Bleifreie Werkstoffe für Präzisionsdrehteile: Was der Wechsel wirklich bedeutet

Blei war jahrzehntelang ein geschätzter Legierungszusatz in der Drehteilfertigung. Es verbessert die Zerspanbarkeit erheblich: Späne brechen kürzer, Schnittkräfte sinken, Werkzeugstandzeiten steigen. CuZn39Pb3, der klassische Drehmessing, und bleihaltige Automatenstähle wie 11SMn30Pb waren deshalb in der Massenproduktion von Präzisionsdrehteilen über Jahrzehnte Standard.

Unabhängig von aktuellen Diskussionen über Übergangsfristen steht fest: Die Bedeutung bleifreier Werkstoffe wird in den kommenden Jahren weiter zunehmen.

Der Wechsel auf bleifreie Werkstoffe ist kein einfacher Austausch. Er verändert Zerspanungseigenschaften, Werkzeugverschleiss, Oberflächenqualitäten und damit Prozessparameter und Stückkosten.

Was Blei in der Zerspanung bewirkt und was ohne es anders wird

Blei bildet in Metalllegierungen weiche Einschlüsse, die den Span beim Zerspanen brechen. Das reduziert die Schnittdrücke, verbessert die Wärmeabfuhr und verhindert lange Fliessspan, der Werkzeuge beschädigt und automatisierte Fertigungsprozesse stört. Kurze Bruchspäne sind die Voraussetzung für vollautomatisierte Fertigung von der Stange.

Bleifreie Alternativen weisen andere Zerspanungseigenschaften auf.

Je nach Anwendung kommen heute insbesondere folgende bleifreie Werkstoffe zum Einsatz:

• Bismut-Messing: gute Zerspanbarkeit, jedoch höhere Materialkosten
• Silizium-Messing: für Trinkwasseranwendungen geeignet, jedoch höhere Werkzeugbelastung
• Bleifreier Automatenstahl: bewährter Standard, jedoch weniger günstiger Spanbruch

Was der Werkstoffwechsel konkret bedeutet

Die Auswirkungen eines Werkstoffwechsels auf den Fertigungsprozess sind erheblich und dürfen nicht unterschätzt werden:

• Werkzeugstandzeiten sinken: Bleifreie Legierungen sind zähflüssiger im Zerspanungsprozess. Schneidkanten verschleissen schneller, Nachschleifintervalle verkürzen sich, Werkzeugkosten pro Teil steigen.
• Schnittwerte müssen angepasst werden: Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zustellung müssen neu optimiert werden. Das bedeutet Versuchsreihen, Prozessoptimierung und Anlaufzeit.
• Taktzeiten können steigen: Wer mit bleihaltigen Werkstoffen maximale Taktzeiten erreicht hat, wird mit bleifreien Alternativen oft langsamere Schnittgeschwindigkeiten fahren müssen, um Werkzeugstandzeiten wirtschaftlich zu halten.
• Oberflächenqualität ändert sich: Rauheitswerte und die Gratneigung verändern sich. Für Bauteile mit engen Oberflächenanforderungen muss die Zielgrösse neu validiert werden.
• Materialzertifikate ändern sich: Neue Legierungen erfordern neue Werkstoffdatenblätter, neue Schmelzennachweise und in regulierten Branchen (Medizintechnik, Automotive) neue Freigabeprozesse.

Was das für die Beschaffung bedeutet: Ein Werkstoffwechsel ist kein Änderungsauftrag. Er ist ein Entwicklungsprojekt mit Prozessqualifizierung, Erstmusterfertigung und Freigabezyklus — mit entsprechendem Zeit- und Kostenaufwand.

Wie Konstruktion und Werkstoff­wahl die Fertigungskosten beeinflussen

Wer ein Bauteil für bleifreie Fertigung konstruiert, kann die Wirtschaftlichkeit durch gezielte Designentscheidungen beeinflussen:

• Enge Toleranzen nur dort, wo funktional notwendig: Bleifreie Werkstoffe reagieren sensibler auf Schnittkraftvariation. Je enger die Toleranz, desto höher der Ausschussanteil bei nicht optimierten Prozessen.
• Geometrie auf Spankontrolle ausrichten: Einstiche, Hinterschnitte und abrupte Geometrienwechsel erhöhen das Risiko von Spanaufwicklungen bei zäheren Werkstoffen. Fasen und Radien sind die einfachste Gegenmassnahme.
• Werkstoffwahl früh mit dem Fertigungspartner abstimmen: Ob CuZn21Si3P, CuZn40Bi2 oder eine andere Legierung die richtige Wahl ist, hängt von Anwendung, Medium, Korrosionsanforderung und Fertigungsverfahren ab. Diese Entscheidung sollte nicht im Einkauf, sondern im Co-Engineering getroffen werden.

Fazit: Bleifreiheit ist eine Prozess­entscheidung, keine Werkstoff­entscheidung.

Der Wechsel auf bleifreie Werkstoffe ist technisch lösbar. Er erfordert aber neue Prozessparameter, neue Werkzeugstrategien und, je nach Branche, neue Freigabedokumentationen. Wer das als einfachen Rohmaterialtausch behandelt, unterschätzt den Aufwand. Deshalb sollten Konstruktion, Werkstoffwahl und Fertigungsprozess bereits in einer frühen Projektphase gemeinsam betrachtet werden.

