CD-Labor für Nachhaltige Hartstoffschichten

Hartstoffschichten machen Schneidwerkzeuge effizienter und langlebiger – tragen also zur Nachhaltigkeit bei. Um auch die Produktion dieser so wichtigen Schichten nachhaltiger zu gestalten wird hier an Herstellungsprozessen und den benötigten Rohstoffen geforscht.

Durch das Anbringen von Hartstoffschichten auf Schneidwerkzeugen können Leistungsfähigkeit, Verschleißwiderstand und Lebensdauer dieser Werkzeuge erhöht werden, wovon beispielsweise industrielle Zerspanungsanwendungen stark profitieren. Der Zwiespalt dabei: Einerseits trägt die Möglichkeit einer längeren und effizienteren Nutzung der Schneidwerkzeuge, die somit seltener erneuert werden müssen, zur Nachhaltigkeit bei. Andererseits führt die aktuelle Herstellungspraxis dazu, dass sich die Umweltbelastung von der Anwendung in die Produktion verschiebt.

So ist nämlich nicht nur der Beschichtungsprozess selbst durch die erforderlichen hohen Temperaturen energieintensiv, sondern sind auch die verwendeten Materialien in Hinblick auf Nachhaltigkeit häufig kritisch. Und besagte Materialien müssen für die gängige Praxis zusätzlich in einer hohen Reinheit vorliegen, was die Nutzung von Schrott oder Recyclingressourcen verhindert und den CO2-Fußabdruck der Herstellung von Hartstoffschichten noch mehr ansteigen lässt.

Das CD-Labor erforscht daher Wege der nachhaltigen Entwicklung von Beschichtungen bei Minimierung von Energieverbrauch und CO2-Emissionen: Wie können die Beschichtungsprozesse weniger energieintensiv gestaltet werden, um bei niedrigerer oder sogar Raumtemperatur stattfinden zu können? Wie wären diese Prozesse mit Rohmaterialien geringerer Reinheit machbar, und können kritische Materialien dabei möglichst oder gänzlich ersetzt bzw. durch ausgeklügelte Abscheidungsprozesse oder fortgeschrittene Schichtarchitekturen kompensiert werden? Kann die Lebensdauer der Schichten noch weiter gesteigert werden, indem ihnen Selbstadaptions-, Schadenstoleranz-, Selbstheilungs- oder sogar Selbstberichterstattungsfähigkeiten „beigebracht“ werden?

Diesen Fragen wird im CD-Labor auf Basis verschiedener hochauflösender analytischer Methoden wie Varianten der Mikroskopie oder Tomographie nachgegangen. Die experimentelle Arbeit des Teams wird dabei permanent durch auf künstliche Intelligenz basierende Anwendungen unterstützt: Diese geben zusätzlichen Aufschluss über die Möglichkeiten der Weiterentwicklung von Prozess und Materialien. Mittels dieses hybriden Ansatzes sollen hochkomplexe Sachverhalte behandelt werden: Zum Beispiel das genaue Verhalten von Verunreinigungen in den Rohstoffen. Oder die Frage, ob ausgeklügeltes Defektengineering es auszugleichen vermag, wenn es aufgrund eines chemisch vereinfachten Legierungsdesigns zu unerwünschten Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts käme.

Schließlich gilt es, die neuen Design-Ansätze auf mikromechanischer Ebene zu untersuchen und hinsichtlich möglicher Einflüsse der mechanischen Eigenschaften der genutzten Materialien auf die daraus resultierenden Beschichtungen (bzw. auf die Werkzeuge, auf die diese angebracht werden) zu evaluieren: So werden wichtige Beiträge zu einer nachhaltigen und ressourceneffizienteren Zukunft der werkstofferzeugenden Industrie geleistet.