RENEW TOOL: Langlebigere Umformwerkzeuge durch additive Multimaterialschichten

RENEW TOOL entwickelt eine durchgängige Prozesskette zur Herstellung und Reparatur verschleißfester Umformwerkzeuge. Das Projekt kombiniert additive Fertigung, funktional gradierte Multimaterialschichten, kryogene Wärmebehandlung und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Ziel ist es, die Werkzeugstandmenge um mindestens 60 % zu erhöhen und die Technologie unter realen Bedingungen bis zum Technologiereifegrad TRL 7 zu validieren.

Herkömmliche Funktionsschichten mit geringen Anteilen an Verstärkungspartikeln erreichen bei stark beanspruchten Umformwerkzeugen ihre Belastungsgrenzen. Höhere Partikelanteile verbessern zwar die Verschleißbeständigkeit, erschweren jedoch die spanende Bearbeitung. Zusätzlich können große Eigenschaftsunterschiede zwischen zähem Grundwerkstoff und harter Verschleißschicht Spannungen an den Grenzflächen verursachen und zu einem vorzeitigen Versagen führen.

RENEW TOOL nutzt Directed Energy Deposition (DED), um Funktionsschichten gezielt auf neue oder instandzusetzende Werkzeugbereiche aufzutragen. Beim DED-Verfahren wird das zugeführte Material gerichtet aufgeschmolzen und schichtweise aufgebaut; durch eine variable Pulverzusammensetzung lassen sich gradierte Werkstoffeigenschaften erzeugen.

Die Multimaterialschichten enthalten mehr als 10 % Verstärkungspartikel, beispielsweise Wolframkarbid. Der funktionale Schichtaufbau verbindet dabei unterschiedliche Werkstoffeigenschaften:

• Der Grundwerkstoff stellt Zähigkeit und Tragfähigkeit bereit.
• Angepasste Zwischenschichten erzeugen einen abgestuften Materialübergang.
• Die harte Funktionsschicht erhöht die Abrieb- und Verschleißbeständigkeit.
• Der Materialgradient soll Belastungsspitzen an den Grenzflächen reduzieren und ein vorzeitiges Ablösen oder Versagen der Schichten verhindern.

Der additive Materialauftrag ermöglicht zudem die gezielte Erneuerung verschlissener Werkzeugbereiche. Statt ein komplettes Werkzeug zu ersetzen, können beanspruchte Bereiche funktional wiederaufgebaut werden. Das unterstützt eine längere Werkzeugnutzung und einen effizienteren Einsatz von Werkstoffen.

Nach dem additiven Materialauftrag werden die Werkzeuge bei Temperaturen von bis zu -196 °C kryogen wärmebehandelt. Ziel dieser Behandlung ist es, die mechanischen Eigenschaften und die Verschleißfestigkeit der erzeugten Werkzeugstrukturen weiter zu verbessern. 

Da die Kombination aus weichen Grundwerkstoffen, gradierten Übergangsschichten und harten, partikelverstärkten Oberflächen mit konventionellen Zerspanungsstrategien nur eingeschränkt bearbeitbar ist, entwickelt RENEW TOOL angepasste Verfahren für das Hochgeschwindigkeitsdrehen und Hochgeschwindigkeitsfräsen. Die gesamte Prozesskette umfasst:

1. additiven Aufbau der Multimaterialschichten mittels DED,
2. kryogene Wärmebehandlung bis -196 °C,
3. geometrische Endbearbeitung durch Hochgeschwindigkeitsdrehen und -fräsen,
4. Erprobung unter realen Bedingungen der Warmumformung.

Die industrielle Demonstration soll TRL 7 erreichen und damit die Funktionsfähigkeit der Prozesskette in einem betrieblichen Umfeld nachweisen.

Die angestrebte Verlängerung der Werkzeugstandmenge soll Reparatur- und Produktionskosten senken, den Materialabfall reduzieren und die Nutzungsdauer bestehender Werkzeuge verlängern. Durch die Kombination aus lokalem Materialauftrag, reparierbarem Schichtaufbau und verschleißoptimierter Nachbehandlung zielt RENEW TOOL außerdem darauf, den Ressourcenverbrauch und die damit verbundenen CO₂-Emissionen entlang der Werkzeugherstellung und -nutzung zu verringern.

Laufzeit
Januar 2025 bis Dezember 2027

Koordination
COMTES FHT, Tschechien

Fördermittelgeber
SAB

Projektpartner

• Fraunhofer IWU
• GGF
• KOVARNA
• COMTES
• HOFMEISTER