Forschungsprojekt zu optimierten Oberflächen von Metallpulver-Spritzguss-Werkzeugen

Entstanden ist die Studie im Bereich Maschinenbau der Fakultät für Technik im Rahmen des Teilprojekts „Laserauftraggeschweißter Verschleißschutz mit geschichteten Funktionsoberflächen für MIM-Spritzgießwerkzeuge“. Das sogenannte „Metal Injection Moulding“ (MIM), also das Spritzgießen von Metall, ist ein modernes Fertigungsverfahren, mit dem kleine bis mittelgroße Bauteile, mit zum Teil sehr komplexen Geometrien, hergestellt werden können.

„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 und seine Lebensdauer damit um ein Vielfaches verlängert werden kann“, erklärt Tom Cruz.

Das Projekt entstand in Kooperation mit der Firma Ohnmacht & Baumgärtner GmbH (OBE) aus Ispringen, wo das Fertigungsverfahren von der Forschung in die Praxis übertragen wurde. Die Kooperation besteht seit 2016 und hat wesentliche Fortschritte gebracht. Begleitet wird das Projekt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) sowie von der Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM).

In der nun veröffentlichten Halbzeitstudie hat Tom Cruz 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.

Dafür wurden in einem ersten Schritt Prüfstandversuche zur Messung der Abtragung und der Oberflächenzerrüttung von herkömmlich gehärtetem Werkzeugstahl und laserauftraggeschweißten Funktionsschichten durchgeführt. Funktionsflächen von unbeschichteten Werkzeugen werden plastisch verformt und zeigen einen deutlich erhöhten Materialabtrag.

Die Referenzproben der beschichteten Schutzschichten weisen keinen vergleichbaren Verschleiß aus. „Dies zeigt deutlich den Vorteil von laserauftraggeschweißten Schutzschichten im Vergleich zu herkömmlich gehärtetem Werkzeugstahl und bekräftig erneut die Motivation dieses Projektes“, so Tom Cruz.

Nach erfolgreicher Durchführung des ersten Teils des Projektes und der Wahl des geeigneten Hartmetall-Basismaterials wird in den folgenden Schritten das erste seriennahe Werkzeug gepanzert, um durch die Abformung weiterer Proben das Verschleißverhalten zu untersuchen.

Laserauftragschweißen:
Das relativ junge, aber hochflexible Beschichtungsverfahren birgt ein hohes Potential an praktischen Anwendungen. Bei dieser Art der Fertigung wird ein pulver- oder drahtförmiger Zusatzwerkstoff durch einen Laserstrahl aufgeschmolzen und mit dem Grundstoff verbunden. So lassen sich nicht nur Werkzeuge mit einem Oberflächenschutz beschichten und gegen Verschleiß schützen, auch kompliziert geformte Bauteile und kleinste Funktionsflächen können individuell bearbeitet und gepanzert werden. Das Laserauftragschweißen eignet sich damit besonders gut, um Werkzeuglebenszyklen durch Werkzeugreparaturen zu verlängern. Das Verfahren hat sich in der industriellen Anwendung etabliert, da die Marktpreise für Pulverwerkstoffe relativ günstig sind und die Vielfalt an leicht zu verarbeitenden Legierungswerkstoffen groß ist. Für die Industrie, insbesondere auch für kleinere und mittlere Unternehmen, bietet das Verfahren somit ein hohes Einsparungspotential an Ressourcen. In neuen Forschungsansätzen sollen weitere Werkstoffverbünde erzeugt werden, um die Verformbarkeit von Werkstoffen weiter zu verbessern.