Werkzeugbau – Hereingeforscht – Forschung an der Hochschule Schmalkalden

Der Mensch im Mittelpunkt. Die Innovationen im Werkzeugbau zwischen Ökonomie und Ökologie

Oktober 11, 2024Oktober 11, 2024admin

Automatisierung, Digitalisierung, Künstliche Intelligenz: Die Herausforderungen des Maschinen- und Werkzeugbaus waren in den letzten Jahren durchaus mannigfaltig. Aber dies waren bei Leibe nicht die einzigen Aufgaben: Die Nachhaltigkeit gewinnt immer mehr an Bedeutung, und der Maschinen- und Werkzeugbau muss sich im Spannungsfeld zwischen Ökonomie und Ökologie verorten. Gleichwohl wäre es falsch, diese Spannung als ein Gegeneinander aufzufassen, vielmehr kann und sollte der Druck als Initial für innovative Veränderungen aufgenommen werden, so ein Kredo des jüngsten Praxisforum Werkzeugbau des Verbands Deutscher Werkzeug- und Formenbauer (VDWF) und der WBA Aachener Werkzeugbau Akademie an der Hochschule Schmalkalden.

Das Motto des Tages mit seinem umfänglichen Programm war: „Der Mensch steht im Mittelpunkt. Die Bedürfnisse von Menschen, ihr Komfort und ihre Interessen sind ein antreibender Motor der Innovationskraft des Maschinen- und Werkzeugbaus in seinen verschiedenen Facetten. Den Alltag bequemer zu machen zählt hier ebenso dazu wie Produkte besser und ökologischer sowie kostengünstig und daher allgemein verfügbar anzubieten. Um diese Ziele zu erreichen, können Instrumente wie die Künstliche Intelligenz helfen.

Die Nachhaltigkeit erhielt in den letzten Jahren mehr und mehr Bedeutung. Gerade weil der Klimawandel und seine Folgen immer deutlicher zutage treten und ins gesellschaftliche Bewusstsein rücken, richten sich Forderungen an die Politik und die Wirtschaft. Allerdings trifft diese Entwicklung den Maschinen – und Werkzeugbau keineswegs unvorbereitet: Der sorgsame Umgang mit Materialien, Rohstoffen und Energieträgern war schon immer geboten und ein wichtiger Aspekt von Entwicklungen und Innovationen, von Hochschulen angewandter Wissenschaften, forschenden Unternehmen und ihren gemeinsamen Kooperationsprojekten.

Gastgeber der Veranstaltung war die Angewandte Kunststofftechnik der Hochschule Schmalkalden, wobei Prof. Dr. Thomas Seul, Inhaber der Professur für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion an der HSM und Präsident des VDWF, auch die Aufgabe der Begrüßung übernahm. Hier griff er das Motto „Der Mensch steht im Mittelpunkt“ auf und machte zugleich deutlich, dass auch die Studiengänge Menschen, also engagierte und interessierte Studierende, bräuchte. Um all die technologischen, ökonomischen und ökologischen Herausforderungen angehen zu können, bedarf es gut ausgebildete Problemlöser: Gerade anwendungsnahe ingenieurwissenschaftliche Studiengänge wie die Kunststofftechnik vermitteln im Rahmen des Bachelor- und Masterstudiums Fertigkeiten und Fähigkeiten, die die zukünftigen Ingenieure und Ingenieurinnen in die Lage versetzen, innovative Antworten auf komplexe Herausforderungen zu finden.

Innovationen, Rezyklate und ökologische Potentiale

Die thematische Ausrichtung der Treffpunkte wechselt mit dem Ort der Veranstaltung, und in Schmalkalden steht traditionellerweise der Spritzguss im Fokus. In den verschiedenen Vorträgen des Tages wurden unterschiedliche Aspekte der Nachhaltigkeit verhandelt: Die Frage war unter anderem, wie wir Rezyklate optimal nutzen, Kreisläufe schließen oder den Energiebedarf gemäß ökologischer Imperative decken können.

Den Anfang machte Frank Schockemöhle von dem Unternehmen Pöppelmann, der sich mit dem Thema «Reduzierung der Treibhausgasemission durch Einsatz von Rezyklaten» befasste. Das Familienunternehmen aus Lohne hat eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft ihrer Produktion und Produkte ins Visier genommen und eine mehrstufige Strategie zur Umsetzung konzipiert. Es versteht sich von selbst, dass der Lebenszyklus von Kunststoffen maximiert werden sollte, werden diese Materialien doch in aufwändigen Verfahren gewonnen. Ein Ansatz ist dabei, Kunststoffe zu recyceln und wieder in den Kreislauf zu überführen, wobei auch die EU den Unternehmen aufgibt, entsprechende Mengen an postconsumer-Material, das in anderen Worten schon einmal genutzt wurde, einzubringen. Probleme sind dabei der Aufwand der Aufbereitung und die eingeschränkten Möglichkeiten der Wiederverwendung. Die Wiederverwertung wird umso aufwändiger, je mehr Materialien, also unterschiedliche Kunststoffe oder andere Materialien wie Papier und Metall Verwendung finden. Etiketten oder die Aluminiumdeckel bei Joghurtverpackungen sind hier bekannte Beispiele. Je sortenreiner also ein Objekt ist, umso einfacher die Wiederverwertung: Wichtig ist, dies schon beim Produktdesign selbst zu bedenken. Zum anderen Problem: Zum einen eignen sich natürlich Rezyklate nicht für alle Anwendungen, bleiben doch zumeist Restbestände an farblichen und olfaktorischen Beimengungen. Viele andere Bereiche, in denen zum Beispiel kein direkter Kontakt mit dem Produkt besteht, könnten Rezyklate verwendet werden, dürfen es aber aufgrund der momentanen Gesetzeslage nicht. Hier gäbe es also Stellschrauben. Durch ein konsequentes Design for recycling und eine Anpassung bestimmter Normen ließen sich die Treibhausgasemissionen noch weiter senken. Andere Wege zur Senkung von Emissionen sind die Reduzierung des Materials und die Etablierung echter Kreislaufsysteme von Rohstoffen.

