Generative Fertigung hochbeanspruchter, dünnwandiger, komplexer Strukturelemente mittels Kurzlichtbogenverfahren und Fülldraht (3DHartstoffdruck)

Problemlage
Zur stetigen Optimierung von metallischen Erzeugnissen ist ein funktionsgerechtes Bauteil- und Werkstoffdesign notwendig. Derartige Erzeugnisse sind Bauteile und Komponenten, welche sich beispielsweise im Werkzeug- und Vorrichtungsbau wiederfinden. Die Entwicklung zielt besonders auf die notwendige Verschleißbeständigkeit ab, die durch eine speziell angepasste Werkstoffzusammensetzung an den anfälligsten Bereichen erreicht wird. Diese Werkstoffe werden als Hartstoffe bezeichnet. Dabei sollen die Werkstoffe mittels eines generativen Verfahrens direkt auf entsprechende Bauteile oder Komponenten aufgedruckt werden.

Ziel
Das Ziel ist hierbei sowohl den Anwendungsbereich für hartstoffbasierte Werkstoffsysteme wie Wolframschmelzcarbide und Vanadiumcarbide mit verschiedenen Matrixwerkstoffen auf Eisen- oder Nickelbasis zu erweitern, als auch den Nachbearbeitungsaufwand zu reduzieren. Ein wesentliches Ziel zum Ende des Projekts stellt der Demonstrator dar, bei dem die spezifischen Anforderungen des Hartstoffdrucks erstmals in einer Maschine vereint werden können, so dass zum einen die Funktionstauglichkeit des Prozesses unter realitätsnahen Bedingungen und zum anderen auch die Einhaltung der technologischen Parameter nachgewiesen werden kann.

Vorgehensweise
Im Projekt werden Hartstofffülldrähte für den 3D-Druck analysiert und entwickelt. In Verbindung mit einer hinsichtlich Energieeintrag, Aufbaurate und Strukturgenauigkeit erarbeiteten Schweißstromquelle erfolgt eine Verarbeitung dieser Drahtwerkstoffe. Um die Fertigung komplexer und dünnwandiger Strukturen zu ermöglichen, wird die Einbindung der Schweißeinheit in ein Maschinensystem zum großvolumigen 3D-Druck etabliert. Innerhalb dieses Maschinensystems erfolgt die kontinuierliche Abfrage, Steuerung und Regelung relevanter Prozessparameter, wie Temperatur- und Geometrieeigenschaften. Durch die Prozessregelung wird es damit möglich, gezielte Erstarrungsbedingungen für den Hartstoffdruck einzustellen, um die Werkstoffeigenschaften anzupassen. Hierfür erfolgt eine umfangreiche Validierung der Prozess- und Geometrieparameter mit Hilfe von Verschleißuntersuchungen an Versuchsteilen.

Verwertungspotenzial und erwartetete Ergebnisse
Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen in einer neuen Maschinengeneration zur generativen Fertigung anspruchsvoller Werkstoffe münden. Hierbei soll ermöglicht werden, mit minimalem Benutzereingriff dünnwandige, komplexe und hochverschleißbeständige Strukturen generativ zu fertigen. Durch die gemeinsame Entwicklung der Projektpartner in den Bereichen Drahtwerkstoff, Stromquelle und Maschine, kann dem Endanwender eine vollständige Expertise angeboten werden. Im Projekt ist geplant, Teilprojektergebnisse zur Absicherung gegenüber potentiellen Wettbewerbern gemeinsam zum Patent anzumelden. Darüber hinaus fließen die Ergebnisse fortlaufend in die Gremien- und Normungsarbeit ein und dienen auch der Vermarktung des Prozesses.

• Corodur Verschleiß-Schutz GmbH
• GEFERTEC GmbH
• JÄCKLE + ESS GmbH & Co. KG - Betriebsstätte Bad Waldsee