Werkzeug- und Formenbau Recycelter Graphitstaub schafft nachhaltige Werkzeugelektroden

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Forscher am IWF der TU Berlin und Spezialisten der Gezea GmbH können umweltbelastenden Graphitstaub wieder aufbereiten. Die Elektroden können in Tagen fertig sein! Hier verraten sie, wie das geht.

Die Funkenerosion ist ein bedeutendes thermisches Abtragverfahren, welches vor allem im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus für die Fertigung von Produkten mit hohen Anforderungen zum Einsatz kommt. Eine Verfahrensvariante der Funkenerosion ist die Senkerosion, bei der die Geometrie einer Werkzeugelektrode äquidistant in ein Werkstück übertragen wird. Dabei ist Graphit durch seine hohe Sublimationstemperatur von etwa ϑ_S = 3.700 °C und der damit verbundenen Verschleißresistenz ein häufig verwendeter Werkzeugelektroden-Werkstoff.

Bei der Herstellung dieser Elektroden fällt während der mechanischen Bearbeitung aber Graphitstaub an. Im Allgemeinen ist Graphit nicht umweltgefährdend, weil es sich um Kohlenstoff handelt. Allerdings kann er als Staub zu technischen und gesundheitlichen Komplikationen führen. Der Staub kann etwa in die Atemwege sowie in die Augen gelangen, wobei es zu starken Reizungen kommen kann. Besonders feine Partikel können zudem erhebliche Lungenschäden verursachen [GIS22].

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Weiterhin gibt es für dieses Restprodukt nur wenige bis keine Verwendungszwecke. Nicht zuletzt ist die Entsorgung dieser Graphitreste mit einem hohen Aufwand verbunden und sehr teuer. Die Wiederaufbereitung des Abfallprodukts Graphitstaub zu neuen Werkzeugelektroden für die Funkenerosion ist folglich ein besonders nachhaltiger und wirtschaftlich lukrativer Ansatz.

Eine hybride Graphit-Kupfer-Elektrode für das Senkerodieren

Während der funkenerosiven Bearbeitung sammeln sich im Arbeitsspalt s elektrisch leitende, abgetragene Partikel, welche zu Kurzschlüssen und Lichtbogenentladungen führen können. Diese Effekte haben einen negativen Einfluss auf Prozesszielgrößen wie beispielsweise auf die Abtragrate V̇_W und die Verschleißrate V̇_E. Um dem entgegenzuwirken, werden aktive und passive Spülmethoden in den Prozess integriert, mit dem Ziel die Partikel zu entfernen.

Bei geringer Einsektiefe e_t eignet sich dafür besonders eine Außenspülung. Druck- oder Saugspülungen sind bei größeren Einsenktiefen sehr wirksam. Eine Druck- oder Saugspülung kann hierbei über Spülkanäle erfolgen, welche in die Werkzeugelektrode eingebracht sind.

Die Gezea GmbH, ein Dienstleister für den Werkzeug- und Formenbau, sowie das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin arbeiten nun zusammen an der Entwicklung einer hybriden Graphit-Kupfer-Elektrode auf Basis von Graphitstaub. Sie soll als neuartige Werkzeugelektrode beim funkenerosive Senken ihren Einsatz finden. Durch Ziele dieses Projektes sollen sowohl Menschen als auch die Umwelt geschont werden. Die umweltfreundliche Aufbereitung von Graphitstaub verbessert auch die Prozessergebnisse bei der Funkenerosion durch eingebrachte Innenkanäle und durch den Einsatz alternativer Werkstoffe. Im Rahmen des Förderprogramms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ (ZIM) des BMWi wird dieses Kooperationsprojekt finanziell unterstützt und durch die AIF Projekt GmbH betreut.

In Rekordzeit zur voll funktionsfähigen Graphitelektrode

Für gewöhnlich nimmt der Prozess zur Herstellung von Werkzeugelektroden aus Graphit über vier Monate in Anspruch [MER22]. Innerhalb des geplanten Vorhabens kann dieser Prozess durch die Verwendung von Graphitstaub auf weniger als fünf Tage reduziert werden. Damit hätte man eine um mindestens 96 Prozent geringere Laufzeit. Der konkrete Unterschied zum Stand der Technik liegt nämlich darin, dass zahlreiche Schritte, wie das Brechen des Grundwerkstoffes, das es das aufwändige Imprägnieren mit Pech und das Graphitisieren für die Umwandlung von der amorphen zur kristallinen Struktur des Graphits nicht länger braucht, weil der zu verwendende Graphitstaub sich bereits im kristallinen Zustand befindet. Die zu entwickelnde Wiederaufbereitungstechnologie von Graphitstaub zu Werkzeugelektroden besteht dann nur noch aus den Prozessschritten Sieben, Mahlen und Mischen mit Metallpulver. Dann folgen das Pressen, Sintern und die Nachbearbeitung durch Fräsen (Bild 2).

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