Die Aachener Werkzeugbau Akademie (WBA) ist in den Feldern Beratung, digitale Lösungen, Weiterbildung und Forschung speziell für den Werkzeugbau aktiv. Dr. David Welling, der Geschäftsführer der WBA, arbeitete in seinem Vortrag „Der öko-effektive Werkzeugbau – ökologisch notwendig und ökonomisch erfolgreich “ den Nutzen von Nachhaltigkeitsinitiativen heraus. Zunächst ging es ihm um eine Bestandsaufnahme der gegenwärtigen Situation des Werkzeugbaus, die sich nicht anders als eine multiple und anhaltende Krise bezeichnen lässt. So träfe eine Strategie- auf eine Erfolgskrise, woraus am Ende eine Liquiditätskrise folgen könne. Die Krisenhaftigkeit zeige sich auch an wichtigen Indikatoren wie einer sinkenden durchschnittlichen Marge, einer stagnierenden Wertschöpfung pro Mitarbeitenden und einer sinkenden Quote von Aufträgen ohne Budgetüberschreitung (ab 2019). Neben die ökonomischen Herausforderungen träten nun noch ökologische, wobei Dr. David Welling dafür plädierte, beide Aspekte gemeinsam zu lösen. Der ökologische Druck besteht nicht nur aus der Selbstverpflichtung der EU zur Klimaneutralität und den entsprechenden Maßnahmen, sondern auch aus den Strafen für nichtgemeldete CO2-Emissionen, Berichtspflichten und Nachhaltigkeitsanforderungen. Der Ansatz der Öko-Effektivität zielt darauf, Herausforderungen auf beiden Feldern mit einer Lösung zu begegnen, also beides zusammenzudenken und produktiv zu nutzen. Zum Beispiel regen die hohen Energiekosten zu einem noch effizienteren Produzieren an, was wiederum die Treibhausgasemissionen senkt.

Karosserien und Schäume

Klaus Sammer, Leiter Werkzeugbau, Instandhaltung und Vorentwicklung der Leichtmetallgießerei, und Thomas Kopp gaben einen Einblick in die Entwicklungen beim Karosseriebau bei BMW Landshut: Bei dem Karosseriebau war die Herausforderung schon immer, komplexe und zugleich große Bauteile effizient herzustellen. Das Verfahren des Aluminium-Druckgusses wurde hierbei immer mehr verfeinert: Die in Landshut vor Kurzem entwickelte Mehrplatten-Technologie[i] erlaubt, bei der Konstruktion der Komponenten den Primat von der Optimierung des Fließwegs hin zur Funktionalität zu verlegen. Zugleich lassen sich so Material und Gewicht einsparen, was wiederum zu Einsparungen bei den Emissionen führt. Eine weitere Herausforderung, vor die in der momentanen Lage vermutlich alles Gießereien und Schmelzen stehen, sind die hohen Energiekosten. Durch diesen Druck bietet sich eine Umstellung auf nachhaltige Rohstoffe wie Solarenergie und grünen Wasserstoff an, was wiederum dem Ansatz der Öko-Effektivität entspricht. Natürlich entstehen wiederum Folgeprobleme wie unterschiedliche Temperaturen beim Verbrennen, die Korrosion durch das anfallende Wasser und höheren Verbräuche im Vergleich zum Erdgas: Aufgabe ist es dann, Erfahrungen mit den neuen Verfahren zu sammeln und Lösungen für eventuelle Probleme zu finden. Auch die Elektromobilität ist in diesem Sinne eine Herausforderung, die zu Innovationen anregt: Die Karosserien müssen nun noch komplexer werden und mehr Funktionen integrieren, was wiederum neue Verfahren ihrer industriellen Produktion verlangt. Die Serienfertigung zieht zudem weitere Anforderungen von der Kosteneffizienz bis hin zur Klimabilanz nach sich. Das jüngst vorgestellte „Injector Casting“[ii] Verfahren der Leichtmetallgießerei aus Landshut könnte eine innovative Lösung sein.

