Tribo Tools

Werkzeuge, die im Rahmen von Fertigungs-, Bearbeitungs- oder Fördervorgängen im ständigen Kontakt mit anderen Materialien stehen, sind fortlaufend tribologischen Belastungen ausgesetzt: Reibung, mechanischem Verschleiß und – abhängig vom Einsatzumfeld – auch elektrostatischer Aufladung. Der Begriff „Tribo Tools“ bezeichnet in diesem Zusammenhang keine konkrete Produktkategorie, sondern die allgemeine Klasse von Werkzeugen und Bauteilen, deren Funktionsfähigkeit und Lebensdauer maßgeblich von tribologischen Eigenschaften abhängt. Dieser Artikel beschreibt die technischen Anforderungen an solche Werkzeuge sowie gängige Werkstoff- und Beschichtungskonzepte.

Tribologische Belastung von Werkzeugen

Nahezu jedes Werkzeug, das mit einem Werkstück, einem Schüttgut oder einem anderen Bauteil in Relativbewegung steht, unterliegt tribologischer Beanspruchung. Typische Beispiele sind Zerspanungswerkzeuge (Bohrer, Fräser, Wendeplatten), Umformwerkzeuge (Stanzen, Tiefziehen, Biegen), Fördertechnik-Komponenten (Schnecken, Mischwerkzeuge, Trichter) sowie Handwerkzeuge, die in staub- oder partikelbelasteten Umgebungen eingesetzt werden.

An der Werkzeugoberfläche wirken dabei mehrere Belastungsarten gleichzeitig:

Mechanische Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück oder Fördergut, die zu Erwärmung, Energieverlust und Materialabtrag führt.
Verschleiß durch die im vorherigen Artikel beschriebenen Mechanismen – insbesondere Adhäsion und Abrasion, die bei Werkzeugen aufgrund der oft hohen Flächenpressungen und Relativgeschwindigkeiten besonders ausgeprägt auftreten.
Elektrostatische Aufladung, die entsteht, wenn ein Werkzeug wiederholt mit staubförmigen, granulatartigen oder folienartigen Materialien in Kontakt kommt und sich dabei durch triboelektrische Effekte auflädt. Dies ist insbesondere in staubbelasteten industriellen Umgebungen relevant, etwa in der Kunststoffverarbeitung, der Lebensmittelindustrie oder bei der Bearbeitung mineralischer Werkstoffe.

Die Auslegung eines Werkzeugs muss daher stets sämtliche dieser Beanspruchungsarten berücksichtigen, um eine ausreichende Standzeit und Prozesssicherheit zu gewährleisten.

Anforderungen an Werkstoffe und Beschichtungen

Um Werkzeuge gegen tribologische Belastungen widerstandsfähig zu machen, kommen unterschiedliche Werkstoffkonzepte und Oberflächenbehandlungen zum Einsatz. Die Wahl richtet sich nach der Art der Beanspruchung – ob primär Verschleißfestigkeit, geringe Reibung, chemische Beständigkeit oder eine Kombination dieser Eigenschaften gefordert ist.

Hartmetall

Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe aus Metallcarbiden (in der Regel Wolframcarbid) und einem metallischen Bindemittel (häufig Kobalt). Sie zeichnen sich durch eine sehr hohe Härte, hohe Druckfestigkeit und gute Verschleißbeständigkeit auch bei erhöhten Temperaturen aus. Hartmetall wird traditionell für Zerspanungswerkzeuge, Umformwerkzeuge und Verschleißteile eingesetzt, die hohen abrasiven und adhäsiven Beanspruchungen standhalten müssen. Die Härte des Materials erlaubt es, auch bei anspruchsvollen Werkstoffpaarungen lange Standzeiten zu erreichen, allerdings ist Hartmetall vergleichsweise spröde, was bei schlagartiger Belastung berücksichtigt werden muss.

DLC-Beschichtungen

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (Diamond-Like Carbon, DLC) sind dünne, mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder verwandter Verfahren aufgebrachte Beschichtungen, die eine amorphe Kohlenstoffstruktur mit diamantähnlichen und graphitähnlichen Bindungsanteilen aufweisen. DLC-Schichten kombinieren eine sehr hohe Oberflächenhärte mit einem außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten gegenüber vielen Werkstoffen. Dadurch reduzieren sie sowohl adhäsiven als auch abrasiven Verschleiß und senken gleichzeitig die bei der Bearbeitung entstehende Reibungswärme. DLC-Beschichtungen finden breite Anwendung bei Zerspanungswerkzeugen, Umformwerkzeugen sowie bei Maschinenkomponenten, die reibungsarm und verschleißfest ausgeführt sein müssen. Ihre geringe Schichtdicke im Mikrometerbereich erlaubt zudem eine nachträgliche Beschichtung bereits gefertigter Präzisionsbauteile, ohne deren Maßhaltigkeit wesentlich zu beeinflussen.

