Entwicklung eines Vollmaterialschaftfräsers aus einem Gesteinsverbundwerkstoff

Die Verfügbarkeit strategischer Rohstoffe und ein verantwortungsvoller Umgang mit Ressourcen zählen zu den zentralen Herausforderungen moderner Industriegesellschaften. Spanende Fertigungsprozesse spielen dabei eine besondere Rolle, da sie energie- und ressourcenintensiv sind und in nahezu allen produzierenden Unternehmen eingesetzt werden. Werkzeuge aus Hartmetall sind aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit und thermischen Belastbarkeit weit verbreitet. Ihre Hauptbestandteile Wolfram und Kobalt sind jedoch geographisch stark konzentriert, wirtschaftlich volatil und ökologisch problematisch. Vor diesem Hintergrund rücken Gesteine als potentielle Alternative zu Hartmetallen in den Fokus. Die vorliegende Arbeit setzt sich zum Ziel, einen Vollmaterialschaftfräser aus einem Gesteinsverbundwerkstoff zu entwickeln und für den Anwendungsfall der Zerspanung von Kunststoffbauteilen zu erproben. Als Basis dieser Entwicklung diente eine systematische Analyse der Einsatzbedingungen von Vollmaterialschaftfräsern bei der Zerspanung von Kunststoffbauteilen in Form einer Marktforschungsstudie sowie durch die Entwicklung einer repräsentativen Referenzbearbeitungsaufgabe. Die Entwicklung optimierter Werkzeuggeometrien, die an die Eigenschaften des neuartigen Gesteinsverbundwerkstoffs angepasst sind, erfolgte anhand einer Finite-Elemente-Simulation. Diese wurden anschließend als Demonstratorwerkzeuge durch Pressen und Sintern einer Gesteinsmehlzusammensetzung mit anschließender mechanischer Nachbearbeitung hergestellt. Bei der Erprobung im Laborumfeld wurden das dynamische Werkzeugverhalten, die während der Bearbeitung entstehenden Prozesskräfte, die Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstücke und die Verschleißentwicklung der Fräswerkzeuge untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass die Gesteinsfräser für bestimmte Bearbeitungsoperationen gleichwertige und teilweise verbesserte Ergebnisse als herkömmliche Vollhartmetallschaftfräser erzielen können. Die anschließende Erprobung im industriellen Einsatzumfeld bestätigte diese Erkenntnisse. Um das Potential der Gesteinsfräser für weitere Anwendungsfelder zu evaluieren, wurde im industriellen Einsatzumfeld auch die spanende Bearbeitung von Aluminiumbauteilen untersucht, wobei ebenfalls ähnliche Erkenntnisse gezogen werden konnten. Abschließend wurden die Umweltauswirkungen von Hartmetallfräswerkzeugen und Vollmaterialschaftfräsern aus Gesteinsverbundwerkstoff im Rahmen einer vergleichenden Ökobilanz gegenübergestellt.