Ziel der Entwicklung

Die Motivation für das Projekt toolSTRUCT ergab sich aus konkreten Herausforderungen im Werkzeug- und Formenbau, die insbesondere in der Druckguss- und Spritzgussindustrie seit Jahren zu hohen Kosten und Effizienzverlusten führen. Ein zentrales Problem ist die begrenzte Standzeit von Formeinsätzen, die durch starke thermische und mechanische Belastungen schnell verschleißen. Hinzu kommt eine stetige Werkzeugverschmutzung durch Materialanhaftungen, die regelmäßige Stillstände für Reinigung und Wartung erforderlich macht. Diese Stillstände verursachen nicht nur zusätzliche Kosten, sondern beeinträchtigen auch die Prozessstabilität und führen zu Ausschuss in der Serienproduktion.
Seitens der Industrie bestand daher ein klarer Bedarf an neuen Lösungen, die eine Verlängerung der Werkzeugstandzeiten, eine Reduzierung von Reinigungszyklen und eine Verbesserung der Prozesssicherheit ermöglichen. Klassische Verfahren wie Beschichtungen oder der Einsatz von Trennmitteln konnten diese Probleme nur bedingt lösen. Beschichtungen sind kostenintensiv, müssen regelmäßig erneuert werden und stoßen bei komplexen Geometrien oder hohen Belastungen an ihre Grenzen. Trennmittel bieten nur kurzfristige Abhilfe, verursachen jedoch laufende Verbrauchskosten und erschweren teilweise die Weiterverarbeitung der Bauteile.
Mit toolSTRUCT sollte deshalb ein Ansatz verfolgt werden, der eine dauerhafte und ressourcenschonende Lösung bietet. Die Motivation war, mithilfe ultrakurzpulsbasierter Laserstrukturierung die Oberflächen von Abformwerkzeugen so zu funktionalisieren, dass Anhaftungen deutlich reduziert und Entformungsprozesse verbessert werden. Neben der Steigerung der Standzeit und der Reduzierung der Werkzeugverschmutzung zielte das Projekt auch darauf ab, neue Funktionalitäten wie optische oder benetzungsmodifizierende Effekte in die Werkzeuge zu integrieren und so zusätzliche Mehrwerte für die Anwender zu schaffen.
Der Impuls aus der Wirtschaft kam vor allem aus Branchen mit hohen Stückzahlen und kurzen Zykluszeiten, wie der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Konsumgüterproduktion. Diese Industrien sind auf stabile, hochproduktive Fertigungsprozesse angewiesen, bei denen selbst kleine Verbesserungen erhebliche wirtschaftliche Effekte nach sich ziehen. Entsprechend groß war das Interesse an einer Technologie, die einerseits die Produktivität steigert und andererseits die Abhängigkeit von Verschleißteilen, Verbrauchsstoffen und kostenintensiven Beschichtungen reduziert.
Mit dem Projekt toolSTRUCT wurde somit gezielt ein drängendes wirtschaftliches Problem adressiert: die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit von Werkzeug- und Formenbauunternehmen durch innovative, laserbasierte Verfahren, die Effizienz, Nachhaltigkeit und neue Anwendungsoptionen miteinander verbinden.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt toolSTRUCT wurde ein neuer Lösungsansatz entwickelt, um die Standzeit von Werkzeugen zu erhöhen und Werkzeugverschmutzungen zu reduzieren. Kernidee war der Einsatz von ultrakurzen Laserpulsen (UKP-Lasern), mit denen die Oberfläche von Formeinsätzen gezielt mit Mikro- und Nanostrukturen versehen werden kann. Diese Strukturen beeinflussen das Ablöseverhalten der Materialien während des Druck- oder Spritzgussprozesses und tragen so dazu bei, Anhaftungen zu verringern und die Entformung zu erleichtern. Der entscheidende Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass keine zusätzlichen Beschichtungen oder Trennmittel benötigt werden, die verschleißen oder erneuert werden müssten. Stattdessen wird die Oberfläche selbst so verändert, dass die gewünschte Funktion dauerhaft erhalten bleibt.
