Spektrum SchmiedeJOURNAL September 2013 67 auf die Werkzeugoberfläche wirken, schädigen diese. Die thermische Schädigung erfolgt zum Beispiel durch das Überschreiten der Anlasstemperatur des jeweiligen Werkstoffs, was zu starken Festigkeitsverlusten der oberflächennahen Bereiche der Schmiedewerkzeuge führt. Forschungsarbeiten zeigen, dass durch den Einsatz von verschleißbeständigen Werkstoffen, optimierten Legierungskonzepten, Beschichtungsverfahren, neuen Kühlschmierprozessen und durch die Reduzierung der thermischen Belastung die Standmenge der Schmiedewerkzeuge deutlich erhöht werden kann 1 - 3. Die rasante Weiterentwicklung neuer Verfahren im Fertigungsbereich „Additive Manufacturing“ bietet neue Wege für die Herstellung komplexer Umformwerkzeuge. Das selektive Laserschmelzverfahren (SLS) stellt eines dieser innovativen Verfahren dar. In der Kunststoffindustrie, speziell beim Spritzgießen, wird das SLS-Verfahren zur Herstellung von Werkzeugeinsätzen mit konturangepassten Kühlkanälen schon seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt. Das Ziel ist dabei die Reduzierung der Zykluszeit durch intensive Kühlung der sogenannten Hotspots im Spritzgießwerkzeug 4. Nach derzeitigem Stand der Technik kommen in der Schmiedeindustrie keine generativ gefertigten Werkzeuge zum Einsatz. Im folgenden Beitrag werden die ersten Ergebnisse dieser Fertigungstechnologie zur Herstellung von Werkzeugen für die Warmmassivumformung vorgestellt und unter industrienahen Bedingungen hinsichtlich ihres Verschleißverhaltens untersucht. Verfahrensgrundlagen Die beim SLS-Verfahren verwendeten Metallpulverwerkstoffe bilden die Ausgangsstoffe für die Herstellung eines Bauteils. Durch den Laserstrahl erfolgt das Fügen definierter Metallpulverschichten mit gleicher Auftragsdicke. Die flächige Formgebung erfolgt in der x-y-Ebene. Die endgültige Gestalt des Bauteils wird durch das Aufeinanderfügen der Einzelschichten in z-Richtung bestimmt. Die Genauigkeit eines Bauteils hängt von der Schichtdicke (z-Stufung) und der Korngröße des jeweiligen Pulverwerkstoffs ab. Bei diesem Fertigungsprozess erfolgt ein vollständiges, lokales Aufschmelzen der einzelnen Pulverschichten. Dieses Verfahren weist keine langen Reaktionszeiten auf, es erfolgt lediglich eine kurze Reaktion der lose nebeneinander liegenden Partikel im Pulverbett, die durch thermische Energie aktiviert werden. Um beim SLS-Prozess die Oxidation des Materials zu verhindern und die Anlagensicherheit zu gewährleisten (Explosionsschutz), ist es notwendig, den Prozess in einer Schutzgasatmosphäre ablaufen zu lassen. Diese besteht meist aus Stickstoff 4. Auslegung und Herstellung eines generierten Schmiedegesenks Als Grundwerkstoff dient bei der Herstellung der Schmiedegesenke das Werkzeugstahlpulver CL50WS der Firma Concept Laser. Bei diesem Pulverwerkstoff handelt es sich um eine martensitaushärtende Werkzeugstahllegierung, die der europäischen Klassifizierung 1.2709 (X3NiCoMoTi 18 9 5) entspricht. Im vergüteten Zustand besitzt diese Legierung eine Streckgrenze von etwa 1.800 MPa und eine Härte von 54 HRC 5. Die Generierung eines Werkzeugs kann prinzipiell auf zwei Konstruktionsarten erfolgen. Die erste Variante stellt den vollständigen Aufbau eines Werkzeugs in z-Richtung dar. Diese Bauweise benötigt lange Bauzeiten und eine große Menge an Pulvermaterial, da das Werkzeug vollständig generiert werden muss. Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines generierten Werkzeugs stellt die Hybridbauweise dar. Hierbei wird ein Stahlrohling zuerst spanend hergestellt und dient als Grundplatte des Werkzeugs. Das Volumen der jeweiligen Werkzeugform wird anschließend mithilfe der Pulverlegierung auf dem Stahlrohling aufgebaut. Durch diese konstruktive Maßnahme können die Kosten für den Pulverwerkstoff und die Bauzeit reduziert werden. Die anschließende Wärmebehandlung der Gesenke erfolgt über einen Warmauslagerungsprozess bei 520 °C. In Bild 1 sind beide Bauformen der Schmiedegesenke dargestellt. Nach der Wärmebehandlung ist lediglich eine zerspanende Feinbearbeitung notwendig, um die geforderte Maßgenauigkeit zu erhalten. Für einen zusätzlichen Verschleißschutz können generierte Gesenke aus CL50WS sowie konventionell hergestellte Gesenke einer thermochemischen Behandlung oder Oberflächenbeschichtung unterzogen werden 5. Mithilfe des SLS-Verfahrens können innere Hohlräume, etwa räumlich gekrümmte Kanäle, unter der Werkzeugoberfläche erzeugt werden. Dies ermöglicht es, konturnahe Temperier beziehungsweise Kühlkanäle in hochtemperaturbeanspruchten Zonen eines Schmiedegesenks zu integrieren. Im Gegensatz zu spanenden Fertigungsverfahren sind bei der Auslegung eines generierten Schmiedegesenks hinsichtlich der Geometrie fast keine Grenzen gesetzt. Bei einem schichtweisen Aufbau eines Werkzeugs kann ein kreisrunder horizontaler Kanal verfahrensbedingt einen maximalen Durchmesser von 8 mm aufweisen. Eine weitere Vergrößerung des Kanaldurchmessers bedeutet einen Verlust Bild 1: Bauformen der generierten Modellgesenke: Vollgesenk (links) und Hybridgesenk (rechts).
2013-09-Schmiede-Journal
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