Grüne Fertigungsprinzipien im Formenbau: Ein nachhaltiger Ansatz

Als wichtiger Pfeiler rasanten Wirtschaftswachstums verursacht die Fertigungsindustrie auch erhebliche Ressourcenverschwendung und Umweltbelastung. Für die Fertigungsindustrie ist es essenziell, Ressourcenverbrauch zu minimieren und Umweltschäden zu reduzieren. Ziel der Grünen Fertigung (Green Manufacturing) ist es, die negativen Umweltauswirkungen zu minimieren und die Ressourceneffizienz über den gesamten Produktlebenszyklus – von Design, Fertigung, Verpackung, Transport, Nutzung bis Entsorgung – zu maximieren.

Das Werkzeug ist das wichtigste Produktionsmittel in der Fertigung und die grundlegendste Ausrüstung in der industriellen Produktion. Der traditionelle Werkzeugdesignprozess berücksichtigt meist nur Basisattribute wie Qualität, Kosten, Funktion, Lebensdauer – Ressourcenverbrauch, Energie und Umweltbelastung durch Werkzeuge werden selten bedacht.

„Grünes Werkzeug“ bedeutet nicht nur geringe Umweltbelastung während der Nutzung, sondern minimalen Schaden über den gesamten Lebenszyklus – von der Herstellung über die Nutzung bis zur Entsorgung. Daher muss das grüne Design die Umwelteigenschaften des Formteils berücksichtigen (Entformbarkeit, Recyclingfähigkeit etc.) sowie die Basisattribute (Qualität, Kosten, Funktion, Lebensdauer). Der gesamte Lebenszyklus des grünen Formenbaus umfasst: grünes Design, grüne Fertigung, grüne Verpackung, grüner Transport, grüne Instandhaltung und grünes Recycling.

Im Werkzeugfertigungsprozess verbessert Green Manufacturing die Wirtschaftlichkeit, reduziert Umweltbelastung und nutzt Ressourcen voll und rational. Grüne Fertigungstechnologien erreichen Hochtechnologie, geringe Verschmutzung, niedrige Kosten und hohen Gewinn.

Grünes Design von Werkzeugen

Zu Beginn des Werkzeugdesigns muss der gesamte Produktlebenszyklus betrachtet werden – von der Designidee bis zur Entsorgung: Qualität, Kosten, Umweltauswirkungen, Ressourcenverbrauch.

(1) Auswahl des Werkzeugwerkstoffs

Materialauswahl für grünes Design muss auf grünen Werkstoffen basieren. Grüne Werkstoffe mit geringem Energieverbrauch, niedrigen Kosten und geringer Umweltbelastung reduzieren nicht nur die Verschmutzung bei der Verarbeitung, sondern sind auch leicht recycelbar und wiederverwendbar. Werkzeuge sind Produktionsmittel für andere mechanische Produkte. Im Betrieb oft im Zustand hoher Temperatur, hohem Druck, hoher Geschwindigkeit. Daher muss das Werkzeug hohe Verschleißfestigkeit und lange Lebensdauer aufweisen.

Grüne Werkzeugwerkstoffe müssen neben traditionellen Eigenschaften auch Umweltaspekte berücksichtigen. Grundlegende Eigenschaften grüner Werkstoffe:

• Geringe Kosten und geringe Verschmutzung.
• Leicht bearbeitbar, keine oder geringe Verschmutzung bei der Verarbeitung.
• Abbaubar und wiederverwendbar.

Angesichts Umweltverschmutzung: Werkstoffwahl mit geringem Schadstoffgehalt, um bei der Verarbeitung keine großen Mengen Schadstoffe freizusetzen. Zur Ressourcenschonung: niedrigkostige, recycelbare oder wiederverwendbare, abbaubare Werkstoffe wählen.

(2) Standardisierung und Modularisierung des Werkzeugdesigns

Standardisierung im Werkzeugdesign sind wirksame Maßnahmen zur Qualitätssteigerung, Zyklusverkürzung und Kostensenkung in der spezialisierten Werkzeugfertigung.

① Standard-Werkzeugrahmen und andere Normteile.

Werkzeugrahmen und Normteile werden von spezialisierten Unternehmen gefertigt. Nach Werkzeugverschrottung sind oft nur Ober- und Unterwerkzeug unbrauchbar, der Rahmen jedoch intakt. Standardrahmen fördern Wiederverwendung. Standardisierung reduziert Fertigungsausrüstung für Rahmen und verbessert Materialausnutzung. Normteile nutzen begrenzte Ressourcen optimal – spart Ressourcen und erleichtert Fertigungsmanagement.

② Standardisierung, Kombination und Modularisierung jeder Struktureinheit des Werkzeugs.

Kombinations- und Modulardesign: Aufteilung in funktionale Module basierend auf Funktionsanalyse verschiedener Produkte in einem definierten Bereich. Durch Auswahl und Kombination von Modulen entstehen unterschiedliche Produkte für diverse Marktanforderungen. Um Teile universell, austauschbar und wiederverwendbar zu machen, sollten alle Teile als standardisierte Normkomponenten ausgelegt werden für serielle Fertigung. Werkzeugunternehmen sollten den Aufbau der CAX-Plattform stark unterstützen für zeichnungslose Konstruktion und Nutzung dieser Technologien zur Analyse fertiger Werkzeuge (Materialfluss, Produktfestigkeit, Schlagfestigkeit). Dies realisiert Systematisierung von Design, Fertigung und Management, steigert Effizienz und verkürzt Entwicklungszyklen.

