Ziel der Entwicklung

Die Motivation für dieses Projekt resultiert direkt aus den sich verschärfenden gesetzlichen Rahmenbedingungen, die den Einsatz von Blei in industriellen Werkstoffen zunehmend einschränken oder verbieten. Dieser Impuls aus der Wirtschaft und Gesetzgebung zwingt Unternehmen zur Umstellung auf bleifreie Alternativmaterialien, was jedoch massive technische Probleme in der Fertigung aufwirft. Während Blei in Legierungen bisher als natürlicher Spanbrecher und innerer Schmierstoff fungierte, fehlt dieser Effekt bei bleifreien Stählen und NE-Metalllegierungen vollständig.
Das Kernproblem, das im Rahmen des Vorhabens gelöst werden sollte, war die signifikant verschlechterte Spanbarkeit dieser Ersatzwerkstoffe. In der industriellen Praxis führte dies bei der Bearbeitung dünnwandiger Geometrien bisher zu massiven Einbußen: Stark reduzierte Werkzeugstandzeiten, unkontrollierter Spanbruch und eine verstärkte Gratbildung trieben die Ausschussquoten und den Nachbearbeitungsaufwand in die Höhe. Zudem erhöhten die steigenden Schnittkräfte die thermische und mechanische Belastung auf Maschinen und Spannmittel, was eine wirtschaftliche Produktion unter bisherigen Standardbedingungen nahezu unmöglich machte.
Das Projekt wurde daher initiiert, um durch eine gezielte Werkzeug- und Technologieentwicklung – insbesondere im Bereich kleiner Schlitzbreiten von 0,3 mm bis 1,0 mm – eine Prozesssicherheit zu erreichen, die mit der Bearbeitung bleihaltiger Werkstoffe vergleichbar ist. Die Motivation lag darin, den Unternehmen ein technologisches Werkzeug an die Hand zu geben, mit dem sie den notwendigen Materialwechsel vollziehen können, ohne dabei ihre Produktivität oder Wettbewerbsfähigkeit einzubüßen.

Vorteile und Lösungen

Um das Ziel einer effizienten Bearbeitung bleifreier Werkstoffe zu erreichen, wurde ein ganzheitlicher Lösungsansatz verfolgt, der die Werkzeuggeometrie, die Oberflächenbeschichtung und die Kühlung kombiniert. Da bleifreie Materialien zäher sind und beim Schneiden „kleben“, kann man sie nicht mehr mit Standardwerkzeugen bearbeiten. Der entscheidende Ansatz lag darin, das Werkzeug so zu optimieren, dass es wie ein extrem scharfes Skalpell fungiert, um die Reibung und den Widerstand im Material drastisch zu reduzieren.
Die Entwicklung erfolgte in mehreren logischen Schritten:
Zunächst wurden in Referenzversuchen und computergestützten Simulationen die genauen Ursachen für den schnellen Verschleiß und die Gratbildung analysiert. Ein wesentlicher Entwicklungsschritt war der sogenannte Einzahnversuch. Dabei wurde das Verhalten einer einzelnen Werkzeugschneide unter dem Mikroskop untersucht, um die optimalen Winkel für den Schnitt zu finden. Das Ergebnis war eine „schärfere“ Geometrie mit vergrößerten Frei- und Spanwinkeln sowie einer extrem präzisen, polierten Schneidkante. Diese sorgt dafür, dass die Späne leichter abfließen und das Werkstück nicht verformen.
Ein weiterer Baustein war die Oberflächenveredelung. Da die natürliche Schmierwirkung des Bleis fehlt, wurde eine spezielle, extrem harte und glatte Schutzschicht (TiVB2-basiert) aufgetragen. Diese fungiert wie eine Antihaftbeschichtung in einer Pfanne: Sie verhindert, dass Material am Werkzeug kleben bleibt und schützt es gleichzeitig vor vorzeitigem Abrieb.
Zusätzlich wurde eine innovative Kühlung direkt an das Werkzeug integriert. Über Kanäle im Inneren wird der Kühlschmierstoff punktgenau an die Stelle geleitet, an der die Hitze entsteht. Durch die Kombination dieser Optimierungen – schärfere Form, glatte Schutzschicht und gezielte Kühlung – konnte schließlich in Praxistests nachgewiesen werden, dass bleifreie Werkstoffe nun genauso stabil und wirtschaftlich bearbeitet werden können wie herkömmliche Materialien.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppen für die Projektergebnisse umfassen primär die metallverarbeitende Industrie sowie spezialisierte Werkzeug- und Maschinenbauer. Besonders relevant ist die Entwicklung für Branchen, die kleine, filigrane Bauteile fertigen, wie etwa die Elektronikindustrie, die Medizintechnik und die Automobilzulieferindustrie. Da die gesetzliche Einschränkung von Blei (z. B. durch die REACH-Verordnung) ein globales Thema ist, erstrecken sich die Zielmärkte über den gesamten europäischen Raum bis hin zu internationalen Märkten in Nordamerika und Asien.
Anwender profitieren unmittelbar durch eine deutlich höhere Prozessstabilität: Die Reduktion der Gratbildung minimiert den kostspieligen Nachbearbeitungsaufwand, während die optimierte Werkzeuggeometrie trotz schwieriger Werkstoffe eine hohe Produktivität sichert. Da die Herstellungskosten der neu entwickelten Werkzeuge konkurrenzfähig sind, ergibt sich ein deutlicher wirtschaftlicher Vorteil gegenüber bisherigen Standardlösungen.
Der Transfer der Ergebnisse erfolgt mehrstufig. Neben der direkten Vermarktung der optimierten Werkzeuge und Beschichtungen bietet die GFE technologische Beratungsdienstleistungen an, um Unternehmen bei der Umstellung ihrer Prozesse auf bleifreie Materialien zu unterstützen. Ein zentrales Element des Wissenstransfers sind zudem Fachvorträge auf Plattformen wie der Schmalkalder Werkzeugtagung sowie gezielte Workshops für Industriepartner.
Für die GFE werden positive wirtschaftliche Effekte in Form von steigenden Umsätzen aus Produktverkäufen, Lizenzgebühren und neuen Forschungsaufträgen erwartet. Erste Anwendungsbeispiele wurden bereits erfolgreich im Rahmen von Feldversuchen bei einem Industriepartner validiert. Dort konnten dünnwandige Profile aus bleifreiem Stahl und Messing unter Serienbedingungen prozesssicher und wirtschaftlich geschlitzt werden, was die industrielle Einsatzfähigkeit des entwickelten Systems eindrucksvoll belegt.