Die Ökobilanz der Form: Was das Werkzeug selbst an CO₂ kostet

Ökobilanzen im Faserverbund enden meist an der Bauteilkante: Fasern, Harz, Prozessenergie. Das Werkzeug selbst – oft die teuerste Einzelinvestition eines Projekts – taucht in der Rechnung selten auf. Dabei entscheiden Werkstoffwahl, thermische Masse – also die Materialmenge, die bei jedem Heizzyklus mit aufgeheizt werden muss – und Standzeit der Form darüber, wie viel CO₂ am Ende auf jedes einzelne Bauteil entfällt. Genau diese Lücke nimmt die Forschung inzwischen systematisch in den Blick.

SustainTool: eine Methodik für den Werkzeugbau

Das Forschungsprojekt „SustainTool – Werkzeugbau als Motor der Nachhaltigkeit“ lief nach Angaben des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen von März 2024 bis 2026, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Beteiligt waren neben dem WZL unter anderem die Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe, die Hochschule Schmalkalden, die Montanuniversität Leoben, Fraunhofer Austria und der oberösterreichische Kunststoff-Cluster. Kern ist eine Methodik, die Nachhaltigkeit über den gesamten Werkzeuglebenszyklus abbildet: eine Wesentlichkeitsanalyse – also die Auswahl der UN-Nachhaltigkeitsziele, die für den Werkzeug- und Formenbau tatsächlich relevant sind –, ein branchenbezogener CO₂-Fußabdruck (Industry Carbon Footprint) sowie Energie- und Materialeffizienzanalysen von der Entwicklung über die Herstellung bis zur Nutzung.

Greifbar sind vor allem die Ergebnisse: ein Leitfaden zur nachhaltigen Werkzeugherstellung für kleine und mittlere Betriebe, ein CO₂-Rechner für Spritzgusswerkzeuge, Energiesimulationswerkzeuge und validierte Konzepte für das Lebensende von Werkzeugen. WZL-Wissenschaftlerin Helen Baumert fasst den Anspruch so zusammen: Mit belastbaren Emissionsdaten und praxisnahen Methoden müsse Nachhaltigkeit im Werkzeugbau „nicht abstrakt bleiben“. Für die Einordnung wichtig: SustainTool stammt aus dem Spritzgieß-Werkzeugbau. Die Methodik – den Lebenszyklus denken, Emissionen je Phase erfassen, Wiederverwendung prüfen – lässt sich auf GFK- und Composite-Formen übertragen; die konkreten Rechner und Zahlen gelten zunächst für Spritzgusswerkzeuge.

Was die Formenwerkstoffe an CO₂ mitbringen

Der Fußabdruck einer Form beginnt beim Rohmaterial – und dort liegen die Werkstoffe weit auseinander. Eine Ökobilanz-Übersicht der Fachzeitschrift NC-Fertigung liefert die Basiswerte, ergänzt um Aluminium-Zahlen des International Aluminium Institute – jeweils bezogen auf eine Tonne erzeugtes Material:

• Werkzeugstahl: 4,0 bis 6,0 t CO₂ – rund das Doppelte bis Dreifache von gewöhnlichem Kohlenstoffstahl aus der Hochofenroute. Ursache sind aufwendige Wärmebehandlungen und Legierungsmetalle wie Wolfram und Vanadium.
• Grauguss: 1,5 bis 2,0 t CO₂ – zusammen mit einfachem Stahl am unteren Ende der Tabelle.
• Primäraluminium: 15,1 t CO₂-Äquivalent im globalen Schnitt, gerechnet von der Mine bis zur Gießerei (laut International Aluminium Institute) – je Tonne rund das Dreifache von Werkzeugstahl.
• Recyclingaluminium: rund 0,5 t CO₂-Äquivalent im reinen Umschmelzprozess (gate-to-gate, also ohne die Vorkette des Schrotts) – etwa ein Dreißigstel des Primärwerts; das Umschmelzen spart etwa 95 Prozent der Energie.
• Perspektive: „grüner Stahl“ über Wasserstoff-Direktreduktion unter 0,4 t CO₂ – heute noch die Ausnahme, zeigt aber die Richtung.

Epoxidharz, die Basis vieler GFK-Formen und Formenharze, liegt laut einer bei Springer erschienenen Studie bei 5,9 kg CO₂-Äquivalent je Kilogramm – auf das Gewicht bezogen also in derselben Größenordnung wie Werkzeugstahl. Der entscheidende Unterschied: Eine Composite-Form braucht für dieselbe Aufgabe nur einen Bruchteil der Masse.

Masse zählt doppelt: beim Bau und bei jedem Heizzyklus

CNC-gefräste Werkzeuge aus BMI/Carbon – Bismaleimid ist ein besonders hochtemperaturbeständiges Duroplast – erreichen rund ein Fünftel der Dichte eines vergleichbaren Werkzeugs aus Invar, einer schweren Eisen-Nickel-Legierung mit minimaler Wärmedehnung; wie sich die Optionen nach Wärmedehnung, Stückzahl und Kosten sortieren, zeigt der Vergleich der Werkzeugmaterialien. Für die Ökobilanz zählt die Masse doppelt: einmal bei der Herstellung – und danach bei jedem Heizzyklus, denn Autoklav (ein beheizter Druckbehälter zum Aushärten) und Temperofen erwärmen nicht nur das Bauteil, sondern die gesamte thermische Masse des Werkzeugs gleich mit.