(3) Erhöhung der Werkzeugstandzeit

Je länger die Lebensdauer, desto niedriger die relativen Kosten und desto ressourcenschonender. Bei Stanzwerkzeugen kann die Struktur durch Mehrteiligkeit, Doppelnutzung oder Baukastenbauweise verbessert werden, um die Auslastung zu steigern und die Standzeit zu maximieren.

Gleichzeitig sind einfache Demontage, Reinigung und Teiletausch effektive Garantien für verlängerte Standzeit. Bei Beschädigung rechtzeitig austauschbare Teile identifizieren. Bei Verschrottung: wiederverwendbare Teile demontieren, aufbereiten, restliche Teile recyceln.

(4) Verpackungsdesign des Werkzeugs

Verpackungsmaterialien sollten minimal oder aus grünen Verpackungsmaterialien bestehen. Ungiftige, recycelbare, abbaubare umweltfreundliche Materialien und Designs einsetzen.

(5) Lärmminderung

Im Werkzeugdesign entsteht in der mechanischen Fertigung erheblicher Lärm. Maßnahmen zur Lärmreduzierung oder -beseitigung ergreifen. Reibungskupplungen statt starren Kupplungen, Schallschutzhauben an lärmenden Teilen, schwingungsgedämpfte Werkzeugrahmen mit Stoßdämpfern.

Grüne Werkzeugfertigungstechnologien

(1) Flexible Fertigungstechnologie

Einzelstückfertigung, komplexe Bearbeitungsflächen, hohe Dimensions- und Formgenauigkeit machen die Werkzeugbranche prädestiniert für flexible Fertigung. Automatisiertes Fertigungssystem aus Rechnersteuerung, mehreren NC-Maschinen, Materiallager – schnell anpassbar durch Softwareänderung bei wechselnden Fertigungsaufgaben und Produktvarianten.

(2) Hochgeschwindigkeitszerspanungstechnologie (HSC)

HSC wird zunehmend industriell genutzt dank signifikanter Vorteile gegenüber konventioneller Zerspanung: effektiv gesteigerte Produktivität, Schnittkraftreduktion ≥ 30 %, hochwertige Oberflächen, reduzierter Energieverbrauch, Ressourcenschonung, vereinfachter Prozess.

(3) Spanlose Fertigung

Direkte Erzeugung von Metallrohlingen durch Gießen, Schmieden oder andere Umformverfahren ohne Zerspanen. Spanlose Verfahren reduzieren Materialverbrauch drastisch – bester Prozess für grüne Werkzeuge.

(4) Near-Net-Shape-Technologie (Nahe-Nettoform-Technologie)

Formgebungstechnologie, bei der Bauteile nach dem Formen nur minimal oder gar nicht nachbearbeitet werden müssen. Basiert auf multidisziplinären High-Tech-Ergebnissen: Neue Werkstoffe, Mechatronik, Präzisionswerkzeugtechnik, Automatisierung, Computertechnik, Numerische Analyse, Simulation. Hochwertige, hocheffiziente, hochpräzise, leichte, kostengünstige Formtechnologie.

(5) Reverse Engineering Technologie

Schnelle Erlangung eines vollständigen digitalen Modells eines Prototyps durch diverse Verfahren bei vorhandenen Objekten/Referenzen – fördert Imitationsinnovation und beschleunigt Design/Fertigung. Breit eingesetzt im Werkzeugdesign und -bau: Nach Erhalt des digitalen Modells durch Reverse Engineering wird der NC-Bearbeitungscode mit CAM-Unterstützung automatisch generiert.

(6) Rapid Prototyping Technologie (Rapid Prototyping)

Rapid Prototyping nutzt diskrete Materialauftragung unter Rechnersteuerung zur Teilefertigung. Integriert Maschinenbau, CAD, Reverse Engineering, Schichtfertigung, NC-Technik, Werkstoffkunde, Lasertechnik. Ermöglicht automatische, direkte, schnelle, präzise Umsetzung von Designideen in funktionsfähige Prototypen oder Direktfertigung – effizienter, kostengünstiger Weg für Prototypenbau und Designvalidierung. Meist kombiniert mit Reverse Engineering für schnelle Prototypen/Teile auf Basis digitaler Modelle.

(7) Hochgeschwindigkeits-Trockenbearbeitung

Kombiniert HSC und Trockenbearbeitung, nutzt Vorteile beider, kompensiert Nachteile, steigert Effizienz, Flexibilität, Präzision. Begrenzt Kühlschmierstoffeinsatz, eliminiert dessen Umweltbelastung, erfüllt Green-Manufacturing-Anforderungen.

(8) Prozesssimulationstechnologie

Einsatz von Simulation zur Ermittlung optimaler Parameter: mathematische, physikalische Simulation, Experten-System-Synthese. Vorhersage von Bearbeitungsfehlern, Qualitätskontrolle, Optimierung des Fertigungsplans. Keine umfangreichen Experimente nötig – Anpassung basierend auf Simulationsergebnissen. Spart Zeit und Werkzeugkosten.

Fazit

JTR bietet CNC-Bearbeitung, Oberflächenveredelung, 3D-Druck und weitere Fertigungsdienstleistungen. Als Unternehmen, das zur nachhaltigen Entwicklung von Gesellschaft und Umweltschutz beitragen will, forschen und lernen wir kontinuierlich auf dem Weg zur Grünen Fertigung.