Kombinierte Prozesskette für H13-Werkzeuge steigert Leistungsfähigkeit

Der Werkzeugstahl AISI H13 zählt zu den bewährten Werkstoffen im Modell- und Formenbau für Schmiede- und Druckgusswerkzeuge bedingt durch die hohe Temperaturwechselbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit. In Verbindung mit additiven Fertigungsverfahren eröffnen sich nun zusätzliche Potenziale, um die Leistungsfähigkeit dieser Werkzeuge weiter zu steigern.

Insbesondere die pulverbettbasierte additive Fertigung von Metallkomponenten mittels Laserstrahl (PBF-LB/M) ermöglicht durch ihren schichtweisen Aufbau eine nie dagewesene Designfreiheit. Damit lassen sich beispielsweise thermisch-optimierte, innenliegende Kühlkanäle direkt in Bauteile realisieren, was zu einer effizienten, homogenen Wärmeabfuhr führt und die Standzeit der Werkzeuge verlängern kann. Jedoch sind die additiven Verfahren für ihre begrenzten Maßhaltigkeiten und erhöhten Oberflächenrauheiten bekannt, wodurch spanende und umformende Endbearbeitungsprozesse unerlässlich sind.

Genau hier setzt die untersuchte kombinierte Prozesskette an: Die additive Fertigung wird ganzheitlich mit anschließenden Fräs- und Festwalzprozessen betrachtet, um die lokalen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften gezielt einzustellen. Dadurch lassen sich nicht nur bauteilinhärente Eigenschaften wie hohe Oberflächenrauheiten und Zugeigenspannungen aus dem additiven Fertigungsprozess beeinflussen, sondern sogar gezielt verbessern. Damit ist die Vision verknüpft später in hochbelasteten Bereichen von beispielsweise Druckgusswerkzeugen die Bauteileigenschaften lokal an die im Betrieb auftretenden Lasten anzupassen und infolgedessen die Lebensdauer der Werkzeuge zu steigern.

Im Projekt „Kombinierte Fertigung des Werkzeugstahls AISI H13 mittels laserbasierter additiver Fertigung und mechanischer Nachbearbeitung zur Steigerung von Einsatz- und Lebensdauer“ gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) untersuchen das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover sowie das Institut für Werkstofftechnik (IfW) der Universität Kassel die lokalen Oberflächen- und Randzoneneigenschaften des additiv hergestellten H13-Stahls. Der Schwerpunkt liegt auf dem Einfluss der Prozessstellgrößen auf die Bauteileigenschaften sowohl beim PBF-LB/M allein als auch in Kombination mit den nachgelagerten Fertigungsschritten Fräsen und Festwalzen. Die Bauteile werden metallografisch und röntgenographisch (engl. X-ray diffraction, kurz XRD) analysiert, um aus dem Verständnis der Prozesswechselwirkungen optimale Prozessstellgrößen abzuleiten und die Werkstoffeigenschaften langfristig gezielt einzustellen. Hierbei ist ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt die Vermeidung von mikrostrukturellen Kerben in der Übergangszone zwischen unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften. Erste Untersuchungen zeigen, dass durch eine optimierte kombinierte Prozesskette sowohl die Mikrostruktur und Härte, als auch der Eigenspannungszustand lokal definiert adaptiert werden kann.

Auswahl der Prozessstellgrößen der additiven Fertigung beeinflussen Härte und Eigenspannungen

