Charakterisierung und Modellierung der Mehrfach- umwandlungen in Werkzeugstählen bei additiven Verfahren

Die additive Fertigung ist charakterisiert durch einen zyklischen Wärmeeintrag durch den Aufbau der einzelnen Lagen und der darauffolgenden Abschreckung durch Wärmeaustrag über den Grundkörper. Beim Laser-Pulver-Auftragschweißen ist der Wärmeintrag besonders groß und gleichzeitig die Aufbaufrequenz deutlich höher als bei pulverbettbasierten Verfahren. Bei der additiven Fertigung von martensitisch härtbaren Stählen kann die zyklische Erwärmung und Abschreckung zur Mehrfachumwandlung Austenit <-> Martensit und zu deutlichen Anlasseffekten des Martensits führen. In Abhängigkeit der Prozessparameter kommt es zu erheblichen Gefüge- und damit Härtegradienten innerhalb eines Bauteils.

Im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung wurde im IGF Vorhaben „Charakterisierung und Modellierung der Mehrfachumwandlungen in Werkzeugstählen bei additiven Verfahren“ das resultierende Gefüge des Warmarbeitsstahl X40CrMoV5-1 nach dem Laser-Pulver-Auftragschweißen intensiv experimentell untersucht und Rückschlüsse auf die Bildungsmechanismen gezogen. Darauf aufbauend wurde ein Modell für die zyklische Umwandlung Austenit <-> Martensit und der Anlasseffekte des Martensits entwickelt. Dieses Modell wurde in ein FE-Programm zur Simulation der Additiven Fertigung integriert. Damit wurden einfache Modellbauteile simuliert und mit experimentellen Ergebnissen bzgl. der Härteverteilung verglichen.

Eine wesentliche Herausforderung additiver Fertigungstechnologien liegt in der Ermittlung geeigneter Prozessfenster und Bearbeitungsstrategien. Diese werden bisher nahezu ausschließlich durch experimentelle Parameterstudien bestimmt und sind häufig nicht nur für jeden Werkstoff, sondern ebenfalls für unterschiedliche Geometrien durchzuführen. Dabei weist ein Großteil additiver Fertigungsverfahren Prozessdauern von mehreren Stunden auf. Eine hohe Anzahl von Anwendern der Verfahren sind KMU, für die diese Schritte eine entscheidende wirtschaftliche Bedeutung haben. Aus dem Stand der Technik ging hervor, dass heutige Ansätze für die Simulation von additiv gefertigten Bauteilen noch nicht hinreichend präzise sind für die Vorhersage von metallurgischen Phasen und somit den resultierenden Werkstoffeigenschaften. Dies liegt darin begründet, dass die angesetzten Umwandlungsparameter häufig für alle Phasen identisch angegeben werden. Dies kann maximal für den ersten Zyklus bei additiven Verfahren zu einem präzisen Ergebnis führen.

Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen wurden verschiedene Probengeometrien hergestellt und unterschiedliche Zykluszeiten angewendet. Die Proben wurden anschließend charakterisiert, z. B. anhand ihres Gefüges oder der resultierenden Härte. Dabei lag der Fokus auf den signifikanten Anlasseffekten, die zu einem starken Härtegradient nach der additiven Fertigung führen. Aufgrund des schnellen Prozesses wurde ein vereinfachtes Modell aufgebaut, für das Daten bestimmt werden konnten. Berücksichtigt wurden die Umwandlungen

  • Schmelze <-> Austenit
  • Austenit <-> Martensit
  • Ausscheidung und Auflösung von Karbiden (Zementit)

Anwendung fand das Koistinen-Marburger-Modell für die Austenit <-> Martensit-Umwandlung und das Leblond-Modell für die weiteren Umwandlungen. Über die Kohlenstoffabreicherung des Martensits durch Karbidbildung konnte der Anlasszustand über eine kohlenstoffabhängige Härteberechnung vorhergesagt werden. Mit diesen Modellen ließen sich die Härteverläufe bei Laser-Pulver-Auftragschweißen von einfachen Mauern quantitativ vorhersagen. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde somit erreicht.

Mit den hier entwickelten Ansätzen bestehen verbesserte Möglichkeiten der Prognose resultierender Bauteileigenschaften, was zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil führt, da Entwicklungszyklen bis zum Endprodukt verkürzt und additiv gefertigte Produkte somit kostengünstiger angeboten werden können. Die Konkurrenzfähigkeit entsprechender, innovative Produktionstechnologien, die häufig ebenfalls von KMU entwickelt und vertrieben werden, gegen etablierte, konventionelle Fertigungstechnologien kann dadurch erheblich gesteigert werden.

Die Forschungsergebnisse finden eine Umsetzung und Anwendung nicht nur bei den im projektbegleitenden Ausschuss beteiligten Firmen, sondern stehen durch eine Vielzahl von Veröffentlichungen und auch persönlichen Vorträgen bei weiteren interessierten Firmen zur Verfügung. Mit den angegebenen Transfermaßnahmen wurde und wird weiterhin sichergestellt, dass die im Rahmen des Forschungsvorhabens erzielten Ergebnisse und das erarbeitete Know-how der Wirtschaft vollumfänglich zugänglich sind. Detaillierte Informationen zu den Projektergebnissen können dem Abschlussbericht entnommen werden, der über die FOSTA e.V. erhältlich ist.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19308 N / P 1180 „Charakterisierung und Modellierung der Mehrfachumwandlungen in Werkzeugstählen bei additiven Verfahren“ der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik in Kooperation mit dem IWT – Leibniz Institut für Werkstofftechnik und dem ZeTeM – Zentrum für Technomathematik durchgeführt.