Kwaliteit verbeteren van industriële messen (QUALIKNIFE)

In de technologische industrie worden voor vele processen industriële messen gebruikt. Het gaat hierbij over snij-, knip- en ponsgereedschappen meestal vervaardigd uit hoogwaardige staalsoorten en thermisch behandeld om de sterkte en de weerstand tegen slijtage te verhogen. De levensduur van deze messen is sterk afhankelijk van de toepassing en het materiaal dat ermee gesneden wordt. Messen voor kunststof en papier ondergaan andere belastingen dan messen welke staalplaat snijden. Zo worden bv in kunststof en composieten dikwijls harde deeltjes of vezels verwerkt. Deze additieven zijn echter nefast voor de snijmessen omdat ze de slijtage verhogen. Hierdoor is een vroegtijdig herslijpen of vervanging van de messen noodzakelijk. Bij metaalproducten vormen de hoge sterkte stalen een vergelijkbaar probleem.

Dit Collectief O&O en Kennisverspreidingsproject wil een oplossing bieden door in te spelen op drie belangrijke parameters voor messen nl: het materiaal, de behandeling van het oppervlak en van de kern.

Het Materiaal – Uiteraard is de materiaalkeuze van het substraat één van de belangrijke parameters bij het gebruik van industriële messen. Nieuwe staalsoorten zoals poedermetallurgische (PM) stalen kunnen bijdragen tot de verhoging van de standtijd en oplossing bieden aan vele snijproblemen. Doch ook de daaraan gekoppelde warmtebehandeling van het substraat is minstens even belangrijk voor het eindresultaat.

Behandeling van het oppervlak –Sirris heeft in het verleden veel ervaring opgebouwd met laserbehandelingen van stalen oppervlakken zoals het laserharden van onderdelen (bvb de snijranden d.m.v. diodelasers) en het lasertextureren van oppervlakken. Bij laserharden wordt het staaloppervlak zonder enige maat- of vormverandering omgezet tot een harde laag waardoor de slijtageweerstand significant toeneemt. Recente testen van lasergeharde messen hebben meer dan een verdubbeling van de levensduur aangetoond. Naast de verhoogde hardheid van het oppervlak, zorgt het ook voor een vermindering van het kleefeffect van bijvoorbeeld kunststoffen aan het snijvlak, wat een verbeterde snedekwaliteit oplevert. Een derde voordeel is de introductie van drukspanningen door het laserharden, die scheurvorming tegengaat en ook op haar beurt de levensduur van het component verlengt.

Lasertextureren zal dan meer de topografie van het oppervlak positief beïnvloeden. Voor messen zal een lasertextuur er voor zorgen dat de wrijving tussen spaan en mes daalt, waardoor warmte ontwikkeling, slijtage en snijkracht dalen, wat op zijn beurt de levensduur tegoed komt. Ultrakort gepulste lasers zullen ook geen invloed hebben op eventuele warmtebehandelingen, en de microstructuur niet negatief beïnvloeden waardoor een combinatie van harden & texturen mogelijk is.

Ook dunne harde coatings, type PVD en PACVD, mogelijk ook in combinatie met een nitreerlaag, verbeteren in hoge mate het snij-, knip-, of ponsproces. Deze coatings worden aangebracht op geharde basismaterialen en vormen een zeer dunne en zeer harde keramische laag, waardoor de abrasieve slijtageweerstand en dus de levensduur van een mes aanzienlijk verhoogd wordt. Daarnaast gaan deze lagen ook de wrijvingsweerstand reduceren en het aankleven of koudlassen van het te snijden materiaal op de messen tegen gaan. Dit verhoogt de kwaliteit van het eindproduct.

