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Entwicklung neuer Verschleißschutz-konzepte

Dipl.-Ing. (FH) Tom Cruz

Oberflächentechnik für Metallpulver-Spritzguss-Werkzeuge

An der Hochschule Pforzheim wird seit mehreren Jahren an einer verbesserten Anwendungsreife des Laserauftragschweißens gearbeitet. Etliche neue oder optimierte Anwendungen wurden in dieser Zeit in die Produktionen von Industriepartnern gebracht. Diese Forschungstätigkeit findet ihre Fortsetzung in dem aktuellen Forschungsprojekt zum “Metallpulverspritzguss abrasiver Werkstoffe in durch Laserauftragschweißen gepanzerte Werkzeuge“, das in Kooperation mit der Firma Ohnmacht & Baumgärtner GmbH (OBE) aus Ispringen erfolgreich in die Halbzeit geht.

Das Spritzgießen von Metall „Metal Injection Moulding“ (MIM) ist ein modernes Fertigungsverfahren, mit dem kleine bis mittelgroße Bauteile, mit zum Teil sehr komplexen Geometrien, hergestellt werden können. Die dafür benötigten Spritzgießwerkzeuge müssen sehr verschleißfest und dabei kostengünstig sein.

Im Rahmen des Projekts „Metallpulverspritzguss abrasiver Werkstoffe in durch Laserauftragschweißen gepanzerte Werkzeuge“ hat Dipl.-Ing. (FH) Tom Cruz, hauptverantwortlicher wissenschaftlicher Forschungsmitarbeiter, für das Teilprojekt „Laserauftraggeschweißter Verschleißschutz mit geschichteten Funktionsoberflächen für MIM-Spritzgießwerkzeuge“ im Fachbereich Maschinenbau der Fakultät für Technik in Kooperation mit der Firma OBE eine Zwischenstudie vorgelegt. „Wir arbeiten daran MIM-Werkzeuge verschleißfester zu machen. Dazu wird mit Hilfe des Laserpulverauftragschweißens Hartmetall in einem Mehrschichtsystem partiell aufgetragen. Das Verfahren lässt es zu, dass das Werkzeug ganz individuell an seine Beanspruchung angepasst werden kann und seine Lebensdauer wird damit um ein Vielfaches verlängert“, erklärt Tom Cruz. Die Forschungskooperation besteht seit 2016 und in diesem Zeitraum sind wesentliche Fortschritte erzielt worden.

Prüfstand zur Messung der Abrasion und der Oberflächenzerrüttung

In dem Projekt untersucht der Pforzheimer Wissenschaftler, für Hartmetall-Feedstocks den Werkstoffverschleiß beim Spritzgießen. Dafür wurden in einem ersten Schritt Prüfstandversuche zur Messung der Abrasion und der Oberflächenzerrüttung von herkömmlich gehärtetem Werkzeugstahl und laserauftraggeschweißten Funktionsschichten durchgeführt.

Der Pforzheimer Forscher hat in der nun veröffentlichten Halbzeitstudie gezeigt, dass unterschiedliches Verschleißverhalten beobachtet werden konnte und es zu einer massiven plastischen Verformung des bisher eingesetzten Werkzeugstahls im Vergleich zu den laserbeschichteten Referenzproben gekommen ist. Auf der Werkzeugtrennebene anhaftende Hartmetallpartikel des Hartmetall-Feedstocks führten zu erheblichem Materialaufwurf nahe der Konturkante der Kokille (metallische wiederverwendbare Gussform). Dadurch wird die Funktionsfläche des Werkzeugs plastisch verformt und der Materialabtrag an diesen Stellen deutlich erhöht. Die laserauftraggeschweißten Schutzschichten zeigen keinen vergleichbaren Verschleiß, obwohl an der Trennebene ebenfalls Partikel anhaften. „Dies zeigt deutlich den Vorteil von laserauftraggeschweißten Schutzschichten im Vergleich zu herkömmlichem gehärtetem Werkzeugstahl. Dies verstärkt nochmal die Vorteile von partiell aufgetragenen Funktionsschichten und bekräftig erneut die Motivation dieses Projektes“, so Dipl.-Ing, (FH) Tom Cruz, Leiter des Teilprojekts.

Nach erfolgreicher Durchführung des ersten Teils des Projektes „Metallpulverspritzguss abrasiver Werkstoffe in durch Laserauftragschweißen gepanzerte Werkzeuge“ und der Wahl des am geeignetsten Hartmetall-Feedstocks, wird in den folgenden Schritten das erste seriennahe Werkzeug gepanzert, um bei Abformung eines Demonstrators das Verschleißverhalten zu untersuchen.

Für die Industrie bietet das Fertigungsverfahren Laserauftragschweißen insbesondere auch für kleinere und mittlere Unternehmen ein hohes Einsparungspotential an Ressourcen. Das Potential des generativen Fertigungsverfahrens Laserauftragschweißen findet in dem Forschungsprojekt zusammen mit der Firma Ohnmacht & Baumgärtner GmbH aus Ispringen seine praktische Anwendung. Der stetige Austausch zwischen Theorie und Praxis wird in dem Projekt „Weiterentwicklung des Metallpulver-Spritzgussverfahrens“ (MIM) auch durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) sowie das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) begleitet.

Laserauftragschweißen und sein Potential
In dem relativ jungen, aber hochflexiblen Beschichtungsverfahren verbirgt sich ein hohes Potential an praktischen Anwendungen. Bei diesem Fertigungsverfahren wird ein pulver- oder drahtförmiger Zusatzwerkstoff mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen und mit dem Grundstoff verbunden. So lassen sich nicht nur Werkzeuge mit einem Oberflächenschutz beschichten und gegen Verschleiß schützen, sondern kompliziert geformte Bauteile und kleinste Funktionsflächen können individuell bearbeitet und gepanzert werden. Das Laserauftragschweißen ist ein generatives Fertigungsverfahren und eignet sich deshalb auch ganz besonders um den Werkzeuglebenszyklus durch Werkzeugreparaturen zu verlängern. Laserauftragschweißen hat sich daher in der industriellen Anwendung etabliert. Denn die Marktpreise für die Pulverwerkstoffe sind relativ günstig, die Vielfalt an Legierungswerkstoffen ist groß und sie sind leicht zu verarbeiten. Neuere Forschungsansätze verfolgen die Idee, neue Werkstoffverbünde nach bionischen Grundlagen zu generieren. Das Ziel ist es, damit unter anderem die Verformbarkeit von Werkstoffen zu verbessern. So könnten innovative Werkstücke entstehen, die auf ihrer Oberfläche unterschiedliche Zonen mit unterschiedlichen Eigenschaften vereinen.

Die Projektpartner an einem Tisch: Johannes Maurath, Entwicklungsingenieur bei OBE, und Teilprojektleiter Dipl.-Ing. (FH) Tom Cruz, Hochschule Pforzheim (v.l.n.r.)