Standmengensteigerung von Schmiedegesenken und Warmumformwerkzeugen durch Integration von additiv gefertigten oberflächennahen Kühlelementen aus hochverschleißbeständigen Materialien

Für die Stückkosten eines Schmiedeteils spielen die Werkzeugstandmenge und Rüstkosten eine maßgebliche Rolle. Schmiedegesenke verschleißen insbesondere durch die Werkstoffzerrüttung an der Oberfläche, die hauptsächlich durch die hohe Temperatur der Schmiedeteile und die schroffen Temperaturwechselzyklen verursacht wird. In den letzten Jahren gab es Bestrebungen, die Gesenktemperatur beim Schmieden durch oberflächennahe Kühlkanäle zur regulieren und damit vor Verschleiß zu schützen. Durch die 3D-Kontur der Gesenkoberfläche sind diese meist nur durch selektives Laserschmelzen (SLM) herstellbar. Die heute verfügbaren Materialien für SLM weisen aber nur geringen Widerstand gegen den ebenfalls auftretenden abrasiven Verschleiß auf. Im beantragten Vorhaben soll deshalb Stellite als hochhartes Gesenkmaterial erstmals für das selektive Laserschmelzen qualifiziert werden. Um die Herstellkosten des Gesenks im wirtschaftlich attraktiven Rahmen zu halten, wurde nur eine dünne Haube mit den feinen Kühlkanälen im 3D-Druck hergestellt und auf einem inneren Kühlkörper befestigt. Dieser enthält die Zu- und Abführung des Kühlmediums und muss in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die Temperaturverhältnisse der Fügestelle anpassbar sein. Nach erfolgreicher Herstellung von Stellite-Bauteilen im SLM-Verfahren wurden die Materialeigenschaften ermittelt und für eine Simulation der Gebrauchs- und Sicherheitseigenschaften derart hergestellter Gesenke genutzt. Es wurde ein Demonstrator aufgebaut und unter industrieähnlichen Bedingungen erprobt. Die Ergebnisse zeigen dass eine additive Herstellung von Werkzeugen aus Stellite möglich ist und sich in Kombination mit der Kühlung vorteilhaft auf das Einsatzverhalten beim Gesenkschmieden auswirkt. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Fügeverbindung zum Grundkörper hinsichtlich der thermischen Ausdehnung und der Warmfestigkeit von entscheidender Bedeutung für das Einsatzverhalten der Werkzeuge ist. Neben höheren Standmengen und deren wirtschaftlichen Vorteilen in der Schmiedeindustrie können vor allem Werkzeugbauer, Gießereien und 3D-Druck-Unternehmen die Erkenntnisse nutzen. Alle diese Industriezweige sind stark mittelständisch geprägt.