Präzision trifft Nachhaltigkeit

Ob im Fahrzeug- und Maschinenbau, im Bauwesen oder Schiffbau – überall, wo tragende Strukturen und Bauteile mit hoher Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zum Einsatz kommen, sind Aluminiumlegierungen als Werkstoff gefragt. Auch im Werkzeug- und Formenbau spielen sie eine große Rolle, zum Beispiel bei der Herstellung von Spritzgussformen sowohl für Kleinserien als auch für die Serienproduktion unterschiedlichster Bauteile, von Leichtbau-Strukturbauteilen bis hin zu kleinsten Komponenten und miniaturisierten Bauteilen für die Medizintechnik, Elektronik und Mikrosystemtechnik. Bei der Herstellung von Spritzgussformen aus Aluminiumlegierungen für die Mikrofertigung ist höchste Präzision gefragt, um letztendlich sehr komplexe oder sehr kleine Strukturen mikrometergenau erzeugen zu können.

In der Praxis werden dafür häufig hochpräzise Fräsverfahren mit unbeschichteten Hartmetallwerkzeugen eingesetzt. Dabei entscheidet die Qualität der Fräswerkzeuge über die Qualität der Fräsergebnisse. Denn schon kleinste Änderungen an der Werkzeuggeometrie beeinflussen den Bearbeitungsprozess und können dazu führen, dass ein Werkstück nicht optimal bearbeitet wird. Der Werkstoff Hartmetall besteht aus Wolframkarbid als sogenannter Hartphase und einer metallischen Bindephase aus Kobalt. Aufgrund der hohen Temperaturen in der Fräsbearbeitung wird diese Bindephase während des Prozesses geschwächt und die Werkzeuge verschleißen sehr schnell. 

Zu diesem wirtschaftlichen Nachteil kommt ein ökologischer: Während Wolframkarbid vergleichsweise gut industriell verfügbar ist, zählt Kobalt gemäß der Europäischen Kommission zu den kritischen Rohstoffen. Das Metall wird in nur wenigen Regionen abgebaut, oft unter politisch, ökologisch und sozial schwierigen Bedingungen. Für die deutsche Industrie entstehen daraus Abhängigkeiten von volatilen Lieferketten, schwankenden Preisen und möglichen Exportrestriktionen. 

Grund genug für ein Forschungsteam am IWF der TU Berlin, nach einer nicht nur technologisch sinnvollen, sondern auch nachhaltigen Alternative für einen Werkstoff für die Herstellung von Mikrospritzgussformen zu suchen. Ihr Ziel: die Prozesseffizienz und damit die Wirtschaftlichkeit beim Hochpräzisions­fräsen von Aluminiumlegierungen erheblich zu erhöhen und die Anwendung im industriellen Umfeld deutlich zu erweitern.

Neuartiger Werkstoff im Härtetest

Die Wissenschaftler entschieden sich für binderloses Hartmetall (bHM) als Werkzeugwerkstoff beziehungsweise Schneidstoff. Anders als konventionelle Hartmetalle besteht bHM zu 99 Prozent aus Wolframkarbid und verzichtet damit nahezu vollständig auf Kobalt. Dadurch entfallen die schwächenden, intrinsischen Spannungen der Kobalt-Bindephase, die ab einer Prozesstemperatur von 450 Grad Celsius entstehen. Das macht binderloses Hartmetall als Schneidstoff im Vergleich zu konventionellen Wolframkarbid-Kobalt-Werkstoffen (WC-Co) um 52 Prozent härter und damit deutlich beständiger gegenüber Verschleiß, sowohl abrasiv durch harte oder scharfkantige Partikel als auch durch wechselnde Beanspruchungen der Oberfläche. Auf der anderen Seite bringt die nahezu vollständige Reduzierung der Kobalt-Bindephase auf unter 0,2 Prozent eine höhere Sprödigkeit mit sich, sodass die Bruchzähigkeit von binderlosem Hartmetall deutlich geringer ist als bei konventionellen Wolfram-karbid-Kobalt-Werkstoffen. Anders ausgedrückt: In bHM können sich Risse leichter ausbreiten und damit die Stabilität des Materials verringern.

