellen, heißt es in einer Mitteilung des ILT. Der Einstieg in diese Form des metallischen 3D-Drucks biete den Anwendern außerdem die Chance, das Wertschöpfungsnetzwerk der Stahlverarbeitung nachhaltig zu optimieren.
Das pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren LPBF haben die Wissenschaftler des Fraunhofer ILT in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt – von einem Verfahren zur Prototypenherstellung hin zu einem Fertigungsverfahren für die industrielle Produktion komplexer Bauteile in Kleinserien. Unternehmen aus Luft- und Raumfahrt, des Turbomaschinenbaus oder der Medizintechnik stellen damit bereits komplexe Funktionsbauteile her. Doch ein Manko verhindere nach dem derzeitigen Stand der Technik den 3D-Druck von Einsatz- und Vergütungsstahl, so die Aachener Laserforscher: Geeignete qualifizierte und zertifizierte Werkstoffe für den entsprechenden LPBF-Prozess, mit denen sich prozesssicher Bauteile ohne Bildung von Rissen und Defekten additiv fertigen lassen, stünden entweder gar nicht oder noch nicht im geforderten Maße für die industrielle Fertigung zur Verfügung.
Hoher Konkurrenzdruck auf globalen Märkten und immer kürzere Produktzyklen sind nur einige der aktuellen Herausforderungen in vielen Branchen. Individuelle Kundenwünsche zu berücksichtigen und Aufträge mit der Stückzahl Eins zu Preisen einer Massenproduktion anzubieten, stellt einen starken Wettbewerbsvorteil dar. Dazu bietet der 3D-Druck als Fertigungsverfahren einen technologischen Schlüssel im Rahmen der Industrie 4.0." Carsten Feldmann, Colin Schulz, Sebastian Fernströning, "Digitale Geschäftsmodell-Innovationen mit 3D-Druck" Seite 17.
Schrittweise Werkstoffentwicklung bis 2021
Mit einer Anpassung der LPBF-Prozessführung und -Anlagentechnik sei es nicht getan, denn bisherige Stahlwerkstoffe seien mit der Zusammensetzung ihrer Legierungen auf die Verarbeitung mit konventionellen Fertigungsverfahren wie Urformen, Umformen oder Zerspanen ausgelegt. Zur Herstellung eines neuen Stahls komme es auf die richtigen Elemente an, ihrer richtigen Kombination und auch auf die Kreativität der Metallurgen. Die Projektpartner setzen in AddSteel auf eine iterative Legierungsentwicklung in Kombination mit einer systematischen Anpassung der LPBF-Prozessführung und -Anlagentechnik. Dann soll der Bau von Demonstratoren für die Herstellung von neuen Komponenten und Ersatzteilen folgen, um Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit zu testen und zu validieren. Details zum AddSteel-Projekt will das ILT auf der formnext 2019, der Messe für Additive Manufacturing und der nächsten Generation der intelligenten industriellen Produktion im November in Frankfurt am Main vorstellen.