Eine andere innovative Möglichkeit zur Einsparung an Material im Kunststoffspritzguss ist das Schäumen. Neben diesem Aspekt bietet dieser Ansatz auch andere Vorzüge, auf die Uwe Kolshorn vom Kunststoff-Instituts Lüdenscheid in seinem Vortrag „Die <andere Denke> beim Kunststoffschäumen – geringere Drücke, Aluwerkzeuge und längere Fließwege, was will man mehr!?“ hinwies. Zunächst sind Schäume keine komplett neuen Bauformen, sondern orientieren sich an den zellularen Formen der Natur. Zugleich ist Schaum nicht gleich Schaum: Verschiedene Materialien und Herstellungsverfahren führen zu unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten. Die grundsätzlichen Vorteile des Schäumens beim Spritzguss sind die geringere Viskosität des Materials (Zähflüssigkeit) und der Verzicht auf den Nachdruck, entsteht der Druck doch im Inneren – eben durch das Aufschäumen. Somit werden unter anderem eine schnellere Füllung und niedrigere Temperaturen des Materials und des Werkzeugs, möglich. Wichtig ist es, bei der Konstruktion der Komponenten bereits die Charakteristika des Schaums im Blick zu haben und die gebotenen Vorteile zu nutzen. Zugleich hat die Verwendung von Schaum auch gewisse Nachteile, mit denen umgegangen werden muss. Beispiele sind die typischen Randausprägungen in Kissenform oder Schlieren auf der Oberfläche. Je nach Anwendungssituation lassen sich hier unterschiedliche Lösungsansätze finden.

Unternehmensführung bei Formconsult in Schmalkalden

Bewegte Zeiten

Christen Merkle, Geschäftsführer von AHP Merkle, zeichnete in einem lebendigen Vortrag mit dem Titel „Was mich bewegt.“ ein Bild der Situation, in der sich kleine und mittlere Unternehmen wie der Spezialist für Zylinder aus dem baden-württembergischen Gottenheim momentan befinden. Neben der schwierigen Lage der Wirtschaft beschäftigen die Unternehmer der schlingernde Kurs der Politik und der Wandel gesellschaftlicher Einstellungen. Unternehmerische Entscheidungen, zum Beispiel Investitionen, brauchen aber langfristige Planbar- und Verlässlichkeit der Rahmenbedingungen, zum Beispiel der Wirtschaftspolitik. Hier gebe es, vorsichtig formuliert, Verbesserungspotentiale. Die Krisenhaftigkeit der Zeit und die Strukturprobleme wie der Fachkräftemangel beiseite präsentierte sich Christen Merkle als leidenschaftlicher, in der Region verwurzelter Familienunternehmer, der sich seiner sozialen und ökologischen Verantwortung bewusst ist. Ein Beispiel der Vorzüge einer solchen langfristigen Orientierung zeigte sich in der Pandemie: Merkle verzichtete auf Maßnahmen wie Kurzarbeit und setzte auf Forschung und Entwicklung, von der das Unternehmen nun mir erfolgreichen Produkten profizieren kann.

Den letzten Input gab dann Stephan Hoffmann, Geschäftsführer der Formconsult Werkzeugbau GmbH aus Schmalkalden, dessen Vortrag in eine Firmenbesichtigung mündete. Das Unternehmen stellt hochpräzise Werkzeuge her und hat sich auf Mehrkomponenten- und Zweifarbentechnik spezialisiert. Der innovative Werkzeugbau beruhe auf drei Säulen, wobei die Entwicklung, Konzipierung und die Simulierung erste Säule wäre. Neben der Kooperation mit Partner wie der HSM und der GFE sorge hierbei auch die Unterstützung von Start-Ups für die Freisetzung innovativer Potentiale. Die zweite Säule besteht im Werkzeugbau selbst, seiner Spezialisierung und der Fertigung. Aspekten der Nachhaltigkeit könne hier genüge getan werden, indem bei den Produktionsstätten auf Energieeffizienz und die Nutzung erneuerbarer Energien – wo möglich – zurückgegriffen werde, sei es durch Solarpanels oder die Klimatisierung über hocheffiziente Wärmepumpen. Die dritte und letzte Säule ist das Technikum, was der Qualitätssicherung dient. Bemusterung, Vermessung und u.a. die Dokumentation sollen neben einer beständigen Zertifizierung die Qualität der Produktion und der Produkte garantieren.

Gruppenbild im Foyer des Hauptgebäudes (© Fabian Diehr/wortundform)

Das Resümee der Veranstaltung legt einen Blick auf den Anfang der Veranstaltung nahe, also die Begrüßungsworte von Prof. Thomas Seul: Sein Plädoyer war die konstruktive Zusammenarbeit von Hochschulen für angewandte Forschung und Unternehmen. Durch diese Kooperation könnte die Expertise der akademischen Forschungsbereiche genutzt werden und so letztlich beide Seiten profitieren. Eine andere Möglichkeit der Zusammenarbeit sind übergreifende Netzwerktreffen wie das Praxisforum, das von Partner aus der Wirtschaft (FDU Hotrunner, HoliMaker, Meusburger, Moulding Expo, Partool und Process Garding) gesponsert und somit in dieser Ausrichtung dankenswerterweise möglich gemacht wurde.