Um binderloses Hartmetall als alternativen Schneidstoff zu qualifizieren, entwickelten die Forschenden in Zusammenarbeit mit der Firma Sommertools ein praxisgerechtes Fertigungs­konzept für Fräswerkzeuge aus binderlosem Hartmetall sowie Technologien für deren wirtschaftlichen Einsatz. Dazu wurden zylindrische Halbzeuge aus binderlosem Hartmetall auf Werkzeugschäfte aus konventionellem Wolframkarbid-Kobalt-Pulver (WC-10Co) aufgelötet und als Verbundrohlinge in mehrstufigen Schleifprozessen zu Radiusfräsern für die Schlichtbearbeitung von komplexen Oberflächen weiterbearbeitet. 

Die Schärfe der so hergestellten Fräswerkzeuge bestimmten die Forschenden anhand ihrer Schneidkantenrundungen und stellten dabei fest: Sie entsprechen zwar dem Niveau konventioneller Hartmetallwerkzeuge, sind jedoch deutlich homogener ausgeprägt. Die mittlere Abweichung entlang der Schneidkante konnte um 60 Prozent reduziert werden und lag bei unter 0,1 Mikrometer. Da sich die Ausprägung einer Schneidkante unmittelbar in der erzeugten Oberfläche widerspiegelt, ist das ein erstes Indiz dafür, dass Schneidkanten aus binderlosem Hartmetall eine deutlich verbesserte Oberflächenqualität ermöglichen. 

Die Leistungsfähigkeit des binderlosen Hartmetallschneidstoffs testete das Forschungsteam anschließend bei der Zerspanung einer Aluminiumlegierung des Typs AlMgSi1. Sie führten 125 Versuche in fünf konventionellen Frässtrategien durch – dem High-Speed-Cutting, dem High-Performance-Cutting, dem Mikrofräsen und dem High-Feed-Cutting. Über alle Strategien hinweg erzielten die Werkzeuge aus binderlosem Hartmetall eine um durchschnittlich 34 Prozent geringere Oberflächenrauheit im Vergleich zu Wolframkarbid-Kobalt-Fräswerkzeugen – von 15 Prozent im Mikrofräsen bis zu 64 Prozent im konventionellen Fräsen. Lediglich beim High-Feed-Cutting lagen beide Werkzeugtypen gleichauf. 

Auf Grundlage dieser Versuchsergebnisse konnten die Wissenschaftler geeignete Prozessparameter zur Zerspanung der AlMgSi1-Legierung für den Wolframkarbid-Kobalt-Schneidstoff sowie den binderlosen Hartmetallschneidstoff bestimmen. Diese Parameter wiederum dienten als Basis für anschließende Verschleißuntersuchungen. Die Tests ergaben bei binderlosem Hartmetall einen um 25 Prozent geringeren Verschleißwert als bei den konventionellen Fräswerkzeugen, wenn die für bHM identifizierten Prozessparameter angewendet wurden. Selbst unter den für Wolframkarbid-Kobalt ausgelegten Bedingungen lag der Verschleißwert um etwa 20 Prozent unter dem Niveau der WC-Co-Fräswerkzeuge. In beiden Fällen konnte die Homogenität und Schärfe der Schneidkanten aus binderlosem Hartmetall über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden – und damit eine stabilere und präzisere Zerspanung der AlMgSi1-Legierung mit einer gesteigerten Werkzeugstandzeit im Vergleich zu den konventionellen WC-Co-Fräswerkzeugen ermöglicht werden.

Technologisch und ökologisch spitze

»Die Ergebnisse zeigen, dass binderloses Hartmetall als Schneidstoff weit mehr als eine werkstofftechnische Alternative zu den aktuell in der Zerspanung von Aluminiumlegierungen eingesetzten Schneidstoffen ist«, sagt Niklas Maschke, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF der TU Berlin. Binderloses Hartmetall vereint die für die Mikro- und Präzisionsfertigung entscheidende Schneidkantenschärfe mit einer hohen Stabilität. Maschke und sein Team konnten nachweisen, dass mit den von ihnen entwickelten binderlosen Hartmetallfräswerkzeugen Spritzgussformen mit hochqualitativen Oberflächen bei geringerem Verschleiß und erhöhter Prozesssicherheit erzeugt werden können. Die damit einhergehenden verbesserten Standzeiten der neuen Werkzeuge senken außerdem den Kosten- und Ressourcenverbrauch erheblich. Hinzu kommt, dass der Verzicht auf Kobalt als Bindephase die Werkzeuge nachhaltiger macht und die industriellen Abhängigkeiten für Hersteller und Anwender reduziert. Damit verbindet binderloses Hartmetall technologische Spitzenleistung mit strategischer Relevanz und eröffnet Werkzeug- und Formenbauern neue Perspektiven für die Fertigung von Bauteilen und Komponenten im Spritzgussverfahren.