Verhoog de levensduur van uw industriële messen

In de technologische industrie worden voor vele processen industriële messen gebruikt. De levensduur van deze messen is sterk afhankelijk van de toepassing en het materiaal dat ermee gesneden wordt en sommige additieven zijn hiervoor nefast. Het project QualiKnife wil een oplossing bieden.

Bij industriële messen gaat het 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 die staalplaat snijden. Zo worden bijvoorbeeld 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.

Sirris wil het Collectief O&O- en Kennisverspreidingsproject QualiKnife starten, om hiervoor een oplossing te bieden door in te spelen op drie belangrijke parameters voor messen: het materiaal, de behandeling van het oppervlak en van de kern.

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 voor vele snijproblemen. Maar ook de daaraan gekoppelde warmtebehandeling van het substraat is minstens even belangrijk voor het eindresultaat.

Behandeling van het oppervlak

Sirris heeft in het verleden heel wat ervaring opgebouwd met laserbehandelingen van stalen oppervlakken, zoals het laserharden van onderdelen (bijv. behandeling van 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.

Typische effecten van het laserharden, links het spanningsverloop in het oppervlak, rechts het slijtagegedrag (De La Cruz, Steen)

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 warmteontwikkeling, 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 en texturen mogelijk is.

Ook dunne harde coatings van het 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 zullen deze lagen ook de wrijvingsweerstand reduceren en het aankleven of koudlassen van het te snijden materiaal op de messen tegengaan. Dit verhoogt de kwaliteit van het eindproduct.

Behandeling van de kern

Daarnaast is er ook een speciale cryogene warmtebehandeling, die inwerkt op het substraat: diepkoelen na massief harden. Deze techniek, die al 30 jaar bekend is, wordt weinig toegepast, maar kan een duurzame oplossing aanreiken voor veel problemen rond slijtage en levensduur van gereedschappen. Terwijl laserharden voornamelijk het oppervlak transformeert tot een harde randlaag, zal 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 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 diepkoeling van hardbare inoxsoorten.

Onderstaande tabel geeft een beeld van de te verwachten toename van de slijtageweerstand van werkelijke gereedschappen na harden met diepkoeling.

Senthilkumar et al: Int. J. Materials and Structural Integrity Vol 8, 2014

Samengevat

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

  • Het gebruik van gelegeerde PM-staalsoorten: zuiverder en meer homogeen staal
  • DCT of diepkoelen na harden: een stijging van slijtage- en corrosieweerstand door lager restausteniet, fijn verdeelde carbiden en lage inwendige restspanning
  • Laserharden: een hoge hardheid, lokale en precieze randharding zonder vervorming
  • Lasertextureren: een betere beheersing van de ruwheid, lage wrijvingsweerstand, betere afvoer van spanen en warmte
  • Coatings: een hogere abrasieve en adhesieve slijtageweerstand, lage wrijvingsweerstand

QualiKnife

Met het QualiKnife-project wil Sirris 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?

Het project zal zich richten tot producenten en gebruikers van industrieel snij-, knip- en ponsgereedschap voor de bewerking 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.

Verwachte inspanning van bedrijven?

  • feedback geven: welke industriële toepassingen zijn voor u relevant?
  • indien mogelijk, toegang verlenen tot infrastructuur voor het demonstreren van snijgereedschappen in specifieke omgevingen
  • deelname aan de begeleidingsgroep (1 à 2 maal per jaar). Hierdoor volgt u vanop de eerste rij de resultaten en kunt u als eerste ook starten met implementatiestappen binnen uw bedrijf.
  • een intentieverklaring om een bedrijfsspecifiek project rond dit thema op te zetten

Interesse of vragen? Neem contact met ons op!


(Foto bovenaan: voorbeeld van industriële stalen messen -
Bron: http://www.machine-knife.com)