Wir müssen Materialien für alle Prozesse entwickeln

Die Materialentwicklung wird zu einem strategischen Thema in allen metallverarbeitenden Branchen. Der 3D-Metalldruck ist nicht mehr nur ein Spielfeld für Spezialanwendungen. Er wird zunehmend zu einem festen Bestandteil der industriellen Fertigung. Neue Legierungssysteme, harte Phasenkombinationen und sogar rohstoffsparende Ersatzstoffe rücken in den Fokus.

In diesem Interview erklärt Dr. Horst Hill, warum die Verfügbarkeit von Kobalt, Nickel und Wolfram mittlerweile genauso wichtig ist wie Temperatur- und Verschleißfestigkeit und wie Pulvermischungen und abgestufte Strukturen völlig neue Eigenschaften ermöglichen.

Für die Draht-, Kabel- und Rohrindustrie stellt sich die Frage: Wie werden sich Werkstoffe, Beschichtungen und Produktionsprozesse verändern, wenn additive Fertigung, neue Legierungen und Rohstoffstrategien enger als bisher zusammenwirken?

hp: Herr Dr. Hill, wo steht der metallische 3D-Druck derzeit und welche Entwicklungen haben Sie in den letzten Jahren am meisten beeindruckt?

Dr. Horst Hill: Die wichtigste Erkenntnis ist folgende: In den letzten Jahren hat sich die additive Fertigung mit Metallen definitiv von einer Nischen-Hype-Technologie zu einer ernstzunehmenden Produktionsoption entwickelt – insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der High-End-Automobilindustrie. Man kann sagen, dass die additive Fertigung den Hype hinter sich gelassen hat und nun Realismus Einzug hält. Die große Diskussion dreht sich heute nicht mehr darum, ob der 3D-Druck grundsätzlich funktioniert, sondern vielmehr darum, wo es wirklich sinnvoll ist, ihn für die Serienfertigung in Betracht zu ziehen und zu skalieren. Heute geht es um Prozessstabilität, Automatisierung, Kostensenkung und vor allem um Qualifizierung und Standardisierung – sowohl bei den AM-Prozessen selbst als auch bei den Pulverspezifikationen und Konstruktionsrichtlinien.

hp: Sie haben Ihren Schwerpunkt von eisenbasierten auf kobaltbasierte Legierungen verlagert. Was macht Kobalt so interessant?

Dr. Hill: Das hängt mit meinem Arbeitgeberwechsel zusammen. Bei Deloro Wear Solutions wollen wir im Zentrum jedes kritischen Prozesses stehen, und dabei liegt unser Fokus auf kobaltbasierten Werkstoffen. Ich arbeite weiterhin mit eisenbasierten Werkstoffen, und hier zeichnen sich einige interessante Entwicklungen ab, aber im Bereich der kobaltbasierten Legierungen arbeiten wir derzeit an dem nächsten großen und spannenden Entwicklungsschritt.

hp: ... und welcher wäre das?

Dr. Hill: Es geht darum, eine noch höhere Temperaturbeständigkeit und Festigkeit zu erreichen und gleichzeitig die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Dort, wo die klassischen Stellite- und Tribaloy-Legierungen an ihre Grenzen stoßen, suchen wir nach Möglichkeiten, den nächsten Schritt zu gehen. Bisher wurden diese Kobaltlegierungen hauptsächlich gegossen oder als Schweißmaterial für Beschichtungen hergestellt. In der aktuellen Entwicklungsphase wird nun auch die additive Fertigung direkt in Betracht gezogen.

hp: Wo werden diese kobaltbasierten Werkstoffe typischerweise eingesetzt?

Dr. Hill: Die Anwendungsbereiche sind sehr vielfältig. Ein wichtiger Bereich ist beispielsweise die Zahntechnik, wo wir Kobalt-Chrom-Werkstoffe in verschiedenen Produktformen anbieten, entweder als Pulver für den 3D-Druck oder als Scheiben für CAD-CAM-Fräsprozesse. Zu den wichtigsten Anwendungsbereichen gehören auch die Energietechnik und der Kraftwerksbau, wo tribologische Systeme – hohe Temperaturen, Oxidation und Verschleiß – zusammenkommen. Unsere kobaltbasierten Werkstoffe werden auch in der Luft- und Raumfahrt, der chemischen Industrie und sogar in der Lebensmittelindustrie eingesetzt – überall dort, wo extreme Korrosionsbeständigkeit gefordert ist.

hp: Was genau beinhaltet die Entwicklungsarbeit mit tribologischen Systemen?

