Hart auf Draht

Mit finiten Elementen lassen sich Walzprozesse simulieren und optimieren. Zwischen den großen Stützwalzen aus Stahl (blau), den Arbeitswalzen aus Keramik (orange) und dem Draht (rot) treten hohe Kräfte auf. <br> <br>© Fraunhofer IWM <br>

Drähte werden an allen Ecken und Enden der Welt gezogen. Doch werden sie nicht nur gezogen, sondern häufig gewalzt. Wesentlich härter als Metalldrähte und -bänder müssen die Walzen sein, die ihnen die gewünschten Abmessungen oder ein Profil verleihen. Das wichtigste Merkmal der dafür verwendeten Stähle und Hartmetalle wie Wolframkarbid ist deren Verschleißbeständigkeit. Denn möglichst lang sollen die Walzwerke mit bis zu zehn Metern pro Sekunde einen Draht gleichbleibend hoher Qualität ausspucken. Was liegt da näher, als Walzen aus verschleißfesteren Keramiken – wie etwa Siliciumnitrid – herzustellen? Weitere Vorteile dieses harten Materials gegenüber Stahl: Es hält höhere Temperaturen aus (Draht wird oft heiß gewalzt), haftet nicht so stark am Walzgut und ist leicht. Der Nachteil höherer Kosten wird durch die mehrfach verlängerte Standzeit des Werkzeugs wieder ausgeglichen.

»Ganz so einfach ist es nicht«, weiß Dr. Andreas Kailer vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM aus Erfahrung. »Sonst würden wir in Freiburg keine aufwendigen numerischen Simulationen durchführen. Damit optimieren wir einerseits den Sinterprozess der Keramik, um riss- und spannungsfreie Walzen zu erhalten. Andererseits hilft uns der Computer, den Walzprozess selbst besser zu verstehen. Denn messtechnisch sind die bei der Verformung des Drahtes im Walzspalt auftretenden Kräfte kaum zugänglich.«

Auf reale Versuche kann dennoch nicht verzichtet werden, und dazu bauten die Wissenschaftler einen Walzprüfstand. Dabei geht es um Fragen wie: In welcher Weise hängt der Verschleiß der keramischen Oberfläche mit ihrer Festigkeit und Rauheit zusammen? Wie beeinflusst dies das Anhaften des gewalzten Metalls? Welche Verfahren der Oberflächenbearbeitung bieten sich für die Keramiken an? Wie lässt sich der Verbrauch von Kühlschmierstoffen reduzieren?

Viele solcher Fragen sind nach einem Jahr Projektlaufzeit bereits gelöst. Nun sind die Forscher auf Draht, denn es steht eine entscheidende Phase bevor: Die ersten Keramikwalzen müssen bei den kooperierenden Unternehmen den Härtetest bestehen. Die dort gewonnenen Erfahrungen werden dazu dienen, Keramiken und Walzprozesse weiter zu verbessern.

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Dr. Andreas Kailer Mediendienst

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