Der Schlüssel zur Herstellung resilienter High-Tech-Werkzeuge, die selbst bei höchsten Beanspruchungen die wertschöpfende und wirtschaftliche Betriebsfähigkeit erhalten, ist ein optimierter Werkzeugaufbau, der die Auswahl des Werkstoffs ebenso umfasst wie die Konstruktion unter Berücksichtigung von Geometrie und Topografie sowie den Einsatz von Wärmebehandlungen und geeigneten Beschichtungen. Am Fraunhofer IST werden daher Optimierungen im Fertigungsprozess über die gesamte Prozesskette hinweg untersucht. Dabei beginnt der Prozess mit einer Analyse beziehungsweise Charakterisierung der zu bearbeitenden Werkstoffe und einer optimalen Auslegung des Werkzeugs, die auch die der Auswahl einer geeigneten Beschichtung einschließt.
Die gesamte Prozesskette im Blick
Der eigentliche Produktionsprozess der Werkzeuge startet mit der Herstellung des Grundkörpers. Nach einer Vorbehandlung, zum Beispiel Ätzen, Sandstrahlen und Reinigung steht die optimale Gestaltung der Oberfläche im Fokus. Je nach Werkzeug und Einsatzzweck kann dies zum Beispiel eine Härtung durch Plasmadiffusionsbehandlung oder eine maßgeschneiderte Beschichtung sein. Die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IST verfügen neben einem breiten Spektrum an Technologien und industriellen Anlagen über langjährige Erfahrung und Anwenderwissen, sodass beispielsweise gezielt Reibungs- und Verschleißeigenschaften eingestellt und Standzeiten optimiert werden können.
Um alle Effizienzpotenziale sowohl hinsichtlich des Energie- als auch des Ressourceneinsatzes zu nutzen, kombinieren sie die tribologischen Funktionsschichten bei Bedarf mit Dünnschichtsensorik. Sehr dünne Sensorschichten direkt in den Hauptbelastungszonen der Werkzeuge ermöglichen die Erfassung relevanter Prozessdaten wie Druck, Temperatur oder Verschleiß. Damit schaffen diese sogenannten smarten Werkzeuge die Voraussetzungen für eine Digitalisierung von Prozessen und Prozessketten und bietet darüber hinaus 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 Institut entwicklungsbegleitende Lebenszyklusanalysen (LCA, LCC) durchgeführt.
Der Einsatz resilienter und smarter Werkzeuge in Verbindung mit einer digitalen Prozesskette bietet ein großes Potenzial für eine sichere, effiziente, flexible und nachhaltige Produktion und kann damit einen Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit und Sicherung des Produktionsstandorts Deutschland leisten.
Messeauftritt
Auf der Hannover Messe demonstriert das Fraunhofer IST auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand im Bereich Produktion (Halle 16, Stand A12) das Potenzial der Schicht- und Oberflächentechnik für die Herstellung nachhaltiger Werkzeuge. Ausgestellt werden unter anderem kobaltfreie Hartmetalle für die Zerspanung, standzeitoptimierte Werkzeuge mit CVD-Diamantbeschichtung sowie smarte und resiliente Druckguss- und Umformwerkzeuge.
