Die Werkzeugindustrie steht unter ständigem Druck: kürzere Lieferzeiten, mehr Individualisierung und gleichzeitig höchste Anforderungen an Härte, Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit. Ein Forschungsprojekt des baskischen Instituts TECNALIA zeigt eindrücklich, wie additive Fertigung – konkret das Binder-Jetting-Verfahren – diese scheinbar widersprüchlichen Ziele unter einen Hut bringen kann.

Wer steckt hinter dem Projekt?

TECNALIA Research & Innovation ist eine unabhängige, gemeinnützige Forschungseinrichtung mit Sitz in San Sebastián und eine der größten Forschungsorganisationen Europas. Die Gruppe „Materials for Extreme Conditions“ verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Materialien für extreme Belastungen und deckt sämtliche Stufen der Pulvermetallurgie ab – von der Rohstoffauswahl bis zum fertigen Bauteil.

Bereits 2017 schaffte sich TECNALIA eine eigene InnoventX-Anlage von Arc Impact (ehemals Desktop Metal) an, um gezielt Knowhow im Bereich sinterbasierter additiver Verfahren aufzubauen. Projektleiter Dr. Iñigo Agote beschreibt die Rolle seines Teams als Brücke zwischen neuer Technologie und Industriepartnern, die zwar Interesse an additiver Fertigung haben, deren praktischen Einsatz aber noch nicht ausreichend beurteilen können.

Warum Hartmetall und Werkzeugstahl besonders anspruchsvoll sind

Für Schneidwerkzeuge unter harten Einsatzbedingungen eignen sich klassischerweise zwei Materialklassen besonders gut:

• Hartmetall (WC-Co) – eine Verbundstruktur aus Wolframcarbid (WC) und Kobalt (Co), bekannt für ihre ausgewogene Kombination aus Härte und Bruchzähigkeit
• Werkzeugstahl M2 – geschätzt für hohe Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit

Genau diese Materialien bereiten jedoch klassischen strahlbasierten 3D-Druckverfahren wie dem Laserschmelzen erhebliche Probleme: M2-Legierungen neigen bei den schnellen Aufheiz- und Abkühlraten des Laserprozesses zur Rissbildung, während Hartmetalle bei diesen Verfahren zur Zersetzung neigen und nur begrenzte Dichten erreichen.

Binder Jetting als Lösung

Der entscheidende Vorteil des Binder-Jetting-Verfahrens liegt darin, dass beim Druckvorgang selbst keine Wärmequelle zum Schmelzen des Materials eingesetzt wird. Stattdessen trägt ein Druckkopf gezielt Bindemittel auf das Pulverbett auf – ganz ohne thermische Schwankungen. Dadurch entfallen die typischen Defekte wie Risse oder Materialzersetzung, die bei hitzebasierten Verfahren auftreten.

Die anschließende Weiterverarbeitung ähnelt konventionellen Prozessen: Für M2 kommt drucklose Sinterung nach Kaltpressen oder Metallpulverspritzguss (MIM) zum Einsatz, für WC-Co ein Sinter-HIP-Verfahren (Heißisostatisches Pressen) im Anschluss an das übliche kalt-isostatische Pressen. Die volle Dichte wird erst im nachgelagerten Sinterprozess erreicht – eine zentrale Voraussetzung für Werkzeugmaterialien. Der Verzicht auf Formwerkzeuge verschafft den Ingenieuren dabei enorme gestalterische Freiheit.

Die technische Herausforderung: passende Pulver finden

Ganz ohne Entwicklungsarbeit ging es allerdings nicht. Handelsübliche Ready-to-Press-Pulver für WC-Co erwiesen sich für den Binder-Jetting-Prozess als ungeeignet – zu große Korngröße, zu niedrige Klopfdichte und Probleme mit den verwendeten Bindemitteln machten eine Anpassung notwendig. Auch für M2 galt es, ausreichende Dichten zu erzielen, ein Bereich, der laut Agote bislang kaum erforscht ist.

Das TECNALIA-Team identifizierte schließlich geeignete Pulverquellen: plasmasphäroidisierte WC-Co-Pulver von Global Tungsten & Powders sowie MIM-Qualität M2-Pulver von Sandvik lieferten zufriedenstellende Ergebnisse. Parallel dazu optimierte das Team die Sinter- und Sinter-HIP-Zyklen hinsichtlich Aufheizraten, Haltezeiten und Temperaturen.

Die Ergebnisse überzeugen

Nach der Sinterung erreichten die gedruckten Bauteile Dichten, die mit konventionell gefertigten Serienteilen vergleichbar waren. Auch Härte und Bruchzähigkeit lagen auf einem ähnlichen Niveau wie bei traditionell hergestellten Werkzeugen.

Besonders bemerkenswert sind die Vorteile, die über die reinen Materialeigenschaften hinausgehen:

• Konforme Kühlkanäle: Die gestalterische Freiheit des 3D-Drucks ermöglicht funktionale Geometrien wie integrierte Kühlkanäle, die mit konventionellen Verfahren nicht realisierbar wären. Diese verbessern das thermische Verhalten der Werkzeuge und verlängern deren Standzeit spürbar – bei gleichzeitig höheren möglichen Schnittgeschwindigkeiten und geringerem Kühlmittelverbrauch.
• Near-Net-Shape-Fertigung: Die gedruckten Teile kommen der Endform bereits sehr nahe, wodurch aufwendige spanende Nachbearbeitung entfällt.
• Kürzere Lieferzeiten: Statt der bei konventioneller Fertigung üblichen vier Wochen konnten Bauteile in weniger als einer Woche produziert werden – ein Zeitgewinn, der schnellere Produktionsstarts und mehr Flexibilität ermöglicht.
• Kostenneutrale Individualisierung: Sonderanfertigungen und Losgröße-1-Fertigung werden möglich, ohne dass dabei zusätzliche Werkzeugkosten anfallen – ein Aspekt, der besonders für den Werkzeugmarkt mit seinem Bedarf an spezialisierten Lösungen relevant ist.

Blick nach vorn

Für TECNALIA ist die Arbeit an WC-Co und M2 nur ein Baustein eines größeren Forschungsprogramms. Parallel arbeitet das Team bereits mit Kupfer, Siliziumkarbid und Aluminiumoxid und bereitet sich darauf vor, auch Aluminium und Titan für das Binder-Jetting-Verfahren zu erschließen.

Fazit

Das Projekt zeigt exemplarisch, dass Binder Jetting nicht nur eine Alternative zu etablierten Fertigungsverfahren ist, sondern in bestimmten Materialklassen sogar deren Grenzen überwindet. Für die Werkzeugindustrie eröffnet dies völlig neue Möglichkeiten robuste, individualisierte Hochleistungswerkzeuge mit integrierten Funktionsgeometrien – schneller und flexibler gefertigt als je zuvor.

Als 3D-Druck Dienstleister und Reseller aus Esslingen bieten wir die Fertigung von Werkzeugen aus M2 und WC-Co auf unseren Anlagen an. Darüber hinaus unterstützen wir Sie bei dem Kauf entsprechender Anlagentechnologien für den Aufbau einer Inhouse Produktion.

Gerne beraten wir Sie persönlich. Sprechen Sie uns an – wir freuen uns auf Ihre Anfrage!

Frederik Nussbaumer
Head of Sales
+49 172 4059105
frederik.nussbaumer@am-pioneers.com

Dieser Beitrag basiert auf einer Case Study von Desktop Metal zur Zusammenarbeit mit TECNALIA Research & Innovation. https://www.desktopmetal.com/uploads/DM_CST_TecnaliaTooling_220509.pdf