Behandeling van de kern –Daarnaast is er ook een speciale cryogene warmtebehandeling welke inwerkt op het substraat nl het diepkoelen na massief harden. Deze techniek, reeds 30 jaar bekend, wordt weinig toegepast maar kan een duurzame oplossing aanreiken voor veel problemen rond slijtage- en levensduur van gereedschappen. Terwijl het laserharden voornamelijk het oppervlak transformeert tot een harde randlaag zal het diepkoelen eerder een effect hebben op de kern van het materiaal. Recent uitgevoerde onderzoeksprojecten hebben aangetoond dat de levensduur van ponsstempels voor metaal en kunststof aanzienlijk toeneemt dankzij deze behandeling. De voordelen van het diepkoelen situeren zich vooral op vlak van de interne structuur: hogere hardheden, secundaire uitscheiding van fijne carbiden en verlaagde interne spanningen zorgen na diepkoelen voor betere prestaties voornamelijk op vlak van slijtage. Sommige onderzoekers hebben zelfs een verbetering van de corrosieweerstand van hardbare inoxsoorten vastgesteld na een diepkoeling van hardbare inoxsoorten.

Samenvattend: er bestaan verschillende innovatieve oplossingen voor het verlengen van de levensduur van industrieel snijgereedschap:

• Gebruik van gelegeerde PM staalsoorten: zuiverder en meer homogeen staal

• DCT of diepkoelen na harden: stijging van slijtage- en corrosieweerstand door lager restausteniet, fijn verdeelde carbiden en lage inwendige restspanning

• Laserharden: hoge hardheid, lokale en precieze randharding zonder vervorming

• Lasertextureren: betere beheersing van de ruwheid, lage wrijvingsweerstand, betere afvoer van spanen en warmte

• Coatings: hogere abrasieve en adhesieve slijtageweerstand, lage wrijvingsweerstand.

Ons project QUALIKNIFE wil de beschikbare technologieën om de levensduur en performantie van messen op te drijven evalueren en deze toegankelijk maken voor de Vlaamse industrie. Binnen het project zal een infrastructuur opgezet worden om kennis te delen, demonstrators op te zetten en bedrijven te begeleiden bij hun business case en field-trials. De bedoeling is om geval per geval een oplossing te zoeken gebaseerd op één of meerdere (combinaties) van de 5 bovenvermelde technologieën.

Voor wie?

We richten ons tot producenten en gebruikers van industrieel snij-, knip- en ponsgereedschap voor het bewerken van staal, kunststof, rubber, hout, papier, composiet tot voeding …  Heel wat ondernemingen maken in hun processen gebruik van messen en scharen en hebben er alle belang bij om de uptime te verhogen en stilstanden te vermijden.

Wat mogen bedrijven verwachten:

* een caseboek met inspirerende voorbeelden en richtlijnen

* regionale seminaries waarbij de uitdagingen en oplossingen worden gedemonstreerd

* inzichten verwerven en begeleiding om de eerste stappen binnen uw bedrijfsomgeving te zetten. De werkelijk haalbare technische verbetering dient per industriële case onderzocht te worden.

Aan de hand van zes generieke cases werd het potentieel van innovatieve technieken en materialen voor industriële mestoepassingen gedemonstreerd. In deze cases kwamen verschillende topics aan bod:

·        inzetten van hoogwaardige nieuw ontwikkelde staalsoorten
·        verbetering van de eigenschappen door middel van diepkoelen van de messen
·        lasertextureren om aanlading aan het oppervlak te verminderen
·        aanbrengen van coatings ter verbetering van de slijtageweerstand
·        ultrasoon snijden als alternatieve snijtechniek

Er werden twee online webinars georganiseerd met sprekers uit de waardeketen (mesleveranciers, behandelaars) en presentaties van Sirris rond nieuwe technologieën en  resultaten van de generieke cases.

Tevens werd een casebook opgesteld dat een groot aantal praktijkvoorbeelden en gedocumenteerde cases van ‘best practices’ voor industriële mestoepassingen verzamelt. Dit casebook is een hulp voor bedrijven uit de sector om de juiste selectie te maken van materiaal en eventuele nabehandeling voor hun specifieke toepassing.

Behalve deze collectieve acties werden ook 23 bedrijfsspecifieke implementaties opgestart en begeleid.