PS: Der Bericht zum vorherigen VDWF-Treffpunkt Werkzeugbau

[i] https://www.aluminium-journal.de/druckguss-bmw-setzt-auf-mehrplatten-werkzeugtechnik

[ii] https://www.bmwgroup-werke.com/landshut/de/aktuelles/2023/erster-guss-in-neuer-high-tech-leichtmetallgiesserei.html

Drucken mit Licht – Über die Potentiale der Fotolithografie

Mai 23, 2024Mai 23, 2024admin

Um immer kleinere und effizientere Mikrochips produzieren zu können, müssen permanent neue Wege beschritten und Technologien erforscht werden. Gegenwärtig sind es spezielle Verfahren der Fotolithographie, in welchem Halbleiter mit Hilfe von extremem ultraviolettem Licht hergestellt werden, die entscheidende Potentiale versprechen. Auch wenn der technische Aufwand dieser Methode immens ist und eine lange Zeit der Forschung und Entwicklung bedurfte, bietet sie enorme Chancen für die Fertigung von hochkomplexen Bauteilen. An der Hochschule Schmalkalden will sich Professor Christian Rödel, vor kurzem auf die Professur für Physik und angewandte Lasertechnik berufen, diesem Gebiet in Forschung und Lehre widmen.

Um den praktischen Nutzen der Mikroelektronik und die Fortschritte der letzten Dekaden erkennen zu können, genügt ein Blick in unsere Hosentaschen: Auch wenn die Smartphones mittlerweile aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken sind, ist es doch erstaunlich, was die kleinen Geräte gerade im Hinblick auf ihren noch jungen Ursprung vermögen. Da der technische Fortschritt ein stetiger Prozess der Innovation ist, sucht die Mikroelektronik weiter nach Mitteln und Ansätzen, Bauteile zu verkleinern bzw. komplexer gestalten zu können. Ein Weg dahin sind fotolithographische Methoden, bei denen Chips mit Hilfe von Lasern fotolithografisch hergestellt werden. Einerseits bieten sich im Rückgriff auf das extreme ultraviolette Licht spezifische Vorteile gerade für die Miniaturisierung elektronischer Bauteile, andererseits haben diese Verfahren in ihrer Anwendung hohe technische und praktische Voraussetzungen.

Die Forschung in diesem Bereich wurde in letzten Dekaden vor allem durch ein Unternehmen aus den Niederlanden vorangetrieben: Vor nunmehr dreißig Jahren begann hier die Erforschung der technischen Grundlagen und führte zur Entwicklung einer Apparatur, die heute zu den komplexesten und teuersten Systemen gehört und die ASML zu einem der wertvollsten Unternehmen der Welt gemacht hat. Der Vorsprung im Bereich von Forschung und Entwicklung, den sich ASML erarbeitet hat, beruht auf einer langfristigen Spezialisierung, die selbst noch die Zulieferfirmen umfasst. Im Moment ist nur diese Firma in der Lage, Anlagen herzustellen, die Fotolithographie mit extremem ultraviolettem Licht verwenden. Die Produktion modernster Chips ist in der Folge von diesem einen Anbieter abhängig, was letztlich sogar geopolitische Komplikationen nach sich zieht.[1]

Schreiben mit Licht

Lithographie ist ursprünglich ein Flachdruckverfahren, was meint, dass der Druck nicht über eine vertieft oder erhaben gearbeitete Zeichnung auf der Druckplatte erfolgt, sondern die druckenden und nichtdruckenden Partien auf einer Ebene liegen. Die Maske wird hierbei durch eine Versiegelung der Steinplatte aufgetragen, wobei das Prinzip auf der Unmischbarkeit von Fett und Wasser basiert. Während die druckenden Partien die fettreiche Druckfarbe aufnehmen, werden die nichtdruckenden Stellen mit einem Wasserfilm befeuchtet und stoßen die Druckfarbe ab. Im Falle der Fotolithographie wird dieses Prinzip durch Licht und lichtreaktive Substanzen umgesetzt. Kurz gefasst wird eine hauchdünne Siliziumscheibe, Wafer genannt, mit einem Licht-empfindlichen Fotolack beschichtet und anschließend mittels einer kurzzeitigen Strahlung über eine Maske belichtet, wodurch sich die Chemie des Lacks verändert und die Muster übertragen werden. Durch Wiederholung dieses Prozesses entstehen komplexe 3-dimensionale Strukturen – die Mikrochips. Auch wenn dieses Verfahren schon eine längere Zeit eine übliche Methode in der Herstellung von Microchips war, verändern sich durch die EUV-Lithographie die Rahmenbedingungen und Möglichkeitsräume.

Der Grad an Präzision, den diese Maschine verlangen, lässt sich fast nur in der Prosa von Superlativen Ausdruck verleihen. Ein Beispiel: Die Laser sind so genau, dass sie es erlauben würden, von der Erde aus eine Münze auf der Mondoberfläche zu treffen. Es geht hier darum, komplexe elektronische Bauteile im Nanometerbereich zu bauen, wobei sich verschiedene physikalische und optische Herausforderungen kombinieren. Um sich die Größenordnung auch nur annähernd vorstellen zu können: Wir sprechen hier von dem Tausendstel eines menschlichen Haars. Hier wurde nun das Licht selbst zum Problem: Um auf dieser Ebene arbeiten zu können, reicht die Qualität des Lichts der üblichen Laser aufgrund der Wellenlänge nicht aus.