Dr. Hill: Die Tribologie beschreibt das Zusammenspiel aller Belastungen, denen ein Werkstoff oder Bauteil ausgesetzt ist. Da ist zum einen die Temperaturkomponente – das kann Raumtemperatur sein, aber auch Temperaturen von 800 Grad Celsius. Dann die Verschleißkomponente: Metall-auf-Metall-Reibung, bei der die Adhäsion dominiert, oder Abrieb durch Partikel. Wenn Sie beispielsweise ein flüssiges oder gasförmiges Medium über eine Ventilsteuerung regulieren und eine Partikelbelastung haben, kommt es schnell zu Erosion durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Und dann haben Sie noch den Korrosions- oder Oxidationseffekt. Wenn Sie diese beispielhaften Punkte zusammen betrachten – und das müssen Sie letztendlich –, dann haben Sie das tribologische System, für das das Material optimiert werden muss.

hp: Das klingt nach einer enormen Herausforderung in der Materialentwicklung.

Dr. Hill: Auf jeden Fall. Die größte Herausforderung besteht darin, dass man oft gar nicht genau weiß, welche tribologischen Systeme überhaupt existieren. Man hat die Kundenanwendung mit bestimmten Rahmenbedingungen oder die eigene Idee, , aber letztendlich muss man immer schauen: Was braucht der Kunde / die Anwendung konkret? Wenn man Glück hat, kann man mit einem Material vieles abdecken. Aber oft ist das überhaupt nicht der Fall. Dann müssen wir uns beispielsweise fragen: Welchen Mindestchromgehalt benötige ich für eine ausreichende Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit? Welchen Karbidgehalt muss ich für die erforderliche Härte und Abriebfestigkeit einstellen? Und wenn gleichzeitig Schlagbeanspruchungen auftreten, brauche ich vielleicht gar nicht so viel Härte, sondern eher Zähigkeit. Das ist unser Spielfeld.

hp: Sie arbeiten intensiv mit Pulvermischungen. Was ermöglicht diese Technik?

Dr. Hill: Die Pulvermetallurgie bietet generell viele Möglichkeiten, da wir durch die Kombination von Metallmatrix und harten Phasen die Eigenschaften an die jeweilige Anwendung anpassen können, um einen sogenannten Metallmatrix-Verbundwerkstoff herzustellen. Im einfachsten Fall mische ich zwei Metallpulver – zum Beispiel eine hochlegierte und eine niedriglegierte Matrix auf Kobaltbasis. Oder ich nehme ein Kobaltpulver und füge Karbidpulver hinzu. Für das Hartmetallpulver kann ich Karbide wie Titankarbid, (geschmolzenes) Wolframkarbid, Niobkarbid oder Vanadiumkarbid verwenden – das sind die typischen (Mono-)Karbide mit hoher Härte und guter Abrieb- und Haftfestigkeit. In der Regel sind sie auch chemisch inert, was bedeutet, dass die Korrosionsbeständigkeit nicht beeinträchtigt wird.

hp: Wie funktioniert das in der Praxis?

Dr. Hill: Im klassischen Auftragsschweißen, insbesondere beim Plasma-Transfer-Lichtbogenschweißen (PTA), bieten wir schon seit geraumer Zeit Pulvermischungen an. In der Regel handelt es sich dabei um geschmolzenes Wolframkarbid, gemischt mit Nickelpulver. Wir produzieren das Metallpulver, die harten Phasen werden spezifiziert und eingekauft, und wir stellen die Mischung nach den Bedürfnissen des Kunden her – grundsätzlich ist alles von 0 bis 99 % möglich, zumindest aus mischtechnologischer Sicht. Diese Erfahrung übertragen wir nun auf die additive Fertigung, da man dort natürlich die gleichen Vorteile nutzen kann.

hp: Gibt es besondere Herausforderungen beim Übergang vom Schweißen zum 3D-Druck?

Dr. Hill: Auf jeden Fall. Wenn ich so etwas additiv verarbeite, habe ich ein ähnliches Problem wie bei Werkzeugstahl: schnelle Aufheizung, schnelle Abkühlung, was zu thermischen Spannungen führt. Obwohl es keine martensitische Umwandlung gibt, wie sie für viele Werkzeugstähle typisch ist und zu mehr Spannungen im Material führt, stellen allein die thermischen Spannungen eine große Herausforderung dar. Wenn ein Material nicht ausreichend fließen kann, d. h. die Spannungen nicht abbauen kann, kommt es zu Rissen, wenn die Festigkeit überschritten wird. Der Vorteil unserer aktuellen Entwicklung besteht darin, dass wir mit kohlenstoffarmen Legierungssystemen arbeiten, weil wir uns auf die hochkorrosionsbeständige und oxidationsbeständige Ecke konzentrieren. Das ermöglicht uns, es PTA-zu schweißen, laserzuschweißen und auch additiv zu verarbeiten. Sozusagen ein Universalwerkstoff für alle Fertigungsverfahren mit maßgeschneiderten Eigenschaften aufgrund des spezifischen Hartphasengehalts. Das ist ein Thema, mit dem wir uns derzeit intensiv beschäftigen.

hp: Sie forschen auch an Gradientenstrukturen. Was steckt dahinter?

