Hocheffiziente Seilschleifsegmente mittels additiver Siebdrucktechnologie (SiebSeil)

Abstract

Das Projekt SiebSeil zielte auf die Entwicklung hochleistungsfähiger und wirtschaftlicher Seilschleifwerkzeuge ab, die mittels 3D-Siebdruck gefertigt werden und eine deterministische Anordnung der Schleifkörner aufweisen. Dabei wurden sowohl kubisches Bornitrid (cBN) als auch Diamant als Schleifkörner berücksichtigt. Um die optimalen Bedingungen für den Materialabtrag zu ermitteln, wurde ein Simulationsmodell auf Basis der IFW CutS entwickelt, mit dem sich die Eingriffsbedingungen zwischen Schleifkorn und Werkstück beim Seilschleifen berechnen ließen. Durch systematische Untersuchungen verschiedener Parameter des Setzmusters konnten belastungsoptimierte Anordnungen der Schleifkörner abgeleitet werden, die eine gleichmäßige Kraftverteilung und reduzierte Verschleißerscheinungen ermöglichen sollten. Gleichzeitig wurden neue Bindungssysteme konzipiert, deren Eignung für das Siebdruckverfahren geprüft und metallographisch analysiert wurde. Als Grundmaterialien dienten Eisen und Edelstahl (410L), die mit Kupfer, Bronze, Cobalt und Phosphor in unterschiedlichen Zusammensetzungen legiert wurden. Dabei zeigte sich, dass cBNSchleifkörner bei thermischer Verfestigung ein inertes Verhalten in Kombination mit den Bindungslegierungen aufwiesen, während Diamantkörner eine deutlich bessere Kompatibilität mit den entwickelten Bindungen – insbesondere mit Eisen-Kupfer-Phosphor-Legierungen (FeCuP) – demonstrierten. Aufgrund der REACH-kritischen Einstufung von Cobalt und dessen begrenzter Verfügbarkeit wurde auf eine vertiefte Erforschung cobaltbasierter Legierungen verzichtet. In anschließenden Analogieversuchen wurde das Einsatzverhalten einzelner Schleifsegmente mit deterministischer Kornanordnung untersucht, wobei besonderes Augenmerk auf den Einfluss des Korn-Bindungsinterfaces auf Verschleiß und Performance gelegt wurde. Die vielversprechendsten Bindungssysteme bildeten die Grundlage für die Herstellung erster Prototypen. Tests mit kurzen Seilschleifwerkzeugen offenbarten jedoch, dass Werkzeuge mit cBN-Schleifkörnern praktisch nicht schärfbar waren und eine deutlich geringere Produktivität im Vergleich zu konventionellen Referenzwerkzeugen aufwiesen, was auf das spröde Bruchverhalten der kristallinen cBN-Körner zurückzuführen war. Diamantbestückte Werkzeuge in kompatiblen Bindungen erreichten dagegen eine vergleichbare Produktivität, wobei gleichzeitig eine deutliche Reduktion der Vibrationen während des Einsatzes festgestellt wurde. Für die Validierung unter realen Bedingungen wurden Prototypen mit Diamantkorn in industriell relevanten Seillängen gefertigt und sowohl auf der Portalsäge des IFW als auch bei den Projektpartnern erprobt. Die Ergebnisse zeigten, dass die deterministisch besetzten Werkzeuge in reinem Baustahl eine leicht verringerte Produktivität im Vergleich zu einschichtigen Referenzwerkzeugen aufwiesen, während sie im Stahlbeton eine vergleichbare Leistungsfähigkeit erreichten. Besonders hervorzuheben ist die signifikant längere Standzeit der neuen Werkzeuge, die auf die gleichmäßigere Kraftverteilung und reduzierte Vibrationsneigung zurückzuführen ist. Diese Eigenschaften verringern nicht nur die Belastungsspitzen für das Werkzeug, sondern erhöhen auch die Sicherheit für den Maschinenbediener, da das Risiko von Seilrissen und damit verbundenen Unfällen sinkt. Abschließend konnte nachgewiesen werden, dass die Fertigungskosten der im Siebdruckverfahren hergestellten Seilschleifwerkzeuge mit denen klassischer Herstellungsmethoden vergleichbar sind. Mit dem Projekt SiebSeil ist somit ein wichtiger Fortschritt in der Seilschleiftechnik gelungen, der sowohl wirtschaftliche als auch sicherheitstechnische Vorteile bietet. Die entwickelten Prototypen eignen sich besonders für den Einsatz in Bau- und Rückbauszenarien, wo Effizienz, Langlebigkeit und reduzierte Schwingungsbelastung entscheidende Faktoren darstellen. Die deterministische Anordnung der Schleifkörner trägt maßgeblich dazu bei, die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Werkzeuge zu steigern und gleichzeitig die Betriebssicherheit zu erhöhen.