In diesem Vorlesungsexperiment soll Studierenden die vergrößernde Abbildung eines Maßstabs näher gebracht werden. In der Fotolithografie wird vom Prinzip her ähnlich eine Maske auf einen Siliziumwafer mit Fotolack abgebildet.

Das Unsichtbare nutzbar machen

Warum also der Rückgriff auf das extreme ultraviolette Licht? Licht ist bekanntlich eine elektromagnetische Welle und besitzt charakteristische Wellenlängen, die wiederum die Bedingungen ihrer Anwendung vorgeben. Kürzere Wellenlängen lassen das Schreiben kleinerer Strukturen zu, pointiert formuliert. Um ein lebenspraktisches Beispiel zu bemühen: Auch wenn sie von identischer Größe sind, unterscheidet sich der Wellenlängenbereich der schreibenden und lesenden Laser von CD´s und Blu-Ray´s, wodurch vielmehr Daten auf das BD-Medium geschrieben werden können. Das ultraviolette Licht, das außerhalb der menschlichen Wahrnehmbarkeit liegt – außer indirekt im Falle des Sonnenbrandes –, hat eine sehr niedrige Wellenlänge. Extremes ultraviolettes Licht hat eine Wellenlänge von 13,5 Nanometer und liegt damit weit außerhalb des Bereichs menschlicher Perzeption. Dieses extrem ultraviolette Licht wird benötigt, um die Miniaturisierung voranzutreiben und kleinere Strukturen und Integrationsdichten in einer Größenordnung von unter 15 Nanometer realisieren zu können.

Um mit diesem Licht arbeiten zu können bedarf es allerdings einiger Vorkehrungen: Da dies Licht sehr leicht absorbiert wird, muss die gesamte Belichtung mit EUV-Strahlung im Vakuum vollzogen werden. Zudem können keine Linsen verwandt werden, wie es üblicherweise mit Lasertechnologien in Verbindung gebracht wird, vielmehr funktioniert die Bündelung des Lichts über hochpräszise Spiegel, deren Herstellungsprozess für sich schon höchst anspruchsvoll ist.

Auch wenn die Forschung an der Nutzung des extremen ultravioletten Lichts schon länger weilte, gelang erst Mitte des letzten Jahrzehnts ein entscheidender Durchbruch: Indem man flüssiges Zinn als Lichtquelle nutzen konnte, wurde die Schwelle zur Massenproduktion überschritten, durch die sich die Anschaffung einer solchen Maschine überhaupt erst lohnt. Das Zinn wird dabei als Tropfen in der Maschine mit einem Laserpuls beschossen, wodurch die Kugel die Form eines Eierkuchens annimmt. Im Anschluss wird das Zinn von einem stärkeren Laserpuls nochmals beschossen, wodurch dann das EUV-Licht entsteht und über verschiedene Spiegel zur Maske und dann zum Wafer geführt wird. Erst durch dieses Verfahren wurde die Produktion von Computerchips in Masse möglich und die EUV-Lithographie rentabel. Im Angesicht der Preise der Apparaturen zwischen 185 und 360 Millionen Euro muss sich die Anschaffung lohnen. Daher bedarf es eines hohen Outputs und einer verlässlichen Produktion, was wiederum die beständige Weiterentwicklung nahezu aller Komponenten der Maschine umfasst.

Partnerschaften, Forschung und Lehre

In Anbetracht der Komplexität dieser Technologie lässt sich erahnen, wie viele Wissenschaftlter:innen an ihrer Erforschung beteiligt waren und nunmehr damit beschäftigt sind, sie weiter zu verbessern. Zugleich macht die Komplexität eine Konzentration notwendig. An der Hochschule Schmalkalden möchte sich Prof. Christian Rödel mit der spektralen Charakterisierung von EUV-Quellen und Komponenten beschäftigen, die in der EUV-Lithografie eingesetzt werden können. Das sind zum einen dünne Filterfolien, aber auch EUV-Spiegel, die aus vielen Nanometer-dünnen Schichten bestehen.

Um Komponenten testen und optimieren zu können, die in der EUV-Lithographie und der Inspektion eingesetzt werden, wurde an der an der Hochschule Schmalkalden, gefördert durch Mittel der Carl-Zeiss-Stiftung, das Projekt EUV-4-LITHO ins Leben gerufen. Mit Unterstützung von Kooperationspartnern aus der Region bis ins europäische Ausland wird Professor Rödel und sein Team ein hochauflösendes EUV-Spektrometer entwickeln, mit dem sich die Vielschichtsysteme der Spiegel und ihre Eigenschaften der Reflektivität mit bisher unerreichter Präzision vermessen lassen.

Das Reflexionsgitter aus dem Vorlesungsexperiment spaltet das weiße Umgebungslicht in die spektralen Bestandteile auf. Im Projekt EUV-4-LITHO soll ebenso ein Reflexionsgitter eingesetzt werden, um die EUV-Strahlung spektral zu charakterisieren.