Dr. Hill: Mit Gradienten-Schichten können wir, ausgehend vom Substrat nach außen, den Hartphasengehalt dort erhöhen, wo wir die endgültigen Eigenschaften benötigen. Der Vorteil: Außen ist es dann hart und verschleißfest. Damit verbunden ist zwar eine geringere Zähigkeit, aber diese geringere Zähigkeit habe ich wirklich nur außen. Der Rest des Bauteils ist weiterhin zäh, und wenn sich ein Riss bildet, kann dieser kompensiert und gestoppt werden. Auf diese Weise können wir die Eigenschaften über die gesamte Höhe des Bauteils hinweg gestalten. Was wir makroskopisch im Schweißprozess tun können, versuchen wir nun auch additiv aufzubauen – in kleiner und komplexerer Form. Das ist ein wirklich interessantes Thema.

hp: Das klingt nach einem enormen und vor allem zeitaufwändigen Entwicklungsaufwand. Welche Rolle spielt die Digitalisierung dabei, das Ziel in der Produktentwicklung und -optimierung schneller zu erreichen?

Dr. Hill: Mittlerweile eine sehr große. Seit geraumer Zeit wird versucht, den Prozess sehr genau zu überwachen. Beim Pulverbettverfahren wird beispielsweise das Schmelzbad sehr genau überwacht, um festzustellen: Weiche ich in irgendeiner Weise von der Temperatur oder anderen Parametern ab, wodurch sich später Poren, Defekte oder Risse bilden könnten? Der Fokus liegt zunehmend auf der Verbesserung der Vorhersage. Der nächste Schritt besteht dann darin, dass das System die Parameter automatisch anpasst, wenn es feststellt, dass man sich einer Grenzüberschreitung nähert. Dies ist besonders interessant bei komplexen Bauteilen mit großen Übergängen oder dünnwandigen Bereichen. Zu diesem Zweck werden derzeit zahlreiche Forschungsprojekte von Forschungseinrichtungen und Universitäten durchgeführt.

hp: Apropos KI – wie sehen Sie deren Einfluss auf die additive Fertigung?

Dr. Hill: Ich habe vielversprechende Ansätze gesehen, die Echtzeitüberwachung wie Schmelzbadkameras mit KI-gestützter Auswertung kombinieren. Das System erkennt Fehler in Echtzeit, bewertet deren Einfluss auf die Eigenschaften und passt in einem zweiten Schritt die Druckparameter an – möglicherweise sogar nur lokal. Das lässt sich wunderbar über ein KI-gesteuertes System realisieren. Dies wird derzeit erforscht. Generell liegt der Fokus stark darauf: Welche Sensoren stehen zur Verfügung, welches Feedback liefern sie und was kann ich daraus für die Steuerung und Optimierung des Prozesses ableiten?

hp: Da Sensoren in der Regel nicht billig sind, stellt sich an dieser Stelle immer auch die Frage nach der Wirtschaftlichkeit.

Dr. Hill: Ganz richtig. Man kann viele Sensoren installieren, aber wenn ein Drucker beispielsweise 50.000 Euro kostet und ich Sensoren im Wert von 10.000 Euro installiere, ist das vielleicht nicht mehr so wirtschaftlich – auch wenn es technisch vielleicht sehr interessant ist. Ich muss immer durch die Anwendungsbrille schauen und fragen: Was ist eigentlich notwendig? Was muss ich messen, um meinen Prozess gut zu steuern? Am Ende muss ein wirtschaftliches Produkt herauskommen. Das Gleiche sehen wir bei den Pulverspezifikationen. Man versucht jetzt sehr stark, Sekundärelemente wie Sauerstoff oder Stickstoff zu begrenzen. Man kann mit Schutzgas im Ofen arbeiten, unter Vakuum schmelzen, von Stickstoff auf Argon umstellen, um durch Zerstäubung eine höhere Reinheit zu erreichen. Aber ist das technisch wirklich sinnvoll? Produziere ich damit ein Produkt, das einen echten Mehrwert schafft, oder mache ich es nur teurer?

hp: Apropos Kosten – wie sieht es mit der Serienfertigung aus?

