Kritische Metalle wie Kobalt und Wolfram in Werkzeugen ersetzen
Forschende aus Kaiserslautern wollen den Einsatz von Mineralien, die oft unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut werden, reduzieren. Ihr Ansatz: 3D-Druck, Recycling und neue Hochleistungsstähle.
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Kobalt und Wolfram spielen in der Industrie eine wichtige Rolle, etwa bei Legierungen und in der Batterieherstellung. Gefördert werden die Metalle oft unter fragwürdigen Arbeits- und Umweltbedingungen. Von Bedeutung sind sie auch bei sogenannten Hartmetallwerkzeugen, etwa bei Bohrern, Fräs- und Drehwerkzeugen.
Ein Forschungsvorhaben an der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) wird sich damit befassen, den Anteil dieser kritischen Rohstoffe in den Werkzeugen zu reduzieren, zu ersetzen oder das Material in einem Wertstoffkreislauf zu recyceln. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert die Arbeiten für sechs Jahre mit rund 4,9 Mio. €.
Vor- und Nachteile von Hartmetallwerkzeugen
Werkzeuge aus Hartmetall werden beispielsweise in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, dem Energiesektor oder dem Maschinen- und Anlagenbau eingesetzt. „Die Basis dieser Metallgruppe bilden Wolfram, in Form von Wolframkarbid, und Kobalt. Sie sind verschleißbeständig und halten hohe Temperaturen aus“, sagt Jan Aurich, der an der RPTU in Kaiserslautern das Lehrgebiet für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation leitet. In rund 80 % dieser Werkzeuge seien 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 recyceln 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 der Professor.
3D-Druck soll Anteil von Wolfram und Kobalt minimieren
In einem weiteren Teilprojekt arbeiten die Forschenden 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.“ Wolfram und Kobalt würden nur noch an Stellen eingesetzt, bei denen es für die Funktion notwendig ist. Große Teile des Werkzeugs, etwa der Schafft, könnten aus Stahl bestehen.
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“, sagt der Ingenieur weiter. „Das heißt, sie sind 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 vom Fertigungstechniker Aurich koordiniert. Beteiligt sind zudem die Teams um Eberhard Kerscher (Lehrgebiet für Werkstoffprüfung), Kristin de Payrebrune (Lehrgebiet für Computational Physics in Engineering) und Lisa Scheunemann (Lehrgebiet für Technische Mechanik) sowie das Team um Sven Ehnert vom Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik (IFOS), das seine Methoden zur Werkstoff- und Oberflächenanalytik zur Verfügung stellt.