Auch wenn die EUV-Lithografie eine innovative Technologie der Gegenwart ist, lassen sich hier Forschung und Lehre verbinden. So entstand zum Beispiel im Projekt EUV-4-LITHO bereits eine Masterarbeit und es wurde eine Exkursion zum DESY, dem Deutschen Elektronen-Synchrotron, unternommen, um hier Untersuchungen mit EUV-Strahlung von Freien-Elektronen-Lasern vorzunehmen. Neben der Lehre steht für Professor Rödel die Kooperation im Fokus seiner Arbeit an der Hochschule für angewandte Wissenschaften. Neben den mannigfaltigen Projektpartnerschaften geht es ihm auch im die konkrete Vernetzung vor Ort, zum Beispiel der Verknüpfung von Forschungsthemen des Maschinenbaus und der Elektrotechnik. Dabei liegt im auch die Präzisionsmesstechnik am Herzen, die im Maschinenbau eingesetzt wird.

[1] Wer sich über diesen Aspekt informieren möchte: Chris Miller, Chip War. The Fight for the World’s Most Critical Technology, New York 2022.

* Das Beitragsbild zeigt ein Vorlesungs- und Praktikumsexperiment, in dem die charakteristischen Linien einer Natriumdampflampe bei 589 nm mit einem Reflexionsgitter spektral untersucht werden. Eine Xenon-basierte EUV-Lichtquelle soll an der Hochschule Schmalkalden entwickelt werden, die in ähnlicher Weise bezüglich des Spektrums bei 13,5 nm untersucht werden soll.

Die Verbindung von Technologie, Ökonomie und Ökologie – Die 15. Schmalkalder Werkzeugtagung

Februar 1, 2024Februar 1, 2024admin

Wie viele andere Bereiche auch ist der Werkzeugbau eine eigene Welt. Zuerst muss natürlich geklärt werden, um was es überhaupt geht: Der Werkzeugbau ist ein Teilbereich des Maschinenbaus, der sich mit der Herstellung von Werkzeugen, zum Beispiel Fräswerkzeugen für die industrielle Produktion, befasst. Dieser Arbeitsbereich erstreckt von verschiedenen Verfahren über unterschiedliche Schneidstoffe, also Materialien der Werkzeuge, bis hin zu Fragen unterschiedlicher Beschichtungen. Einen Eindruck in diesen für sich facettenreichen Bereich konnte man vor Kurzem im Rahmen der „15. Schmalkalder Werkzeugtagung“ am 8. und 9. November 2023 erhalten, die als Kooperation der GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V., des Fachverbands Präzisionswerkzeuge im VDMA und der Hochschule Schmalkalden an eben dieser Hochschule stattfand und zu einer der größten Veranstaltungen dieses Bereichs zählt.

Prof. em. Dr. Konrad Wegener | ETH Zürich

Im Fokus stehen also hochpräzise und zugleich robuste Werkzeuge der industriellen Zerspanungstechnik. Unter das Zerspanen fallen verschiedene Verfahren wie das Drehen, Fräsen und Schleifen, die Werkstücke in eine bestimmte Form bringen. Als beispielhafte Vereinfachung für das Verständnis des Fräsens bietet sich das Bild von Bohrwerkzeugen an, wie wir sie alle aus unseren Bohrmaschinen kennen. Auch wenn wir dabei die Erfahrung unterschiedlicher Qualitäten dieser Werkzeuge sammeln können und sich die Schärfe und der Verschleiß verschiedener Typen nicht unwesentlich unterscheidet, ist der Grad an Belastung in der Produktion der seriellen Industrie um einiges höher.

In Bereichen der Automobil- oder auch Flugzeugproduktion geht es um enorme Stückzahlen und hocheffiziente, optimierte Fertigungsprozesse, in denen der Ausfall oder der Austausch von Werkzeugen hohen Aufwand und hohe Kosten verursachen. Die hier verwandten Werkzeuge müssen also präzise wie verlässlich arbeiten und zugleich robust sein. Hier kann nun die Forschung ansetzen und die Industrie unterstützen: In der Erforschung neuer Methoden und Materialien kann die Funktionsweise optimiert und der Verschleiß minimiert werden, wodurch nicht nur die Produkte besser, sondern auch die Fertigungsprozesse effizienter werden.

Verschiedene Wege, ein Ziel

Moderne Produktionsverfahren sind hochkomplex, was Ansätze der Forschung zugleich kompliziert und diversifiziert: Kurz gesagt kann es den Forschenden nunmehr nur um kleine Bereiche gehen, auf die sie sich spezialisieren. Tagungen haben die Aufgabe, neben einer Leistungsschau der Fähigkeiten und der Vorstellung innovativer Projekte und Ansätze die verschiedenen Bereiche in Kontakt und Austausch über die aktuellen Themen und Herausforderungen ihrer Gebiete zu bringen.

Die Werkzeugtagung wurde nach den Grußworten von einem Vortrag über die Vorzüge des Einsatzes von Lasertechnik anstatt von Zerspanwerkzeugen zur Herstellung von Umformwerkzeugen. Diese Technik ist im Bereich des Werkzeugbaus noch wenig verbreitet, so dass es nun zunächst darum geht, die möglichen Potentiale und Konditionen der Verwendung zu klären. Wie alle Fertigungsverfahren hat auch dieses einen speziellen Einsatzbereich, in dem es sinnvoll ist, auf diese Technik zurückzugreifen. Gerade wenn es um die Herstellung enorm kleiner, filigraner Formelemente geht, bei denen selbst spezielle Mikrofräsmaschinen kaum mehr arbeiten kann, bietet sich der Laser als Alternative zur Zerspanung an. Diese Richtung, der Sinnhaftigkeit und Nutzbarkeit verschiedener Ansätze für unterschiedliche Zwecke prägte die Tagung.

