Projektbeschreibung HiPTSLAM:
Design of high-performance tool steel metal powders for Laser Additive Manufacturing

Ausgangslage:
Das Forschungsprojekt HiPTSLAM ist ein Deutsch-Kanadisches Projekt innerhalb des TraCLight-Netzwerks.
Additive Fertigungsverfahren finden aufgrund ihrer Massentauglichkeit und Anwenderfreundlichkeit trotz ihrer Komplexität und schnellen Entwicklungszyklen immer mehr Beachtung in der Fertigungsindustrie, so dass sie nicht nur in der Prototypenfertigung, sondern zunehmend auch in der industriellen Serienfertigung eingesetzt werden. Das wichtigste Verfahren ist das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB), da Metalle zu Bauteilen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und funktionsoptimierten Strukturen verarbeitet werden können. Die verfügbaren und verarbeitbaren metallischen Legierungen für das PBF-LB-Verfahren sind derzeit durch ihre Schweißbarkeit begrenzt. Für die konventionelle Herstellung von Umformwerkzeugen, Matrizen und Bauteilen für spanende Anwendungen in Werkzeugmaschinen werden in der Industrie aufgrund der guten Festigkeits- und Verschleißeigenschaften meist hochlegierte Werkzeugstähle mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt eingesetzt. Genau diese Eigenschaft wirkt sich negativ auf das PBF-LB-Verfahren aus, da Kohlenstoff im PBF-LB-Verfahren zu Mikrorissen bei der Erstarrung der Schmelze führt. Die additive Herstellung geeigneter Werkzeugstähle könnte jedoch zu konstruktiven Mehrwerten und Funktionsoptimierungen in hochbeanspruchten Werkzeugen führen, zum Beispiel durch innere Kanalstrukturen. Daraus ergeben sich Herausforderungen, die eine ganzheitliche Betrachtung der additiven Fertigungskette von der Legierungszusammensetzung und Metallpulverherstellung über die prozess- und funktionsoptimierte Auslegung bis hin zur thermomechanischen und spanenden Nachbearbeitung des Endprodukts erfordern.

Ziel:
Ziel des Forschungsprojekts HiPTSLAM ist die Ermittlung der Anforderungen an neue Legierungen und Legierungspulver bzw. deren notwendige Eigenschaften für den Einsatz im PBF-LB-Prozess zur additiven Herstellung von Bauteilen aus hochfestem Werkzeugstahl basierend auf spezifische Anwendungsbereiche der Endprodukte sowie der Entwicklung einer Methode zur schnellen Qualifikation neuer Legierungen für die gesamte Prozesskette von der Pulververdüsung bis zur Nachbearbeitung.

Vorgehen:
Das Vorgehen in diesem Forschungsprojekt orientiert sich an der Prozesskette "Pulververdüsung, Additive Fertigung (PBF-LB), Nachbearbeitung". In einem ersten Schritt wir die Pulverherstellung mittels Gasverdüsung untersucht und eine legierungsspezifische Prozessentwicklung durchgeführt. Im Anschluss wird der PBF-LB für hochfeste Werkzeugstahllegierung entwickelt und die erforderlichen Prozessparameter experimentell qualifiziert. Die experimentelle Prozessparameterentwicklung wird durch Prozesssimulation von einzelnen Schmelzbahnen unterstützt. In einem letzten Schritt wird die Wärmebehandlung der additiv gefertigten Werkzeugstähle optimiert und der Einfluss der bisherigen Prozesskette auf die spanende Nachbearbeitung untersucht. Parallel werden die Pulver, Probekörper und Demonstratorbauteile vor und nach jedem Prozessschritt metallographisch untersucht und deren Materialeigenschaften ermittelt.