Die richtige Entscheidung für den Ersatzwerkstoff hängt von Anwendung, Medium, Korrosionsanforderung und Fertigungsverfahren ab. Sie sollte im Co-Engineering getroffen werden, nicht im Einkauf, wenn der Liefertermin bereits läuft.

Wenn Sie vor einem Werkstoffwechsel stehen, ein neues Drehteil für bleifreie Fertigung auslegen wollen, oder konkrete Fragen zu bleifreien Werkstoffen haben, sprechen Sie uns an. Ein Werkstoffwechsel verändert nicht nur das Material, sondern stellt auch hohe Anforderungen an die langfristige Prozessbeherrschung.

Mehr dazu lesen Sie in unserem Beitrag:

Warum Serienstabilität bei Präzisionsdrehteilen wichtiger ist als der Stückpreis

Häufige Fragen (FAQ)

• Kann ein bestehendes Bauteil einfach mit einem bleifreien Werkstoff gefertigt werden? 

  Nicht immer. Auch wenn die Geometrie unverändert bleibt, unterscheiden sich Zerspanbarkeit, Werkzeugverschleiss und Oberflächenverhalten. Häufig sind Anpassungen der Fertigungsparameter oder in einzelnen Fällen auch konstruktive Optimierungen notwendig. Deshalb sollte ein Werkstoffwechsel immer gemeinsam mit dem Fertigungspartner bewertet werden.

• Steigen die Stückkosten bei bleifreien Werkstoffen zwingend?

  In den meisten Fällen ja, aber das Ausmass hängt von Legierung, Geometrie und Losgrösse ab. Die Mehrkosten entstehen durch höhere Rohmaterialpreise (insbesondere Bismut), kürzere Werkzeugstandzeiten, langsamere Taktzeiten und den Prozessoptimierungsaufwand beim Umstieg. In Grossserien auf optimierten Maschinen kann der Unterschied auf wenige Prozent reduziert werden. In kleinen Serien oder bei komplexen Geometrien kann er deutlich höher ausfallen.

• Verändert ein Werkstoffwechsel die bestehende Bauteilfreigabe?

  Ja, in der Regel. Ein Wechsel des Rohmaterials gilt als wesentliche Änderung, die eine neue Erstmusterfertigung, Prozessvalidierung und Freigabe erfordert. Wer diesen Aufwand unterschätzt, riskiert Lieferverzögerungen und Qualitätsprobleme beim Anlauf.

• Kann ein Werkstoffwechsel auf einem laufenden Bauteil ohne neue Serienfreigabe erfolgen?

  Nein, nicht ohne Abstimmung mit dem Kunden und Anpassung der Freigabedokumentation. Selbst wenn der neue Werkstoff technisch gleichwertig ist, erfordert ein Materialwechsel in der Regel eine aktualisierte Erstmusterdokumentation, einen neuen Werkstoffnachweis und in regulierten Branchen eine erneute Qualifizierung. Wer das ohne Abstimmung tut, verletzt die Informationspflicht gegenüber dem Abnehmer.

• Wer ist Häni + Co. AG?
  

  Die Häni + Co. AG (1939) ist ein Schweizer Familienunternehmen, welches sich auf die Fertigung von kundenspezifischen Präzisionsdrehteilen spezialisiert hat. Unsere Stärke liegt in der wirtschaftlichen Fertigung technisch anspruchsvoller Präzisionsdrehteile in mittleren bis grossen Serien sowie in der engen technischen Zusammenarbeit mit unseren Kunden. Mit 65 Mitarbeitenden und einem vielseitigen Maschinenpark aus konventionellen und CNC-gesteuerten Einspindlern, Mehrspindlern sowie Rundtaktautomaten fertigen wir in Arch/BE einbaufertige Präzisionsdrehteile im Durchmesserbereich von 1 bis 65 mm.
  Zu unseren Kunden zählen Unternehmen aus den Bereichen Gebäudetechnik und Automation, Mobilität, Elektronik und Verbindungstechnik, Medizin- und Labortechnik, Robotik und Sensorik sowie erneuerbare Energien.
  Unsere nach IATF 16949, ISO 13485, ISO 14001 und ISO 9001 zertifizierten Prozesse gewährleisten eine hohe Prozesssicherheit und erfüllen höchste Qualitäts- und Umweltstandards. Zur Erfüllung der hohen Anforderungen unserer weltweit agierenden Kunden ergänzen wir den Drehprozess häufig durch zusätzliche interne Bearbeitungsschritte wie Honen, Centerless-Schleifen, Gleitschleifen oder Glattwalzen. Ergänzende Oberflächenbehandlungen, insbesondere galvanische Beschichtungen, werden durch langjährige und qualifizierte Partnerunternehmen ausgeführt.
  Wir begleiten unsere Kunden von der Entwicklungsphase über die Industrialisierung bis zur termingerechten Serienlieferung als kompetenter und zuverlässiger Partner.

• Für welche Branchen fertigt Häni + Co. AG Präzisionsdrehteile?
  

  Gebäudetechnik, Medizintechnik, Verbindungstechnik, Sensorik, Robotik, Fluidtechnik und Automotive. Typische Bauteile sind Wellen, Achsen, Buchsen, Ritzel, Ventilspindeln, Kontaktstifte und Verbindungselemente. Swiss Precision seit 1939.