In diesem Sinne wurde auch der Dissens zwischen additiven und subtraktiven Verfahren als letztlich wenig produktiv bei Seite geschoben: Es kann nicht darum gehen, jenes eine, universell anwendbare Herangehen zu finden, den klassischen Stein der Weisen, sondern die Vorzüge und Nachteile unterschiedlicher Methoden für verschiedene Zwecke zu verstehen. Gerade bei hochkomplexen Werkzeugen, die in eher überschaubaren Mengen produziert werden, ist der Rückgriff auf Verfahren wie den 3D-Druck sinnvoll. Dagegen lassen sich hohe Stückzahlen zu geringen Kosten durchaus mit den etablierten Zerspanverfahren realisieren. Letztlich nimmt also kein Teilbereich einem anderen etwas weg, vielmehr ergänzen sie sich in den verschiedenen Herausforderungen der Anwendungsfelder.

Impulse

Auch wenn die Welt des Werkzeugbaus eine eigene ist, so steht sie doch in Kontakt mit der Außenwelt und ihren Entwicklungen. Im Fokus der Tagung standen auch die Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Künstlicher Intelligenz: Aus Sicht der Praxis ist es weder möglich, auf die Verbesserungen digitaler Lösungen in toto zu verzichten, noch in einen naiven Lobgesang einzufallen, der in der Künstlichen Intelligenz ein Allheilmittel sieht. Die Digitalisierung und die Künstliche Intelligenz bieten im Werkzeugbau und der Optimierung der Produktion nützliche Verbesserungen, die es den verantwortlichen Personen einfacher machen. Genau hier gilt es Mittel und Wege zu finden, die neuen Techniken adäquat zu nutzen und sie in die lernenden Prozesse der Produktion einzubinden.

Eine weitere durchschlagende Veränderung ist der Anspruch der Nachhaltigkeit, der sich in unserer Gegenwart auch dem Maschinenbau als Herausforderung stellt. Diese Aufgabe ist für die Ingenieure aber keinesfalls das sprichwörtliche Neuland, ging es doch schon immer darum, mit Ressourcen wie Rohstoffen und Energie schonend umzugehen und den Verbrauch und damit die Kosten zu minimieren. In die Zukunft gedacht sind es Maschinen- und Werkzeugbauer, die technische Lösungen finden müssen, wie wir unsere Standards der Produktion halten und zugleich die Gebote der Nachhaltigkeit konsequenter umsetzen können. Wieder ist es kein Gegen-, sondern ein Miteinander, was sinnvoll und erstrebenswert ist.

Zusammen // Arbeiten

Der Austausch verschiedener Perspektiven wurde im Rahmen der Tagung in den Vordergrund gerückt. Wie wir schon verdeutlichten, gibt es zu verschiedenen Ansprüchen des Werkzeugbaus ganz unterschiedliche Lösungsansätze, ebenso in Hinsicht von den Werkstoffen wie den Verfahren der Fertigung und vieles mehr. Auch die Anforderungen der forschenden Ingenieur:innen und die Perspektiven der produzierenden Gewerbe sind nicht unbedingt deckungsgleich, sie können sich aber über ihre jeweiligen Herausforderungen und Konditionen austauschen. Die verschiedenen Affiliationen der über 150 Referenten und Tagungsteilnehmer wurden während den Veranstaltungen also zur jeweiligen Erweiterung der Perspektive produktiv genutzt.

Auch die Organisation der Tagung nahm sich als eine Kooperation verschiedener Institutionen aus. Professor Andreas Wirtz versieht dabei als Inhaber einer Tandemprofessur schon selbst eine Scharnierposition zwischen der GFE und der Hochschule Schmalkalden, ist er doch bei beiden Institutionen zur gleichen Hälfte beschäftigt. An der Hochschule hat er die Professur für Fertigungstechnik und virtuelle Prozessgestaltung inne. Neben ihm waren auch Sandy Korb von der Hochschule Schmalkalden und Sabrina König sowie Petra Preiß von der GFE Teil des Organisationsteams, das zudem durch viele helfende Hände tatkräftig unterstützt wurde.

Die Kontakte zwischen der Hochschule und der GFE bestehen also wechselseitig. So übernimmt Dr. Florian Welzel, Geschäftsführer der GFE, regelmäßig einen Lehrauftrag an der Fakultät Maschinenbau im Sommersemester, wodurch sich die räumliche Nähe der beiden Institutionen in einen kooperativen Austausch übersetzt.

Eine Tagung lebt aber nicht nur von den Inhalten und dem wissenschaftlichen Austausch, sondern auch von dem rahmenden Programm und dem Kennenlernen der Umgebung: So wurde der erste Tagungsabend von einem Besuch der Viba-Nougatwelt und einem festlichen Essen am selben Ort abgerundet. Der zweite Tag fand seinen Ausklang in einem Besuch der GFE, wobei neben einer kulinarischen Empfehlung aus der Region eine Auswahl von Ergebnissen aus dem Bereich der Forschung und Entwicklung bei einer Besichtigung vorgestellt wurden.

