Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (PBF-LB)
Additive Fertigungsverfahren
Additive Fertigungsverfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung. Der technologische Fortschritt und die sukzessive Erweiterung der verarbeitbaren Werkstoffpalette ermöglichen die Erschließung neuer Einsatzfelder über den reinen Prototypenbau („Rapid Prototyping“) hinaus, hin zur breiteren industriellen Nutzung. Im Gegensatz zu trennenden Verfahren, wie dem Zerspanen, wird bei der additiven oder auch generativen Fertigung das Bauteil schichtweise aus einem meist pulver-, draht- bzw. bandförmigen oder auch flüssigen Grundwerkstoff aufgebaut.
Die Attraktivität der Verfahren liegt insbesondere in der hohen geometrischen Gestaltungsfreiheit, der möglichen Funktionsintegration, selektiv erzeugbaren Dichte- und Werkstoffvariationen im Bauteil sowie dem vergleichsweise geringen Ressourcenverbrauch. Zudem sind additive Verfahren auch bei sehr kleinen Losgrößen wirtschaftlich einsetzbar und bieten durch die dezentrale Fertigung das Potenzial Transport- und Lagerkosten zu reduzieren.
Forschungsschwerpunkte
1. Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten im Bereich additiver Fertigungstechnologien am iWFT ist das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB). Bei dieser Technologie wird Metallpulver schichtweise aufgetragen und durch einen Laserstrahl verfestigt. Durch die Führung des Laserstrahls werden in jeder Schicht die Bereiche gezielt verfestigt, die später den herzustellenden Körper bilden. Das Bauteil wird somit Schicht für Schicht aus einem Pulverbett aufgebaut.
Die Forschungstätigkeiten des iWFT umfassen:
- Untersuchung der Potenziale und Erweiterung des Einsatzfelds additiver Fertigungsverfahren
- Prozessgerechte Gestaltung und Optimierung der Bauteilgeometrie
- Prozessentwicklung und -optimierung
- Verifikation und Test additiv erzeugter Werkzeuge und Bauteile
Darüber hinaus nutzt das iWFT kunststoffverarbeitende Maschinen (FDM- und PolyJet-Technologie), welche zur additiven Herstellung von professionellen Funktionsprototypen und innerhalb der Lehre eingesetzt werden. Die additive Herstellung von Prototypen wird vornehmlich innerhalb von bilateralen Entwicklungsprojekten mit der mittelständischen Industrie eingesetzt. Den Studenten der RFH steht ferner ein kostenloser 3D-Druckservice zur Verfügung. Die Drucker bieten vor allem Konstrukteuren, Entwicklern und Designern die Möglichkeit, funktionsfähige Modelle ihrer Entwicklungen schnell und einfach herstellen zu lassen und bilden damit auch eine ideale Ergänzung im Schwerpunkt Innovative Produktentwicklung. Durch das schichtweise erfolgende Aufschmelzen und Aufbringen (FDM) bzw. Aufbringen und Aushärten (PolyJet) des neuen Materials entsteht in kurzer Zeit ein komplexes Modell der digitalen Eingangsdaten. Die Modelle aus ABS-Kunststoff bzw. aus Photopolymeren können in vielen verschiedenen Farben gedruckt werden. Im Falle der PolyJet-Technologie sind zudem noch verschiedene Materialsteifigkeiten innerhalb eines Modells möglich. Besonders geeignet für die Sichtbarmachung von im Bauteil stattfindenden Vorgängen sind dabei die transparent aushärtenden Photopolymere.
Forschungsschwerpunkte
Im Projekt „NanoMelt“ wurden Untersuchungen zur additiven Fertigung von Zerspanwerkzeugen aus Wolframcarbid-Cobalt (WC-Co) im SLS-Verfahren durchgeführt und die generelle Prozessierbarkeit des Werkstoffs nachgewiesen. Erste Wendeschneidplatten und ein Bohrer konnten additiv erzeugt und das Einsatzverhalten im Zerspanprozess untersucht werden.
Das AiF-Projekt „AddKost“ (Additive Fertigung kohlenstoffreicher Stähle mittels Laser-Powder Bed Fusion) hat zum Ziel, kohlenstoffmartensitisch härtende Werkzeugstähle für die additive Fertigung im L-PBF-Prozess zu qualifizieren. Werkzeugstähle mit Kohlenstoff¬gehalten über 0,35% neigen zur Kaltrissneigung und sind daher additiv nur mit erhöhten Vorwärmtemperaturen des Pulverbetts zu bearbeiten. Die am iWFT selbst entwickelte und in die kommerzielle Renishaw-Anlage AM250 integrierte Bauplattform-Vorheizung bis 800°C bietet exzellente Optionen für unterschiedliche, werkstoffoptimierte Prozessrouten. Die Arbeiten werden gemeinsam mit dem Lehrstuhl Werkstofftechnik der RUB (Ruhr-Universität Bochum) durchgeführt.
Die angestrebte Erweiterung der Materialpalette für das pulverbettbasierte Laserschmelzen stößt vor allem bei Werkzeugherstellern auf großes Interesse. Ziel im Projekt ist die additive Herstellung von Werkzeughaltern, - grundkörpern und -spannmitteln mit neuer oder ver¬besserter Funktionalität. Die Projektbeantragung und -durchführung wird unterstützt durch den Arbeitskreis Präzisionswerkzeuge des VDMA. Ein projektbegleitender Ausschuss mit 17 Industrieunternehmen sichert die praxisrelevante Ausrichtung der Forschungsarbeiten.
Die Forschungsförderung erfolgt aus Mitteln des BMWI im Rahmen der IGF (Industrielle Gemeinschaftsforschung) und ist vom 01.01.2021 bis 31.12.2022 genehmigt. [mehr erfahren]
In dem aus BMBF-Mitteln geförderten Nachfolgeprojekt „PräziGen“ untersucht das iWFT gemeinsam mit sieben weiteren Industrie- und Forschungspartnern die vollständige Prozesskette zur additiven Fertigung von Präzisionswerkzeugen aus Hartverbundwerkstoffen. Das Projekt leistet damit nicht nur grundlegende Beiträge zur Erweiterung der im SLS-Prozess verarbeitbaren Materialpalette, sondern auch zur Weiterentwicklung der dem Prozess vor- und nachgelagerten Bearbeitungsschritte. [mehr erfahren]
In dem vom FKM geförderten Projekt „HM-Tool 3D“ wird die additive Herstellung von Zerspanwerkzeugen aus Hartmetallen und Cermets durch Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) untersucht. Aufgrund der prozess- und werkstoffspezifischen Randbedingungen ist die Verarbeitung von Hartmetallen und Cermets mittels PBF-LB mit besonderen Herausforderungen verbunden, welche im Projekt gelöst werden sollen. Im Fokus möglicher Applikationen stehen sowohl Werkzeughalter, Grundkörper und Spannmittel als auch schneidende Werkzeugbereiche. Das einjährige Projekt wird durch einen Industriekreis mit mehr als 30 Unternehmen aus der Zerspanwerkzeugbranche begleitet. [mehr erfahren]