Um diese Zielstellung zu erreichen, wurden mehrere aufeinander aufbauende Entwicklungsschritte durchlaufen. Zunächst fanden grundlegende Untersuchungen zur Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit verschiedenen Werkzeugstählen statt, bei denen stabile Prozessfenster für eine reproduzierbare Strukturierung definiert wurden. Darauf aufbauend wurden unterschiedliche Strukturtypen hergestellt, darunter geordnete regelmäßige Muster und stochastische Nanostrukturen. Dabei kam auch die neuartige Direct Laser Interference Patterning-Technologie (DLIP) zum Einsatz, mit der besonders feine und gleichmäßige Strukturen erzeugt werden konnten. Die strukturierten Oberflächen wurden umfassend charakterisiert, um Präzision, Reproduzierbarkeit, Verschleißfestigkeit und funktionalen Nutzen zu bewerten.
Die Übertragbarkeit in die industrielle Praxis wurde durch Abformversuche im Druck- und Spritzguss überprüft. Besonders im Druckguss konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden: Materialanhaftungen wurden deutlich reduziert, Werkzeugverschmutzungen nahmen spürbar ab und die Standzeit der Werkzeuge verlängerte sich. Im Spritzguss ergab sich ein differenziertes Bild: Bei Polyamid (PA6.6) zeigten sich keine messbaren Verbesserungen gegenüber unstrukturierten Referenzwerkzeugen, während die Versuche mit Flüssigsilikon (LSR) eine klare Reduzierung von Anhaftungen und eine hohe Abformtreue belegten. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial der Technologie insbesondere für elastomere Materialien.
Parallel zu den technischen Untersuchungen erfolgte eine Wirtschaftlichkeitsanalyse. Dabei wurde gezeigt, dass die UKP-Laserstrukturierung mit marktverfügbarer Laser- und Scannertechnik umsetzbar ist und Flächenraten erreicht, die eine wirtschaftliche Bearbeitung auch im industriellen Maßstab erlauben. Damit eröffnen sich konkrete Einsatzmöglichkeiten für Anwendungen mit hohen Stückzahlen und kurzen Zykluszeiten, wie sie typischerweise in der Automobilindustrie, der Medizintechnik und der Konsumgüterproduktion vorkommen.
Für die Anwender ergeben sich aus diesem Ansatz zahlreiche Vorteile. Werkzeuge verschleißen langsamer, was ihre Standzeit verlängert und den Bedarf an Ersatz oder Nachbeschichtung reduziert. Anhaftungen und Verschmutzungen treten seltener auf, sodass Reinigungspausen verkürzt oder vermieden werden können. Dadurch steigt die Prozessstabilität, Stillstände werden reduziert und die Ausschussquote sinkt. Zusätzlich trägt der Wegfall von Trennmitteln und Beschichtungen zu mehr Nachhaltigkeit bei, da weniger Verbrauchsmaterialien benötigt werden und Abfälle vermieden werden. Darüber hinaus eröffnet die Technologie neue Möglichkeiten für innovative Produktgestaltungen, etwa durch optische oder benetzungsmodifizierende Effekte, die sich gezielt in Kunststoffbauteile einbringen lassen.
Insgesamt konnte mit toolSTRUCT ein praxisnaher Ansatz entwickelt werden, der eine dauerhafte Lösung für ein zentrales Problem im Werkzeug- und Formenbau darstellt. Besonders im Druckguss ist der Nutzen klar belegt, während die Ergebnisse im Spritzguss zeigen, dass das Verfahren je nach Material unterschiedlich wirksam ist. Die positiven Resultate mit Silikon und die belegte Wirtschaftlichkeit machen deutlich, dass die Technologie über ein großes Potenzial verfügt, um in der Industrie breite Anwendung zu finden und damit Effizienz, Produktivität und Nachhaltigkeit entscheidend zu verbessern.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppen der im Projekt toolSTRUCT entwickelten Technologie liegen in erster Linie in den Branchen, die auf Druckguss- und Spritzgussverfahren angewiesen sind. Dazu gehören insbesondere die Automobilindustrie (z. B. Motor- und Strukturbauteile aus Aluminiumdruckguss, Interieur- und Funktionsteile aus Kunststoff), die Medizintechnik (z. B. Gehäuse, Instrumente, Elastomerbauteile), die Konsumgüterindustrie (z. B. Verpackungen, technische Komponenten) sowie der Werkzeug- und Formenbau als zentrale Transferbranche. Für diese Anwendergruppen sind eine hohe Prozessstabilität, lange Standzeiten und geringe Stillstände von entscheidender Bedeutung, da bereits kleine Effizienzsteigerungen erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen haben.
