19/10/2016
Door Ad Spijkers
Onderzoekers aan Fraunhofer-IKTS hebben via additive manufacturing complexe hardmetalen gereedschappen vervaardigd, waarvan de kwaliteit niet onderdoet voor die van conventioneel geproduceerde.
Van gereedschappen voor de machine- of voertuigbouw en de kunststoffen- en bouwmaterialenindustrie wordt een hoge mechanische en chemische bestandheid, hoge thermische stabiliteit en extreme hardheid geëist. Onderzoekers aan het Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) in Dresden is het met behulp van additive manufacturing gelukt complexe hardmetalen gereedschappen te vervaardigen, waarvan de kwaliteit niet onderdoet voor die van conventioneel geproduceerde gereedschappen voor hoge prestaties.
Het instituut beschikt al enkele decennia op expertise in de ontwikkeling van hardmetalen. Tot nu toe werden betrouwbare snij-, boor-, pers- en ponsgereedschappen uit hardmetaal gemaakt door uniaxiaal of koud-isostatisch persen, door extrusie en spuitgieten en door verspanende bewerking. Complexe geometrieën zoals spiraal- of meandervormige koelkanalen in het inwendige van het onderdeel zijn met de traditionele gereedschapproductie echt alleen tegen hoge kosten of helemaal niet realiseerbaar.
Vrije vormgeving
Via additive manufacturing kunnen snel, materiaalbesparend en zonder gereedschappen complexe geïndividualiseerde geometrieën worden gerealiseerd, ook in keramische materialen. Het is de IKTS-wetenschappers nu ook gelukt complexe hardmetalen gereedschappen via additive manufacturing te produceren.
Bij de hierbij toegepaste binder jetting methode worden de uitgangspoeders respectievelijk –granulaten met behulp van een via een drukkop opgebrachte organisch bindmiddelen benat en gebonden. De uitdaging daarbij was een volledig dichte onderdelen te realiseren die een perfecte hardmetaalstructuur en goede mechanische eigenschappen hadden.
De foto toont een draadtreknozzle met geïntegreerd koelkanaal in ruwe toestand vóór het sinteren. Het gereedschap is op aanvraag van een klant ontwikkeld met behulp van de 3D binder jetting methode (foto: Fraunhofer IKTS).
Hardmetaal
Hardmetalen bestaan uit een harde keramische stof, bijvoorbeeld wolframcarbide (wij kunnen het ook niet helpen, maar chemisch gezien is dat WC), en een taaie bindmiddelmatrix uit kobalt en nikkel of ijzer. Door doelgerichte variatie van de bindmiddelmatrix worden buigbreukvastheid, -taaiheid en hardheid individueel ingesteld. Hoe geringer het aandeel bindmiddel in het hardmeaal, des te harder het onderdeel.
De bij Fraunhofer-IKTS gemaakte prototypen hebben een bindmiddelgehalte van 12% respectievelijk 17% (gewichtsprocenten) en hebben een structuur die vergelijkbaar is met die van conventioneel vervaardigde onderdelen. Door het gebruik van 3D-printen voor het maken van complexe 'groene' lichamen en het vervolgens sinteren onder conventionele sintercondities zijn onderdelen gerealiseerd met een typische hardmetaalstructuur bij 100% dichtheid.
Bovendien is het gelukt een homogene kobaltverdeling in te stellen, die zorgt voor vergelijkbare kwaliteiten als bij conventionele high performance gereedschappen.
Fraunhofer-IKTS ondersteunt fabrikanten en gebruikers van hardmetalen gereedschappen bij de keuze van de geschikte materialen en bij de productspecifieke ontwikkeling van het 3D printen.