Intec 2019

•••8••• Innovationen How to make tools that are harder than ever Researchers have adapted the 3-D printing process Fused Filament Fabrication for hardmetals E xtremely hard tools are re- quired in forming technology, metal-cutting and process en- gineering. They are convention- ally made by powder pressing. Although this achieves a high de- gree of hardness, it is often nec- essary to carry out a complex and therefore expensive post-process- ing. Additive manufacturing ena- bles complex geometries, but has been limited in terms of hardness and component size so far. Re- searchers at the Fraunhofer IKTS in Dresden have adapted the 3-D printing process Fused Filament Fabrication for hardmetals. Hardmetals consist of the metal binders nickel or cobalt and the hard phase tungsten carbide. Un- til now, reliable cutting, drilling, pressing and punching tools have been extruded, injection-moulded or produced using uniaxial or cold isostatic powder pressing. Even harder tools Complex or specific geometries, however, can only be realised with these processes at great post-processing expenses or not at all. Additive manufacturing processes provide a solution. Binder jetting and thermoplastic 3-D printing have already successfully been used at IKTS with selected hard- metal compositions. However, the metal binder content and the resulting hardness as well as the size of these components are lim- ited. The additive manufacturing process Fused Filament Fabrica- tion (FFF), which originates from the plastics processing industry, was initially adapted for ceramics and composite materials at IKTS. “The material-efficient FFF also opens up interesting possibilities for the production of large, com- plex prototypes or special tools made of hardmetals,” says IKTS shaping expert Dr. Tassilo Moritz. During FFF, 3-D bodies are manu- factured from a flexible, meltable filament. For decades, Fraunhofer IKTS has got a proven powder metallurgical expertise. Thus, it was possible to produce the fila- ment required for the FFF from hardmetal powders with organic binders. Depending on the materi- als structure, a reduced grain size and binder content can be used to specifically increase the hardness, compressive and flexural strength of hardmetals. Joiningwith experts Dr. Johannes Pötschke heads the Hardmetals and Cermets group at IKTS and confirms: “The filaments can be used as semi-finished prod- ucts in standard printers and, for the first time, make it possible to print hardmetals with a very low metal binder content of only eight per cent and a fine grain size be- low 0.8 micrometres and thus al- low extremely hard components with up to 1.700 HV10.” IKTS sup- ports manufacturers and tooling experts in the selection of suit- able materials and in the product- specific further development of 3-D printing processes. Hardmetal sample with complex geometry on FFF standard printer Hage3D 140 L, in which larger components can be perspectively printed as well Photo: Fraunhofer IKTS Mit Gamepad und Fingerspitzengefühl falten Forscher Material Kristallbaufehler auf atomarer Ebene lassen sich nutzen, um Materialien zu verformen und ihnen neue Eigenschaften zu verleihen Materialforscher der Friedrich- Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg (FAU) um Professor Dr. Erdmann Spiecker haben he- rausgefunden, wie man durch gezieltes Falten einem Material völlig neue Eigenschaften geben kann. Dabei geht es um mikros- kopisch kleine Falten von weni- gen Millionstel Millimetern, de- ren Auswirkungen aber enorm sein können. Dass Metalle sich verformen las- sen, ohne gleich zu zerbrechen, ist weit bekannt. Man nennt diese an sich unerwartete Verformbarkeit auch Plastizität. Erst in den 1940er Jahren haben Wissenschaftler die Ursache dafür gefunden: Verant- wortlich sind feine Kristallbau- fehler auf atomarer Ebene, soge- nannte Versetzungen. Diese kann man sich wie winzige Teppichfal- ten vorstellen, die sich auch wie Teppichfalten verschieben lassen. Wenn ein Metall verformt wird, wandern Millionen und Abermil- lionen solcher winzigen Falten – Versetzungen – durch den Werk- stoff. Versetzungen machen also im Grunde viele technische Pro- zesse wie Walzen oder Schmie- den erst möglich, sie spielen aber auch im Alltag eine wichtige Rolle: So wandeln Versetzungen in der Knautschzone von Autos Bewe- gungsenergie um, indem sie das Metall verformen. Wissenschaftler an der FAU haben nun am Beispiel von Graphen eine Möglichkeit gefunden, einzelne solcher Versetzungen direkt an- zufassen und zu bewegen. Die Forscher um Professor Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Na- nostrukturforschung der FAU eb- nen damit den Weg für neuartige Entwicklungen in diesem Bereich mit noch ungeahnten Möglichkei- ten, Einfluss auf die Eigenschaften des Materials zu nehmen. Schon vor fünf Jahren hatte eine Grup- pe von FAU-Wissenschaftlern die Versetzungen in sogenanntem Bilagen-Graphen gefunden. „Als wir die Versetzungen in Graphen entdeckten, wussten wir schon, dass wir ein ideales Modellsystem für die Erforschung von Plastizität gefunden hatten“, erklärt Prof. Spiecker. Dem Teamwar klar, dass es dafür nicht mehr ausreicht, die winzigen Versetzungen nur sicht- bar zu machen. Vielmehr musste ein Weg gefunden werden, direkt mit ihnen zu interagieren. Um Versetzungen abbilden zu können, steht den Forschern ein mächtiges Mikroskop zur Verfü- gung. „Während der letzten drei Jahre haben wir unser Mikroskop mit immer neuen Möglichkeiten ausgestattet und sozusagen zu ei- ner Werkbank auf der Nanoskala aufgerüstet“, sagt Doktorand Pe- ter Schweizer. „Dadurch können wir Nanostrukturen nicht nur se- hen, sondern mit ihnen gleichzei- tig direkt interagieren. Zum Bei- spiel haben wir die Möglichkeit, sie mechanisch zu verschieben, definiert zu erwärmen oder ein elektrisches Potenzial anzulegen.“ Herzstück des Geräts sind kleine Roboterarme, die mit der Genau- igkeit eines Millionstel Millimeters positioniert werden können. Be- stückt man diese Arme mit feinen Nadeln, können diese auf die Pro- benoberfläche abgesenkt und mit Gamepads kontrolliert werden. Winzige Kristallbaufehler lassen sich mit einer feinen Spitze gezielt bewegen – mittels Elektronenmikroskop und hochsensitiven Roboterarmen. Foto: Peter Schweizer