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Recycling von Werkzeugen Neuwertige Werkzeuge aus Hartmetallschrott

| Autor / Redakteur: Berend Denkena, Marc-André Dittrich, Niels Heuwold und Yanwei Liu / Andrea Gillhuber

Konnten Hartmetallwerkzeuge nicht mehr nachgeschliffen werden, blieb meist nur der Weg in die Schrottkiste. Ein neuer Recycling-ansatz ermöglicht es nunmehr, diese Schrottwerkzeuge als Rohlinge für neue Hartmetallwerkzeuge zu verwenden.

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Bild 1: 3-Achs-Messtisch mit 3D-Scanner und 3D-Mikroscanner.
Bild 1: 3-Achs-Messtisch mit 3D-Scanner und 3D-Mikroscanner.
(Bild: GFal)

Um Hochleistungswerkstoffe wie Titanlegierungen zu fräsen oder zu bohren, werden häufig Hartmetallwerkzeuge eingesetzt. Obwohl besonders hart und verschleißfest, ist ein aufwendig hergestelltes Hartmetallwerkzeug oft schon nach kurzer Zeit abgenutzt und muss ersetzt werden. Je nach Werkzeuggeometrie können die Funktionsflächen solcher Werkzeuge einige Male nachgeschliffen werden. Ist diese Möglichkeit aufgrund gestaltspezifischer Restriktionen ausgeschöpft, so ist das Werkzeug in seiner ursprünglichen Geometrie nicht mehr verwendbar und muss entsorgt werden. Bisherige Recyclingansätze gehen einen energie- und kostenintensiven Weg: Der Schrott wird zerkleinert und gemischt, neu gesintert, bevor ein neues Werkzeug geschliffen wird. Vor dem Hintergrund steigender Rohstoffkosten stellt die Nutzung von Schrottwerkzeugen als Rohlinge zur Herstellung neuer Hartmetallwerkzeuge eine vielversprechende Alternative dar.

Neuer Werkzeugkreislauf

Durch die Schaffung eines verkürzten Werkzeugkreislaufes (Bild 2) können zum einen die Flexibilität in der Produktionsplanung bei den Werkzeugherstellern deutlich erhöht und Aufwände für die Verschrottung und Wiederbeschaffung reduziert werden. Zum anderen wird eine signifikante Einsparung von Energie erreicht, deren Einsatz bei herkömmlichen Hartmetallrecyclingprozessen durch das Zerkleinern und Neusintern des Hartmetalls, unvermeidbar ist.

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Um ein solches Verfahren wirtschaftlich umzusetzen, müssen sich der Verschleiß- und der Schädigungsgrad jedes einzelnen Werkzeugs mit geringem Aufwand beurteilen und klassifizieren lassen. Hierzu ist ein System zur Vermessung, Klassifizierung und Beurteilung von Zerspanwerkzeugen erforderlich. Aufgrund der durch die Rohlingsgestalt veränderten technologischen Herausforderungen sind neue Vorgehensweisen zur Prozessauslegung zu entwickeln und zu untersuchen. Die bekannten Ansätze zur Erstellung und Optimierung von Schleifbahnen sind dahingehend zu erweitern und praxistauglich in einem CAM-Planungssystem zu implementieren. Sie müssen aber auf die Anwendung für komplexe Rohlingsgestalten aus individuellem Hartmetallschrott erweitert werden. Die vorgestellten Methoden zur Optimierung von Schleifprozessen eignen sich für die automatisierte Auslegung und Bewertung von Schleifbahnen zur Herstellung von Zerspanwerkzeugen.

Das Verfahren soll neben einem zentralen Recycling bei Werkzeugherstellern auch ein dezentrales Recycling bei produzierenden Unternehmen oder bei spezialisierten Unternehmen in der Region ermöglichen. Somit trägt es zusätzlich zur Reduzierung der beim konventionellen Werkzeugkreislauf entstehenden logistischen und administrativen Aufwände bei.

Informationsstruktur

Die Gestaltdaten und Beschädigungscharakteristika verschlissener Werkzeuge werden durch ein entwickeltes 3D-Messsystem erfasst, klassifiziert und beurteilt. Je nach dem Anwendungsszenario kann die gemessene Rohlingsgestalt in einer Rohlingsdatenbank gespeichert oder direkt an das Analysesystem weitergegeben werden. An das CAD-CAM-System ist eine Datenbank zur Verwaltung von Werkstückrohlingen gekoppelt. Bei der Regeneration eines bestimmten verschlissenen Werkzeugs wird mit Hilfe eines Suchalgorithmus ein hinsichtlich der geometrischen Ähnlichkeit und minimaler Volumendifferenz optimales Werkstück aus der Werkstückdatenbank identifiziert. Für die Herstellung eines gewünschten Werkzeugs sucht das Analysesystem die optimale Rohlingsgestalt aus der Rohlingsdatenbank.

Auf Basis der Gestalt des zu produzierenden Werkzeugs und entsprechender Maschineninformationen (Maschine, Spannfutter, Schleifscheiben) wird ein Schleifprozess zur Bearbeitung aus einem zylindrischen Rohling im CAD-CAM-System automatisch erzeugt. Die Gestaltpaarung von Rohling und zu produzierendem Werkzeug sowie das NC-Programm aus dem CAD-CAM-System werden an das am IFW entwickelte Simulationssystem CutS übergeben, um den Regenerationsprozess weiterführend zu planen und zu simulieren.

In CutS wird zunächst die optimale Positionierung des Rohlings durch ein Best-Fit-Verfahren identifiziert. Darauf aufbauend lassen sich Prozesse zum Schleifen eines spezifischen Rohlings mit einem möglichst kleinen Materialabtrag erzeugen. Die Schleifsimulation wird eingesetzt, um den Prozess auf Kollisionen hin zu überprüfen und hinsichtlich technologischer Kenngrößen zu charakterisieren. Weiterhin wird der Schleifprozess basierend auf den Simulationsergebnissen durch das Anpassen der Vorschubgeschwindigkeit optimiert. Im letzten Schritt wird das Fertigungsprogramm an die CNC-Schleifmaschine übergeben und der Fertigungsprozess durchgeführt.

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