Wie groß dieser Hebel ist, zeigen intelligente temperierte Werkzeuge, die nur die Formoberfläche statt der gesamten Werkzeugmasse heizen: Sie senken den Energieverbrauch je Zyklus – so die Herstellerangabe von Cannon für sein System Nexus, verglichen mit flüssigkeitsbeheizter Temperierung – um bis zu 70 Prozent. Eine Lebenszyklusstudie zu Spritzgießwerkzeugen kommt zum selben Bild: Strom- und Stahlverbrauch dominieren die Umweltlast der Werkzeugherstellung – mit sauber erzeugtem Strom sinkt der Strombeitrag auf bis zu ein Zehntel.

Tooling Board: Recyclinganteile im Blockmaterial

Auch beim Tooling Board – dem Blockmaterial, aus dem Urmodelle und Formen gefräst werden – bewegt sich etwas. Der deutsche Hersteller RAMPF gibt an, dass seine Polyurethan-Boards – neben Epoxid die zweite verbreitete Board-Basis – den CO₂-Ausstoß gegenüber Aluminium-Werkzeugen um über 90 Prozent senken; die Systemgrenzen dieser Herstellerangabe sind nicht offengelegt, sie passt aber zur Grundmechanik aus weniger Masse und weniger Primärmetall. Konkreter gefasst sind die Stoffströme: Nach eigener Angabe stammen bis zu 30 Prozent der Rohstoffe in den Boards aus chemischem Recycling, und bis zur Hälfte der Produktionsreste läuft im geschlossenen Kreislauf zurück in die Fertigung.

Standzeit und Reparierbarkeit: der größte Hebel

Die wichtigste Stellgröße steht in keiner Werkstofftabelle: die Zahl der Bauteile, die eine Form über ihr Leben liefert. Der CO₂-Rucksack des Werkzeugs verteilt sich auf jede Entformung – eine Form, die doppelt so lange durchhält, halbiert ihren Fußabdruck je Bauteil. Toray nennt für Composite-Werkzeuge nach eigener Angabe eine Standard-Lebensdauer von über 250 Zyklen; von Invar-Werkzeugen erwartet die Luftfahrt ein Vielfaches davon.

Wer nur auf den Fußabdruck je Tonne schaut, greift deshalb zu kurz: Ein schweres Stahl- oder Invar-Werkzeug mit sehr langer Standzeit kann je Bauteil sauberer sein als eine leichte Form, die früh ersetzt werden muss. Der zweite Teil des Hebels ist die Pflege: Kratzer ausschleifen, Risse instand setzen, Trennschicht erneuern – was die Anleitung zur Reparatur und Pflege der GFK-Form im Detail beschreibt, ist zugleich ein höchst wirksames Nachhaltigkeitsprogramm. Jede erfolgreiche Reparatur ersetzt einen kompletten Neubau samt Material- und Energieaufwand.

Lebensende: Werkzeuge im Kreislauf

Am Lebensende trennen sich die Wege. Metallformen gehen in etablierte Recyclingströme; duroplastische Composite-Formen – einmal ausgehärtet, lassen sie sich nicht wieder aufschmelzen – sind deutlich schwerer zu verwerten. Welche Wege es gibt, beschreibt das Dossier zu den Recycling-Verfahren für Faserverbunde. Dass es auch anders geht, zeigen Airtech und Jamco America: Sie drucken großformatige Werkzeuge additiv – wie das grundsätzlich funktioniert, zeigt das Dossier zu 3D-gedruckten Formen – aus dem carbonfaserverstärkten Thermoplast Dahltram I-350CF, der sich nach Angaben der Partner vollständig recyceln lässt. Altwerkzeuge werden gemahlen und zu Misch- oder komplett recycelten Formulierungen verarbeitet, ein Rücknahmeprogramm schließt den Kreislauf. Auch SustainTool hat Konzepte für das Lebensende von Werkzeugen validiert, die Wiederverwendung von Komponenten eingeschlossen.

ESPR und Produktpass: die Regulierung rückt näher

Regulatorischer Rückenwind kommt aus Brüssel. Die EU-Ökodesign-Verordnung ESPR, seit Juli 2024 in Kraft, erfasst grundsätzlich alle physischen Waren; ihr erster Arbeitsplan priorisiert unter anderem Eisen und Stahl sowie Aluminium. Werkzeuge und Formen sind damit zwar keine eigene priorisierte Produktgruppe – über ihre Werkstoffe werden sie aber indirekt getroffen. Der zugehörige digitale Produktpass, eine maschinenlesbare Datenkarte je Produkt, nimmt Gestalt an: Das EU-Register war bis zum 19. Juli 2026 zu errichten, die harmonisierten Normen sind veröffentlicht, erste umfassende Produktanforderungen folgen 2027 bis 2028. Die Begriffe dahinter erklärt das Dossier zu Ökobilanz, CO₂-Fußabdruck und Produktpass auf Bauteilebene – für das Werkzeug gilt dasselbe Prinzip: Wer Materialherkunft, Energieverbrauch und Reparaturen der Form dokumentiert, hat die Daten parat, bevor jemand sie verlangt.

Wie eine Negativform überhaupt entsteht – vom Urmodell bis zur ersten Entformung – zeigt der Leitartikel zum GFK-Formenbau; die Werkstoffseite vertieft der Vergleich der Werkzeugmaterialien.