Abgeschlossenes Förderprojekt

Ceramic Sub Sea Systems (CS3)

Motivation

M-Flex-Pulverdrucker der Firma ExOne
© Fraunhofer-Zentrum HTL
M-Flex-Pulverdrucker der Firma ExOne

Im Projekt sollte ein Verfahren entwickelt werden, mit dem Teile und Werkzeuge aus Hartmetallen über additive Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Mit dem Binder-Jetting-Verfahren sollte ein kostengünstiger, für Kleinserien tauglicher 3D-Druck-Prozess etabliert werden. Die additive Fertigung sollte die Realisierung komplexer Bauteilgeometrien ermöglichen. Hartmetalle sind in der Unterseeindustrie, in der Metallverarbeitung, im Werkzeugbau sowie in der Automobil- und Chemieindustrie besonders wichtig, weil sie eine gute Verschleißbeständigkeit, Druckfestigkeit, Bruchzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Das wichtigste Hartmetall besteht aus Wolframcarbid (WC) sowie Kobalt (Co) oder Nickel (Ni). Dabei sorgt das Carbid für Härte und Verschleißbeständigkeit, während der metallische Binder die Duktilität und Zähigkeit in das Komposit einbringt. Die Eigenschaften von WC-basierten Hartmetallen lassen sich in einem weiten Bereich gezielt einstellen.

Zielsetzung

Bauteile aus gesintertem Edelstahl
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Bauteile aus gesintertem Edelstahl

Die Herausforderung bestand darin, dass im 3D-Druck hergestellte Grünteile eine sehr niedrige Gründichte aufweisen. Für viele industrielle Anwendungen werden jedoch dichte Komponenten mit hohem Wolframcarbidanteil > 85 Gew.% benötigt. Die Verdichtung sollte durch eine Kombination aus Flüssigphasensinterung und reaktiver Schmelzinfiltration erreicht werden, wofür am HTL umfangreiche Erfahrungen vorliegen. Die Vickershärte der so hergestellten Hartmetalle sollte mindestens 1000 HV betragen, die Biegefestigkeit mindestens 1500 MPa. Dazu mussten die Korngröße des Wolframcarbids und der Anteil des metallischen Binders angepasst werden.

Lösungsweg

technischer Keramik, Metallen und Kompositen
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Druckfestigkeit vs. Bruchhärte von technischer Keramik, Metallen und Kompositen (links) und von WC-Kompositen mit unterschiedlichem Inhalt an Metallbindern (rechts)
  • Mikrostruktur-Eigenschaftssimulationen, die den Zusammenhang zwischen dem Anteil an Metallbinder, Kornspektrum der Carbide und Steifigkeit darstellen
  • Pulverfließfähigkeit: Entwicklung fließfähiger WC/Co-Pulver (Agglomerate, Granulate)
  • Optimierung der 3D-Druckparameter
  • Wolframcarbidanteil > 85 Gew. %: Kombination aus Flüssigphasensinterung und reaktiver Schmelzinfiltration
  • In-situ Untersuchungen zur Wärmebehandlung: ThermoOptische Messungen (TOM) der Sinter- und Infiltrationskinetik bei unterschiedlichen Temperaturprofilen und Ofenatmosphären

Projektdaten

Projektlaufzeit 01.02.2016 - 31.01.2018
Zuwendungsgeber Fraunhofer MaVo
Fördersumme HTL 750.000 Euro
Projektpartner Fraunhofer-Zentrum HTL
Projektkoordination Fraunhofer-Zentrum HTL
Projektleitung am HTL Dr. Sarig Nachum