3D-Metall-Druck Schnittwerkzeuge fürs Gesenkschmieden additiv fertigen

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Die additive Fertigung von Bauteilen aus Metall mit dem Verfahren Wire Arc Additive Manufacturing eignet sich auch für den Werkzeugbau. Im Projekt Toolprint konnte damit die Werkzeugstandzeit um das sechsfache erhöht werden.

Wenn es um das Massivumformen von Metallen geht, ist eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren: das Gesenkschmieden. Mit dieser Methode entstehen rund zwei Drittel aller Schmiedeteile. Bei diesem Verfahren wird das erwärmte Rohteil mit einem Hammer zwischen zwei Teilen eines Werkzeugs verformt. Beim Gesenkschmieden mit Grat tritt überschüssiges Material seitlich aus. Dieser Grat muss in einem weiteren Arbeitsschritt entfernt werden. In der Regel geschieht dies durch Scherschneiden. Dabei werden die Abgratwerkzeuge sehr stark beansprucht und nutzen sich entsprechend schnell ab.

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Hier greift die Idee des 3D-Drucks, welcher die Fertigung endkonturnaher Rohlinge ermöglicht. Im Verbundprojekt Toolprint haben die fünf Projektpartner Gefertec, Hermann Fliess, SWM Werkzeugfabrik, Fraunhofer IPK und das IFW Jena untersucht, ob sich diese Werkzeuge auch additiv fertigen lassen.

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Bisherige Fertigung zeit- und ressourcenaufwendig

Entwickelt wurde ein Abgratwerkzeug für ein konkretes Schmiedeteil: einen Maulschlüssel der Schlüsselweite 41 mm, hergestellt von der SWM Werkzeugfabrik. Dieses Werkzeug besteht aus Stempel und Schnittkasten. Bisher werden solche Maulschlüssel aus dem vollen Material subtraktiv herausgearbeitet. Zudem nutzen sie sich durch die starke mechanische Belastung schnell ab. Deshalb ist die bisherige Fertigung zeit- und ressourcenaufwendig.

Im Rahmen des Projekts Toolprint, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, sollten die Werkzeuge im 3D-Druck hergestellt werden. Die Projektbeteiligten haben sich für das WAAM-Verfahren entschieden (Wire Arc Additive Manufacturing). Damit lassen sich auch großvolumige Bauteile in vergleichbar sehr kurzer Zeit fertigen. Das endkonturnahe Werkstück, das bei diesem Verfahren entsteht, wird anschließend noch spanend bearbeitet. Im Vergleich zu einer spanenden Bearbeitung aus dem Vollen ist das Spanvolumen allerdings deutlich kleiner: das Material wird effizienter genutzt und der Werkzeugverschleiß ist geringer.

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Das Berliner Unternehmen Gefertec GmbH war im Projekt für den 3D-Druck zuständig. Das Unternehmen hat mit seinen ARC-Maschinen ein System entwickelt, das sich für zahlreiche industrielle Anwendungen bewährt hat. In seinem Application Center mit insgesamt fünf ARC-Maschinen führt Gefertec auch Machbarkeitsstudien zum Einsatz des WAAM-Verfahrens durch. Hier fanden auch die Versuche des Toolprint-Projekts statt.

Sechsfach höhere Standzeit als herkömmliche Schnittkasten

Das additiv gefertigte Demonstrator-Werkzeug wurde im Betrieb bei SWM getestet. Diese Praxisversuche waren überaus erfolgreich: So konnte die Standzeit im Vergleich zu einem herkömmlich gefertigten Schnittkasten um mindestens das sechsfache übertroffen werden. Das im Rahmen des Projekts hergestellte Werkzeug wies nach 1.000 Stanzungen noch keine Ausbrüche an der Schnittkante auf. Ein konventionell hergestelltes Stanzwerkzeug muss dagegen nach etwa 150 Stanzungen bereits nachgearbeitet werden. Dies ist mit erheblichem Aufwand verbunden, da der Bruchbereich ausgefräst wird, bevor dieser dann mittels WIG-Schweißen gefüllt wird. Abschließend muss die Schnittkante dann nachgefräst werden. Da im Praxisversuch das Schmiedelos lediglich 1.000 Stück betrug, ist es gut möglich, dass die Standzeit des additiv gefertigten Demonstrator-Werkzeugs noch deutlich höher ist.