PTFE-Beschichtungen

Polytetrafluorethylen (PTFE), im allgemeinen Sprachgebrauch häufig unter Markennamen bekannt, ist ein Fluorpolymer mit einem außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten und ausgeprägten Antihafteigenschaften. PTFE-Beschichtungen werden auf Werkzeugoberflächen aufgebracht, um das Anhaften von Materialresten zu verhindern, die Gleitreibung zu reduzieren und die Reinigung zu erleichtern. Zusätzlich bieten PTFE-Schichten eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber den meisten Säuren, Laugen und Lösungsmitteln sowie eine gute Temperaturbeständigkeit. Im Gegensatz zu Hartmetall oder DLC-Schichten liegt der Fokus von PTFE-Beschichtungen weniger auf extremer Härte, sondern auf der Kombination aus Antihaftwirkung und niedriger Reibung, weshalb sie häufig bei Werkzeugen zum Einsatz kommen, die mit klebrigen, harzhaltigen oder feuchten Materialien in Kontakt stehen.

Oberflächengüte und Materialpaarung

Neben der Wahl des Grundwerkstoffs und einer geeigneten Beschichtung ist die Oberflächengüte – also die Rauheit und Textur der Werkzeugoberfläche – ein entscheidender Faktor für die tribologische Leistungsfähigkeit. Eine zu raue Oberfläche erhöht die Zahl und Größe der mikroskopischen Kontaktpunkte (Asperiten) und damit tendenziell Reibung und Verschleiß; eine übermäßig glatte Oberfläche kann hingegen in bestimmten Anwendungen zu unerwünschtem Adhäsionsverschleiß führen, da sich die Kontaktflächen vollflächiger berühren und Schmierstoffe schlechter gehalten werden.

Ebenso wichtig ist die Materialpaarung zwischen Werkzeug und Werkstück beziehungsweise Fördergut. Bestimmte Werkstoffkombinationen neigen zu verstärkter Adhäsion (etwa gleichartige Metalle ohne Schmierung), während andere Kombinationen tribochemisch ungünstig reagieren. Eine sorgfältige Abstimmung von Werkzeugwerkstoff, Beschichtung und den Eigenschaften des zu bearbeitenden oder zu fördernden Materials ist daher Voraussetzung für eine hohe Standzeit und einen stabilen Prozess. In der Praxis werden Werkzeugkonzepte häufig empirisch getestet und iterativ optimiert, da die tribologischen Wechselwirkungen von vielen, teils schwer vorhersagbaren Randbedingungen abhängen – etwa Temperatur, Feuchtigkeit, Anpressdruck und Relativgeschwindigkeit.

Antistatische Werkzeugausführungen in staubbelasteten Umgebungen

In Umgebungen mit hoher Staubbelastung – etwa bei der Bearbeitung von Kunststoffen, Holz, mineralischen Werkstoffen oder in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie – spielt neben dem mechanischen Verschleiß auch die elektrostatische Aufladung von Werkzeugen eine sicherheitsrelevante Rolle. Durch die ständige Reibung zwischen Werkzeugoberfläche und feinkörnigem oder pulverförmigem Material kann sich das Werkzeug elektrostatisch aufladen. Dies kann zu mehreren unerwünschten Effekten führen:

Staubanhaftung: Aufgeladene Oberflächen ziehen Staubpartikel elektrostatisch an, was die Prozessgenauigkeit beeinträchtigen und den Reinigungsaufwand erhöhen kann.
Elektrostatische Entladung (ESD): Eine plötzliche Entladung kann empfindliche elektronische Bauteile beschädigen, sofern das Werkzeug im Umfeld elektronischer Fertigung eingesetzt wird.
Zündgefahr: In Umgebungen mit brennbaren Stäuben oder Gasen kann eine elektrostatische Entladung im ungünstigen Fall eine Zündquelle darstellen, wenn die Ladungsenergie ausreicht und eine zündfähige Atmosphäre vorliegt.

Um diesen Risiken zu begegnen, werden Werkzeuge in entsprechenden Einsatzbereichen mit ableitfähigen oder antistatischen Werkstoffen und Griffkomponenten ausgeführt, die eine kontrollierte Ableitung elektrostatischer Ladung ermöglichen, anstatt eine unkontrollierte Aufladung zuzulassen. Solche Ausführungen sind Teil eines umfassenden Explosionsschutz- und ESD-Schutzkonzepts, das neben dem Werkzeug selbst auch die Erdung von Anlagenteilen, die Materialauswahl bei Behältern und Leitungen sowie organisatorische Maßnahmen umfasst. Die tribologischen und elektrostatischen Anforderungen an Werkzeuge sind somit eng miteinander verzahnt und müssen bei der Konstruktion gemeinsam betrachtet werden.

Quellen

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