Dr. Hill: Der Sprung vom Prototyp zur Serie – die Skalierung – ist immer die große Hürde. Oft denkt man nur an die Stückzahlen oder die Herstellungskosten pro Teil – alles richtig, aber man darf die Qualitätssicherung nicht vergessen. Wie wird die Qualität der fertigen Bauteile geprüft? Wie wird sichergestellt, dass der Prozess stabil läuft? Ist die Materialspezifikation definiert? Gerade in der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik sind die regulatorischen Anforderungen enorm. Sehr wichtig beim Thema Kosten ist auch: Das Prinzip „Design for AM“ muss bestmöglich berücksichtigt werden, da dies immer zu deutlich weniger Nacharbeit, einer effizienteren Fertigung und optimierten Eigenschaften führt.

hp: Ein zunehmend wichtiges Thema ist die Verfügbarkeit von Rohstoffen. Wie stark beeinflusst dies Ihre Arbeit?

Dr. Hill: Der Einfluss nimmt immer mehr zu. Nehmen wir zum Beispiel geschmolzenes Wolframkarbid: Rund 90 % davon stammen aus China, und derzeit gibt es gewisse Exportbeschränkungen. Wolfram ist mittlerweile auf über 100 Dollar pro Kilogramm gestiegen, einfach weil es derzeit nicht in den erforderlichen Mengen exportiert wird. Das sind Themen, die jetzt eine zentrale Rolle in der Materialentwicklung spielen. Man muss nicht nur schauen: Was gibt mir die besten Eigenschaften? Genauso wichtig ist auch: Wo habe ich eine gewisse Versorgungssicherheit? Wir hatten gerade eine Projektbesprechung mit einem Kunden über die nächste Generation verschleißfester Werkstoffe – mit der klaren Vorgabe, ein Rohstoffsystem zu finden, mit dem wir erst einmal wieder eine gewisse Unabhängigkeit erreichen können.

hp: Welche Elemente sind hinsichtlich der Verfügbarkeit besonders kritisch?

Dr. Hill: Kobalt und Nickel sind historisch volatile Elemente, deren Preis sich leicht verdoppeln oder halbieren kann. Molybdän und Wolfram werden derzeit stark davon beeinflusst, wie Exporte eingeschränkt werden. Wir versuchen, dies aus materialtechnologischer Sicht zu begleiten – durch Projekte und Materialforschung, wie bestimmte Elemente reduziert werden können, während die bisherigen Eigenschaften weitgehend erhalten bleiben. Derzeit läuft ein BMBF-Forschungsantrag, an dem wir als Projektpartner beteiligt sind und in dem es genau darum geht: Wie können kritische Elemente ersetzt oder zumindest reduziert werden?

hp: Ist das Bewusstsein dafür in der Industrie angekommen?

Dr. Hill: Mein persönlicher Eindruck ist: Noch nicht ganz. Wie kritisch es werden kann, wenn bestimmte Dinge nicht mehr verfügbar sind, ist vielen noch nicht ganz klar. Hartmetall ist maximal wolframkarbiddominiert – eine riesige Industrie, die Tausende von Tonnen verbraucht. Wenn das plötzlich von einem Tag auf den anderen nicht mehr verfügbar wäre, hätte das massive Auswirkungen auf die gesamte Zerspanungsindustrie, weil die Bohrer, Wendeschneidplatten und so weiter weitgehend auf WC basieren.

hp: Andererseits werden diese Rohstoffe gerade wegen ihrer guten Eigenschaften verwendet.

Dr. Hill: Genau das ist der Punkt. Diese Materialien bieten die erforderlichen Eigenschaften aufgrund des Legierungssystems mit beispielsweise Kobalt, Molybdän oder Wolfram. Das sind Legierungen, die seit Jahrzehnten verwendet werden, hervorragend funktionieren und nicht einfach ersetzt werden können. Um Alternativen zu finden, sind größere Forschungsprojekte erforderlich.

hp: Wenn Sie in die Zukunft blicken: Wo wird der metallische 3D-Druck in fünf bis zehn Jahren stehen?

Dr. Hill: Die Automatisierung und Serienfertigung werden unter Berücksichtigung von Binder-Jetting-Verfahren und den bereits bestehenden Sinterwegen sicherlich einen großen Sprung gemacht haben. Die Echtzeit-Prozessüberwachung mit direkter Intervention durch KI wird wahrscheinlich ein fester Bestandteil der Fertigung sein. Neben Verbesserungen in der Prozesstechnik wird es auch neue Materialien geben, die den Anforderungen verschiedener Anwendungen besser gerecht werden. Über die reine Materialtechnologie hinaus werden gradierte Bauteile und gezielte Hinzufügungen von Hartphasen zum Erfolg dieser Technologie beitragen. Und nicht zuletzt: Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung werden nun eine zentralere Rolle als Innovationstreiber spielen – sowohl bei der Pulverrückgewinnung als auch bei der Entwicklung von Materialien, die kritische Elemente reduzieren oder ganz vermeiden.

hp: Vielen Dank, Herr Dr. Hill.