Erfolgreich in der Verlängerung Per Laserauftragschweißen halten Stanzwerkzeuge viel länger durch

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Weniger Werkzeugwechsel, höhere Prozesssicherheit und einen klaren Beitrag zur Ressourceneffizienz bringen laut RWTH Aachen sogenannte EHLA-Beschichtungen.

Sogenannte EHLA-Beschichtungen (Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen. Englisch: High Speed Directed Energy Deposition, kurz HS-DED) können laut RWTH Aachen eine drastische Standzeitsteigerung bei Stanzwerkzeugen erreichen, wie nun die Arbeiten im erfolgreich abgeschlossene Projekt „StReMA“ am Lehrstuhl Digital Additive Produktion (DAP) bewiesen haben. Generell ging es dabei um den Verschleißschutz steigernde Beschichtungen. Warum das Ganze? Nun, Stanzwerkzeuge kommen überall dort zum Einsatz, wo Löcher, Durchbrüche, Konturen oder Umformungen präzise und wirtschaftlich in Blechen gefordert sind, was dann oft im Sekundentakt geschieht.

Dossier digitale Blech- und Rohrbearbeitung

Rohrbearbeitung V

Entsprechend hoch sind die Belastungen, die auch auf das Werkzeug wirken. Im Rahmen des Projekts standen übrigens 4-Kant-Schneidstempel im Fokus. Es handelt sich dabei um recht kleine, besonders stark beanspruchte Werkzeuge für rechteckige Aussparungen, wie die Experten aus Aacher erklären. Konventionell aus 1.2379-Werkzeugstahl gefertigt, erreichen sie bei einer durchschnittlichen Leistung von rund 150 Hüben pro Minute lediglich rund 15.000 Hübe. Doch sie sind bereits nach etwa zwei Stunden im Einsatz verschlissen. Danach werden sie ausgetauscht oder nachgeschliffen. Um das Manko abzumildern, griffen die Forscher zum Prozess EHLA.

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Von zwei Stunden auf 23 Stunden Standzeit

Denn mit diesem Verfahren lassen sich nämlich neu entwickelte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) als Verschleißschutzschichten applizieren, um so die Lebensdauer von Werkzeugen deutlich zu verlängern. Den Projektpartnern gelang es dabei, die 4-Kant-Schneidstempel mit einer MMC-Beschichtung zu versehen, die auf 1.2888-Werkzeugstahl basiert und mit Partikeln aus Titancarbid (TiC) oder Wolframcarbid (WC) kombiniert wurde. Die so beschichteten Stempel ließen sich dann auch noch über konventionelle Prozessketten weiterverarbeiten. Eine angepasste Wärmebehandlung erreichte Härten von über 1.000 HV (Härte nach Vickers). Auch klassische Nachbearbeitungen (Drahterodieren und Schleifen) waren möglich. Damit wurden die geforderte geometrische Genauigkeit und Oberflächenqualität auch zuverlässig erreicht. Praxistests in der Serienproduktion bestätigten das Potenzial der neuen Beschichtungen, wie man betont. Den im direkten Vergleich zu Schneidstempeln aus PM-Stahl (CPM 10V) mit TiAlN-Beschichtung – einer der derzeit leistungsfähigsten sowie marktüblichen Ausrüstung mit einer Standzeit von rund 210.000 Hüben – konnten die MMC-beschichteten Stempel überzeugen. Denn mit TiC erreichten sie rund 164.000 Hübe und mit WC sogar 330.500 Hübe. Mit Titancarbid ausgerüstete Stanzstempel halten dann rund 23 Stunden durch! Die mit WC immerhin noch gut 12 Stunden. Diese Idee wurde aber nicht nur an 4-Kant-Schneidstempeln erprobt. Auch sogenannte Beschnittstempel und Bieger konnten mittels EHLA erfolgreich mit MMC-Beschichtungen optimiert werden. Zusätzlich eröffne das Laserauftragschweißen der Variante Laser based directed energy deposition (DED-LB) Möglichkeiten zur Reparatur, um die Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung weiter verbessern zu können.

Eine sehr positive Ökobilanz erhöht die Freude

Aber außer den technologischen Entwicklungen wurde während des Projekts auch eine Ökobilanz (Life Cycle Assessment) durchgeführt. Diese zeigte eine deutliche Verringerung des sonst üblichen Ressourcenverbrauchs und der CO₂-Emissionen, wenn man das Ganze mit herkömmlichen Werkzeugherstellungs-Verfahren vergleicht. Vor allem die Möglichkeit zur Reparatur schlage sich positiv nieder. In Simulationen konnte das Global Warming Potential (GWP) im Vergleich zwischen einem TiAlN-beschichteten und einem MMC-beschichteten Stempel um satte 41,1 Prozent gesenkt werden. Wurden im Szenario bis zu zehn Reparaturen am neuartigen Stempel berücksichtigt, ergab sich sogar eine Einsparung von rund 70 Prozent. Selbst bei Neubeschichtung erwies sich der TiC-Stempel mit geringerer Hubzahl noch als vorteilhaft und reduzierte die CO₂-Emissionen um 27,4 Prozent. Weniger Werkzeugwechsel und längere Standzeiten bedeuten weniger Materialeinsatz und Energieverbrauch – ein zentraler Beitrag zu nachhaltigen Produktionsprozessen.

So wird es mit der EHLA-Idee weitergehen:

Trotz der Erfolge zeigten die Untersuchungen auch Herausforderungen. Poren und andere Defekte können die Standzeit beeinflussen, vor allem bei größeren Werkzeugen und Flächen. Künftige Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung der Schweißparameter für das EHLA-Verfahren, die Skalierbarkeit auf größere Bauteile, die Untersuchung weiterer Pulverwerkstoffe und die Erprobung alternativer Nachbearbeitungsmethoden. Die Wechselwirkungen zwischen Material, Prozessparametern und Beschichtungseigenschaften sollen dabei gezielt erforscht werden. Ziel ist es, die Zuverlässigkeit und Praxistauglichkeit der neuen Werkzeugbeschichtungen weiter zu erhöhen und die Technologie auf andere Branchen – etwa Maschinen- und Werkzeugbau – zu übertragen.

Mehr zum Projekt und zu den Partnern

Mit an Bord beim „StReMA“-Projekt waren als Projektkoordinator Oetzbach Edelstahl sowie SPS Metallbau, Stehling Stanztechnik. Die Forschung wurde im Rahmen des Programms KMU-innovativ – Ressourceneffizienz und Klimaschutz durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) (Förderkennzeichen 033RK100E) unterstützt und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut.

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