Die Schmalkalder Werkzeugtagung bietet neben zahlreichen Fachvorträgen viele Möglichkeiten für einen offenen Austausch zwischen Industrie, Forschung und Hochschule. Dies eröffnet allen Teilnehmenden Potenziale sowohl für eine zielgerechte, anwendungsnahe Gestaltung gemeinsamer Forschungsprojekte als auch Chancen zum Forschungstransfer.

Neue Aufgaben, neue Wege – Der VDWF-Treffpunkt Werkzeugbau an der HSM in der Angewandten Kunststofftechnik

Dezember 13, 2023Februar 21, 2024admin

Anfang letzter Woche wurde die Hochschule Schmalkalden zum Gastgeber des „VDWF-Treffpunkt Werkzeugbau“, der über 90 Gäste aus Wissenschaft, Wirtschaft und Politik trotz winterlicher Witterungsbedingungen nach Südthüringen lockte. Der Verband Deutscher Werkzeug- und Formenbauer e. V., dem mehr als 490 Mitgliederunternehmen aus ganz Deutschland angeschlossen sind, ist seit vielen Jahren Kooperationspartner der Hochschule Schmalkalden im Bereich Weiterbildung und Forschung. Neben einem wissenschaftlichen Rahmenprogramm rund um die aktuellen Entwicklungen im Werkzeugbau bot das Treffen breiten Raum für den Austausch der Anwesenden und wurde von einem Besuch der Angewandten Kunststofftechnik abgerundet.

Nach der Begrüßung durch Ralf Dürrwächter, VDWF-Geschäftsführer, und Prof. Thomas Seul, in Personalunion VDWF-Präsident und Inhaber der Professur für Fertigungstechnik und Werkzeugkonstruktion an der Hochschule Schmalkalden, ließ es sich Gerald Ullrich, Mitglied des Deutschen Bundestages, nicht nehmen, alle Teilnehmer:innen willkommen zu heißen, um mit kurzen aber verständlichen Worten aus seiner Sicht als „Spritzgießer“ und Politiker Sichtweisen und Erklärungen rund um die Branche zu vermitteln. Nach weiteren einführenden Hinweisen von Claudia Michel, welche die Geschäftsstelle des VDWF in Schmalkalden verantwortet, richtete sich der Fokus des ersten Vortrags auf die Lage der Konjunktur.

Die Branche des Werkzeug-, Modell- und Formenbaus befindet sich nach Jens Lüdtke im Wandel, wobei er negativen Momentaufnahmen langfristige positive Trends entgegenstellte. Dies sollte die Anwesenden aber nicht überraschen, befinde sich der Bereich doch beständig in Veränderung aufgrund neuer Aufgaben und Rahmenbedingungen. Veranschaulicht würde der Wandel der letzten Dekaden in dem Bild von Werkshallen, die sich von klassischen Orten der Produktion hin zu hochtechnischen, klinisch-reinen Betriebsstätten entwickeltet hätten. Die aktuelle Problemstellung ist demnach nicht die Veränderung der Situation oder der äußeren Konditionen, sondern die eigene Qualität des Anpassungsdrucks, der die Branche gerade in Hinsicht der Wirtschaftlichkeit und Kosteneffizienz vor Herausforderungen stellt. Trotz der Problematik gebe es aber verschiedene Ansätze, wie der Maschinenbau reagieren könne, neben der weiteren Effizienz sei hier auf die Menschen und die wachsende Kooperation verwiesen. Auch wenn das Bild also nicht ungetrübt sei, gebe es Antworten und mögliche Wege.

Ein anderer Vortrag widmete sich mit der Dokumentationspflicht einem eher unbeliebten Zeitvertreib der Maschinenbauer:innen. Eine gut gemachte Dokumentationspraxis erschwere aber nicht die Arbeit, sondern mache sie leichter, so das Plädoyer Dr. Mario Schuberts am Ende des Vortags. Auf die kürzeste Formel gebracht, meine Doku: „Schreibe auf, was du machst / Mache, was du aufgeschrieben hast!“ Das Ziel ist letztlich, sich selbst eine sinnvolle Selbstorganisation zu erarbeiten, einen verlässlichen Schatz an Erfahrung über die Zeit zu bewahren und zugleich anderen Mitarbeitenden zugänglich zu machen. Wenn eine Doku aktuell, klar, passend und unter anderem abgestimmt sei, könne sie helfen, das Wissen um positive und negative Faktoren der Produktion zu verallgemeinern.

Im Anschluss an den Vortagsteil wurde kurzweilig und informativ durch die modernen Technika Werkzeugtechnologie/Spritzgießen, Compoundieren, Extrusion und Additive Fertigung sowie Werkstoffanalytik geführt. Hier gab es Forschung und Wissenschaft zum Beispiel zur KI und Maschinellem Lernen zum Anfassen und Begreifen. Die vielen Eindrücke und Inhalte wurden zum Ausklang der Veranstaltung beim Netzwerken im ansprechenden Ambiente der dekorierten und atmosphärisch ausgeleuchteten Hallen des AKT abgeschlossen.