Metall Kobalt und Wolfram in Werkzeugen ersetzen

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Ein Team an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) hat mit FairTools ein Forschungsvorhaben gestartet, in dem es den Anteil der kritischen Rohstoffe Kobalt und Wolfram in Hartmetallwerkzeugen reduzieren, ersetzen oder das Material in einem Wertstoffkreislauf recyceln will.

Ob in der Luft- und Raumfahrtechnik, der Automobilindustrie, dem Energiesektor oder dem Maschinen- und Anlagebau – in vielen Bereichen braucht es sogenannte Hartmetallwerkzeuge wie Bohrer, Fräs- und Drehwerkzeuge. Sie bilden die Grundlage vieler Produktionsprozesse. „Die Basis dieser Metallgruppe bilden Wolfram, in Form von Wolframkarbid, und Kobalt. Sie sind verschleißbeständig und halten hohe Temperaturen aus“, sagt Professor Dr. Jan Aurich, der an der RPTU in Kaiserslautern das Lehrgebiet für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation leitet. In rund 80 Prozent dieser Werkzeuge sind die beiden chemischen Elemente enthalten. „Ihr Abbau erfolgt unter sehr fragwürdigen sozialen und gesundheitlichen Bedingungen, hinzu kommt die Umweltzerstörung im Umfeld der Minen“, fährt er fort.

„Wir möchten die Metalle ersetzen oder den Einsatz deutlich reduzieren“, so Aurich über das neue Vorhaben. „Wo dies aus technischen Gründen nicht möglich ist, wollen wir die Metalle recyclen und einen geschlossenen Wertstoffkreislauf entwickeln.“ Ziel ist es, die mechanischen Eigenschaften und damit die Langlebigkeit nicht zu beeinträchtigen. „Wichtig dabei wird sein, dass das recycelte Material dieselbe Qualität hat wie die primären Rohstoffe“, erläutert Aurich.

Mit 3D-Druck Anteil von Wolfram und Kobalt in Werkzeugen minimieren

In einem weiteren Teilprojekt arbeiten die Forscher daran, den Anteil von Wolfram und Kobalt in den Werkzeugen zu minimieren. „Dazu setzen wir auf 3D-Druck. Hiermit haben wir die Möglichkeit, dass wir die Werkzeuge anders herstellen können als bei derzeit üblichen Verfahren und Wolfram und Kobalt nur an Stellen einsetzen, bei denen es für die Funktion notwendig ist.“ Beispielsweise kann der Schafft des Werkzeugs aus Stahl bestehen und nur an der Spitze finden die beiden Mineralien Verwendung.

Außerdem zielt das Projekt darauf ab, das Hartmetall in den Werkzeugen vollständig durch andere Materialien zu ersetzen. „Es gibt inzwischen neue Hochleistungsstähle, die mit ähnlichen Eigenschaften ausgestattet sind wie die Hartmetalle“, so der Ingenieur weiter, „das heißt, langlebig und temperaturbeständig.“ Sie könnten sich als Alternative eignen, Welches Material sich dazu in welcher Weise genau eignet, wird das Team untersuchen.

Bei den Arbeiten kommen unter anderem Simulationen und Verfahren der Materialanalyse zum Einsatz. Das Forschungsprojekt FairTools wird von Professor Aurich koordiniert. Beteiligt sind zudem die Teams um Professor Dr. Eberhard Kerscher (Lehrgebiet für Werkstoffprüfung), Professorin Dr. Kristin de Payrebrune (Lehrgebiet für Computational Physics in Engineering) und Juniorprofessorin Dr. Lisa Scheunemann (Lehrgebiet für Technische Mechanik) sowie das Team um Dr. Sven Ehnert vom Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik (IFOS), das seine Methoden zur Werkstoff- und Oberflächenanalytik zur Verfügung stellt. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert es für sechs Jahre mit rund 4,9 Millionen Euro.

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