Mechanische und chemische Beständigkeit, eine hohe Warmfestigkeit und extreme Härte werden von Werkzeugen gefordert, die im Maschinen- oder Fahrzeugbau sowie in der Kunst- oder der Baustoffindustrie zum Einsatz kommen. Forschern am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden ist die Fertigung von komplexen Hartmetallwerkzeugen mittels 3D-Druck-Verfahren gelungen, deren Qualität konventionell hergestellten Hochleistungswerkzeugen in nichts nachsteht.
Das Fraunhofer IKTS besitzt seit mehreren Jahrzehnten eine ausgewiesene Expertise in der Entwicklung von Hartmetallen. Bislang wurden am Fraunhofer IKTS zuverlässige 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, sind im traditionellen Werkzeugbau jedoch oft nur mit hohem Kosteneinsatz oder gar nicht realisierbar.
Gestaltungsfreiheit durch additive Fertigung
»Mittlerweile ist es bekannt, dass über 3D-Druck schnell, ressourcenschonend und werkzeugfrei komplexe, individualisierte Geometrien auch in Keramik realisiert werden können«, sagt Dr. Tassilo Moritz, Gruppenleiter »Formgebung« am Fraunhofer IKTS.
Nun ist es den IKTS-Wissenschaftlern auch gelungen, komplexe Hartmetallwerkzeuge mittels 3D-Druckverfahren herzustellen. Bei dem dabei verwendeten Binder-Jetting-Verfahren werden die Ausgangspulver bzw. -granulate mittels einem über einen Druckkopf aufgebrachten organischen Binder lokal benetzt und gebunden. Die Herausforderung dabei war, hundertprozentig dichte Bauteile zu erhalten, die ein perfektes Hartmetallgefüge und gute mechanische Eigenschaften aufweisen.
Hartmetalle bestehen aus einem keramischen Hartstoff, wie z. B. Wolframcarbid und einer zähen Bindermatrix aus Kobalt und Nickel oder Eisen.
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.
