Zerspanung Nachhaltige Zerspanungswerkzeuge werden jetzt smart und resilient

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Zerspanungswerkzeuge sind wichtige Enabler für viele Produktideen. Forscher wollen nun smarte und resiliente Werkzeuge entwickeln, die mit Blick auf Nachhaltigkeit herstellbar sind.

Die Forscher am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben bei der Enwicklung smarter und resilienter Zerspanungswerkzeuge, wie es heißt, die gesamte Prozesskette im Blick. Die Szenerie erstreckt sich dabei von der Werkzeugauslegung und Werkstoffcharakterisierung über die Vorbehandlung zur Reinigung sowie über die maßgeschneiderte Oberflächenbehandlungen und -Beschichtungen bis hin zur Prüfung und Anwendung der fertigen Werkzeugsysteme.

Der Schlüssel zur Herstellung resilienter Hightech-Werkzeuge, die selbst bei höchsten Beanspruchungen die wertschöpfende und wirtschaftliche Betriebsfähigkeit aufrechterhalten, ist nach Meinung der Braunschweiger ein optimierter Werkzeugaufbau, der die Auswahl des Werkstoffs ebenso umfasst wie die Konstruktion unter Berücksichtigung von Geometrie und Topografie. Auch der Einsatz von Wärmebehandlungen und geeigneten Beschichtungen gehört dazu. Am IST will man deshalb den Fertigungsprozess über die gesamte Prozesskette hinweg nach Optimierungsansätzen untersuchen. Dabei beginnt der Prozess mit einer Analyse beziehungsweise Charakterisierung der zu bearbeitenden Werkstoffe nebst optimaler Auslegung des Werkzeugs, was auch die Auswahl einer geeigneten Beschichtung einschließt.

Dünnschichtsensoren machen Zerspanungswerkzeuge smart

Der eigentliche Produktionsprozess der Werkzeuge startet dann mit der Herstellung des Grundkörpers. Nach einer Vorbehandlung – zum Beispiel Ätzen, Sandstrahlen und Reinigen steht die Werkzeugoberfläche zur Debatte, die es optimal zu gestalten gilt. Je nach Werkzeug und Einsatzzweck kann das eben eine Härtung durch Plasmadiffusionsbehandlung oder eine maßgeschneiderte Beschichtung bedeuten. Die IST-Forscher können dafür auf ein breites Spektrum an Prozessen und industriellen Anlagen zurückgreifen, gepaart mit langjähriger Erfahrung und Anwenderwissen. So könnten sie gezielt die Reibungs- und Verschleißeigenschaften einstellen und Standzeiten optimieren.

Um alle Effizienzpotenziale sowohl hinsichtlich des Energie- als auch des Ressourceneinsatzes möglichst auszuschöpfen, kombinieren sie die tribologischen Funktionsschichten bei Bedarf mit Dünnschichtsensorik. Das heißt, dass sehr dünne Sensorschichten direkt in den Hauptbelastungszonen der Werkzeuge integriert werden. Das ermöglicht es, relevante Prozessdaten wie Druck, Temperatur oder Verschleiß zu messen – die Werkzeuge werden somit smart und schaffen die Voraussetzungen für eine Digitalisierung der gesamten Prozesskette in der Zerspanung. Das biete vielfältige Ansätze zur Optimierung der Produktion hinsichtlich Qualität, Sicherheit, Produktivität und Flexibilität.

Den abschließenden Schritt der Prozesskette bilden die Prüfung und Qualitätssicherung der Werkzeuge. Für die Nachhaltigkeitsbewertung der verschiedenen Maßnahmen werden am IST dazu entwicklungsbegleitende Lebenszyklusanalysen (LCA, LCC) durchgeführt.

Der Einsatz dieser resilienten und smarten Werkzeuge in Verbindung mit einer digitalen Prozesskette könne einen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und Sicherung des Produktionsstandorts Deutschland leisten, sind sich die Forscher sicher.

Auf der Hannover Messe 2023 demonstriert das Fraunhofer IST in Halle 16 bald das Potenzial der Schicht- und Oberflächentechnik für die Herstellung nachhaltiger Werkzeuge. Ausgestellt werden unter anderem kobaltfreie Hartmetalle für die Herstellung standzeitoptimierter Zerspanungswerkzeuge und Werkzeuge mit CVD-Diamantbeschichtung, aber auch smarte und resiliente Druckguss- und Umformwerkzeuge.

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