Spanvolumen von 60 % auf 17 % reduziert

Auch bei den Herstellungskosten und der Herstellungszeit kann das 3DMP-WAAM-Verfahren punkten. So ist der Materialverbrauch im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung, bei dem der Schnittkasten aus dem Vollen gefräst wird, deutlich geringer. Das Spanvolumen wird von 60 % auf 17 % reduziert. Dementsprechend sinken auch die Herstellungszeit und die Gesamtkosten.

Eine der zentralen Fragen im Gefertec Application Center galt der Auswahl der passenden Legierungen. Die im konventionellen Werkzeugbau verwendeten Stahlgüten sind nicht oder nur eingeschränkt für den Schweißprozess geeignet oder nicht als Draht verfügbar. Deswegen wurden in umfangreichen Tests verschiedene Legierungen untersucht. Beim fertigen Werkzeug ist eine Rockwellhärte von 60 bis 64 HRC gefordert – genau genommen ist diese Härte aber nur an der Schneide erforderlich. Werkzeugstähle, die eine solch große Härte aufweisen, sind jedoch schwierig zu schweißen. Da sie sehr spröde sind, neigen sie zur Rissbildung. In den ersten Versuchen auf der ARC-Maschine von Gefertec trat dann auch genau dieses Problem auf.

Herausforderung: Passendes Drahtmaterial für den Prozess finden

Nach Versuchen mit verschiedenen Legierungen entwickelten die WAAM-Spezialisten eine Lösung für dieses Problem: Der Sockel des Schneidkastens besteht aus Baustahl, auf den in der ARC-Maschine das Rohteil gedruckt wird. Hier kommt der niederlegierte Stahl 1.7373 zum Einsatz, der deutlich duktiler ist und bei dem es während des Prozesses zu keiner Rissbildung kommt. Nur für die obersten Lagen des endkonturnahen Rohlings wird eine hochfeste Stahlsorte benötigt.

Eine Herausforderung bestand im passenden Drahtmaterial für den Prozess. Spröde Werkzeugstähle lassen sich in herkömmlichen Drahtziehverfahren nicht fertigen und sind deswegen als Schweißdrähte oft nicht erhältlich. Abhilfe konnte hier der Projektpartner Hermann Fliess & Co. GmbH schaffen. Der Spezialist für Drahtelektroden bietet unter anderem auch Schweißdrähte für das Fülldraht-Schweißen an. Hierbei sind pulverförmige Bestandteile in einem Röhrchendraht eingebettet.

Die Lösung: Multi-Material-Ansatz mit zwei verschiedenen Drahtsorten

Ursprünglich wurden diese Fülldrähte für Schweißverfahren entwickelt, bei denen ein im Draht enthaltenes Flussmittel den Lichtbogen positiv beeinflussen kann. Bei dem im Rahmen dieses Projekts entwickelten Draht FDV2 wurde dieses Prinzip verwendet, um einen hochlegierten Stahl mittels WAAM einzusetzen. Mit diesem Multi-Material-Ansatz, bei dem zwei verschiedene Drahtsorten verwendet wurden, konnte der Schnittkasten auf den ARC-Maschinen im Application Center von Gefertec hergestellt werden. Um das Werkzeug fräsend nachbearbeiten zu können, wenn es an der Kante während der Produktion zu Ausbrüchen kommt, wurden gleich mehrere Lagen des hochlegierten Stahls verwendet. Bei der Fertigung gab es keine Risse oder andere Defekte im Werkstück. Die Fräsarbeiten, bei denen aus dem endkonturnahen Rohling das fertige Werkzeug entsteht, wurden dann wiederum bei SWM durchgeführt. (jup)

* *Forschungs- und Entwicklungsingenieur GEFERTEC GmbH

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