Die adressierten Zielmärkte sind sowohl national als auch international von großer Bedeutung. Der europäische Werkzeug- und Formenbau ist ein global anerkannter Technologieführer, steht jedoch in starkem Kostenwettbewerb mit Anbietern aus Asien. Technologien, die die Produktivität steigern und die Stückkosten senken, tragen entscheidend dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen und europäischen Industrie zu sichern. Insbesondere im Automobil- und Medizintechnikbereich, die weltweit auf hohe Qualität und Prozesssicherheit angewiesen sind, bietet die laserbasierte Werkzeugfunktionalisierung ein großes Potenzial für internationale Anwendungen.
Anwender profitieren direkt von der Entwicklung durch verlängerte Werkzeugstandzeiten, reduzierte Werkzeugverschmutzungen und geringere Reinigungszyklen. Dies führt zu kürzeren Stillständen, geringeren Ausschussquoten und insgesamt niedrigeren Produktionskosten. Darüber hinaus ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten, etwa durch die Übertragung von Mikro- und Nanostrukturen auf Bauteile, die optische oder benetzungsmodifizierende Eigenschaften aufweisen können. Damit eröffnen sich nicht nur Effizienzgewinne, sondern auch Potenziale für innovative Produktfunktionen.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in die Anwenderunternehmen erfolgt über mehrere Wege. Ein zentraler Ansatz ist die Zusammenarbeit mit Transferunternehmen im Werkzeug- und Formenbau, die als Multiplikatoren fungieren und die Strukturierungstechnologie in ihre Kundenprojekte integrieren. Ergänzend werden die Ergebnisse über Lohnstrukturierungsservices, Kooperationen mit Laser- und Anlagenherstellern sowie durch die Präsentation von Demonstratoren auf Fachmessen und Technologietagen verbreitet. Weiterhin ist vorgesehen, die Technologie in Schulungen, Seminaren und Studiengängen einzubinden, sodass Fachkräfte frühzeitig mit den Möglichkeiten vertraut gemacht werden und die Hemmschwelle zur Anwendung sinkt.
Für die eigene Einrichtung ergeben sich wirtschaftliche Effekte vor allem durch zusätzliche Dienstleistungen in Form von Lohnstrukturierung, Machbarkeitsstudien und FuE-Kooperationen. Bereits kurz nach Projektende eröffnen sich Möglichkeiten für Auftragsforschung und Pilotprojekte mit Unternehmen aus der Automobil- und Medizintechnikindustrie. Langfristig stärkt die erzielte Technologieführerschaft die Position der Einrichtung im Wettbewerb um nationale und internationale Forschungsprojekte.
Bereits während des Projekts konnten erste Anwendungsbeispiele erarbeitet werden. So wurde im Aluminiumdruckguss gezeigt, dass durch die laserbasierte Oberflächenstrukturierung die Anhaftung von Schmelze am Werkzeug deutlich reduziert und die Standzeit verlängert werden kann. In der Verarbeitung von Flüssigsilikon (LSR) wurde nachgewiesen, dass Mikro- und Nanostrukturen die Rückstandsbildung auf Werkzeugeinsätzen verringern und mit hoher Abformtreue übertragen werden können. Auch wenn im Kunststoffspritzguss mit Polyamid keine Verbesserungen erzielt wurden, liefern die Ergebnisse in den anderen Bereichen klare Hinweise auf die industrielle Relevanz und den potenziellen Mehrwert für Anwender.
Insgesamt adressiert toolSTRUCT damit einen breiten Zielmarkt, der sowohl etablierte Industrien in Deutschland und Europa als auch internationale Anwender in wettbewerbsintensiven Branchen einschließt. Die Technologie bietet einen klaren Nutzen in Form von Effizienzsteigerungen, Kostenreduzierungen und neuen Gestaltungsmöglichkeiten, wodurch sowohl unmittelbare Transferchancen als auch langfristige Wachstumspotenziale entstehen.