Im Rahmen der Untersuchungen wurden die PBF-LB/M-Prozessstellgrößen Bauplattformtemperatur, Laserleistung und Scangeschwindigkeit systematisch variiert. Besonders deutlich zeigte sich der Einfluss der Bauplattformtemperatur: Wird diese oberhalb der Martensit-Starttemperatur von etwa 350 °C eingestellt, verschieben sich die Eigenspannungen signifikant. Die Auswirkungen der prozessbedingten, intrinsischen Wärmebehandlung durch den schichtweisen Aufbau werden dabei verringert. Oberhalb von 350 °C führt das wiederholte Aufschmelzen und Abkühlen einzelner Schmelzbahnen zu keiner martensitischen Phasenumwandlung, sodass dieser Umwandlungsprozess während der additiven Fertigung vorerst unterbunden werden und erst im finalen Abkühlen auftritt. Dabei entstehen in Summe bei erhöhten Bauplattentemperaturen größere Eigenspannungen durch die Umwandlung großer Volumina, als wenn bei niedrigeren Bauplattformtemperaturen in jeder Schicht durch die Umwandlung kleiner Volumina die Eigenspannungen langsam auf- und wieder abgebaut werden können.

Die mikrostrukturelle Entwicklung zeigt sich auch in der finalen Härte der Bauteile. Eine Erhöhung der Bauplattformtemperatur von 200 °C auf 600 °C führte folglich zu einem Anstieg der durchschnittlichen Härte von rund 525 HV1 auf etwa 565 HV1 – ein klarer Vorteil für hochbelastete Werkzeuganwendungen.

Fräsen und Festwalzen optimieren die Randzone

Nach der additiven Fertigung wurden als ersten Bearbeitungsschritt die Bauteile mit unterschiedlichen Parametern gefräst. Dabei zeigte sich, dass die Fräsparameter nur einen geringen Einfluss auf die oberflächennahe Härte haben. Lediglich ein erhöhter Zahnvorschub führte zu einer leichten Härtesteigerung. Deutlich ausgeprägter war hingegen der Einfluss auf die Eigenspannungen nach dem Fräsen: Die resultierenden Eigenspannungen streuen stark, ohne dass ein klarer Trend abzuleiten ist. Das Fräsen nach der additiven Fertigung ist jedoch unerlässlich zur Erreichung der gewünschten Oberflächenrauheiten an den Funktionsflächen.

Das anschließende Festwalzen erwies sich als entscheidender Schritt zur gezielten Randzonenmodifikation. Durch die Anpassung von Walzdruck und Walzkugeldurchmesser konnten reproduzierbar hohe Druckeigenspannungen von bis zu −1.200 MPa quer zur Festwalzrichtung (entspricht Aufbaurichtung φ = 90° in Bild 1) und −600 MPa in Festwalzrichtung (Scanrichtung φ = 0°) eingestellt werden. Druckeigenspannungen können der Rissbildung und -ausbreitung im Einsatz von Werkzeugen entgegenwirken und so wesentlich zur Erhöhung der Bauteillebensdauer beitragen. Zusätzlich konnte ein Anstieg der oberflächennahen Härte um bis zu 60 HV1 erzielt werden.

Grundlage für funktionsoptimierte Werkzeuge

Die Untersuchungen tragen zu einem vertiefenden Verständnis der Wechselwirkungen entlang der kombinierten Prozesskette für additiv gefertigten H13-Werkzeugstahl bei. Zentrale Einflussgrößen auf Härte und Eigenspannungen konnten identifiziert und gezielt genutzt werden. Damit steht eine wirkungsvolle Prozesskette zur Verfügung, um Bauteileigenschaften lokal an den späteren Einsatz anzupassen.

In zukünftigen Arbeiten wird das Konzept der kombinierten Fertigung von H13-Stahl weiter ausgebaut. Geplant ist die Kombination signifikant unterschiedlicher Werkstoffzustände innerhalb eines Bauteils, um lokal variierende mikrostrukturelle und mechanische Eigenschaften zu realisieren. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf den Übergangszonen zwischen den Bereichen signifikant unterschiedlicher Werkstoffzustände und deren Einfluss auf die Temperaturwechselbeständigkeit – mit dem Ziel, leistungsfähige, langlebige Werkzeuge ohne kritische mikrostrukturelle Kerbwirkungen zu entwickeln.

Quelle: Institut für Werkstofftechnik (IfW), bearbeitet von: Sabine Königl