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SFB/TR73-B5: Einsatz nanostrukturierter Dünnschichten zur Verschleiß-und Reibungs-minderung von Werkzeugen zur Feinblechverarbeitung

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Projektbearbeiter: Dominic Stangier

Ziel des Teilprojektes:

Übergeordnetes Ziel des Teilprojektes B5 ist es, den Prozess der Blechmassivum-formung zur Herstellung geometrisch komplexer Funktionsbauteile durch eine be-schichtungsbasierte Oberflächenmodifikation hinsichtlich Qualität und Formfüllung zu verbessern. Zur Verwirklichung dieses Ziels wird auf der einen Seite mittels To-pographienachbildung anhand bionischer Vorbilder versucht, deren gutes tribologi-sches Verhalten, welches aus einer Reduzierung der Kontaktfläche resultiert, auf Werkzeuge zu übertragen. Auf der anderen Seite sollen diese mikroskopischen, filigranen Strukturen durch ternäre und quaternäre Hartstoffschichten, welche mit-tels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) konturgetreu aufgetragen wer-den können, geschützt werden, um die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Schwerpunkt des Vorhabens bildet somit die Untersuchung der Wech-selwirkung zwischen verschiedenen Schicht- und Strukturkombinationen sowie deren Auswirkung auf das tribologische Verhalten und die Verschleißbeständigkeit der modifizierten Werkzeugoberflächen.

Förderperiode 2:

Auf Basis der bestehenden Schicht-Struktursysteme wird in der zweiten Antrags-phase das Spektrum der bionischen Strukturen durch Vorbilder aus dem Pflanzen-reich erweitert und eine systematische Untersuchung möglicher Skalierungseffekte von den bereits bestehenden tierischen Strukturen vorgenommen. In Erweiterung zu den bereits bestehenden Untersuchungen werden die bislang „trockenen“ tribo-logischen Analysen der Struktur-Schichtsysteme unter Verwendung von Schmier-stoffen durchgeführt, um den Einfluss der Strukturgeometrie in Kombination mit ei-nem Zwischenmedium auf das Reib- und Verschleißverhalten zu untersuchen. Diese Arbeiten zielen darauf ab, geeignete reibungs- und verschleißarme bionische Oberflächentexturen mittels Mikrozerspanung zu erzeugen, welche eine gezielte ortsabhängige Änderung der Schmierstoffkonzentration durch eine Variation des Benetzungswinkels (hydrophobes Verhalten) ermöglichen. Dies verbessert die Qualität der Werkstücke sowie die Lebensdauer der verwendeten Demonstratoren und wird im Anschluss auf die lokalen Anforderungen realer Umformwerkzeuge übertragen.

SFB-TR73-B5_Foe2_Abbildung_1

Abbildung 1: Aufnahme pflanzliche bionische Oberfläche von Euphorbia Atropurpurea

Bedingt durch die guten tribo-mechanischen Eigenschaften der CrAlN PVD-Schichten wird das in der ersten Förderphase entwickelte Schichtsystem durch die Einlagerung von Kohlenstoff erweitert. Vom quaternären Schichtsystem CrAlCN wird erwartet, dass durch dessen Applikation die Strukturen noch besser vor Ver-schleiß geschützt werden und bei einem optimierten Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis das Reibverhalten weiter optimiert wird. Zusätzlich wird durch die um-fangreichen Untersuchungen mit unterschiedlichen Schicht-Struktur-Kombinationen ein weitreichendes Verständnis der Wechselwirkungen von bio-nisch-strukturierten Werkzeugen mit tribologischen Gegenkörpern erwartet.

Veröffentlichungen:

2016

  • Löffler, M.; Andreas, K.; Engel, U.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Wartzack, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Merklein, M.: Surface modifications for adaption of tribological conditions in sheet-bulk metal forming processes. In: Bobzin, K.; Bouzakis, K.-D.; Denkena, B.; Maier, H.J.; Merklein, M. (Hrsg.): Proceedings THE "A" Coatings, (2016), PZH Verlag, 13-20.
  • Denkena, B.; Grove, T.; Lucas, H.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Influence of PVD-coating manufacturing steps on the subsurface integrity of hardened and soft AISI M3:2 high speed steel. In: Bobzin, K.; Bouzakis, K.-D.; Denkena, B.; Maier, H.J.; Merklein, M. (Hrsg.): Proceedings THE "A" Coatings, (2016), PZH Verlag, 23-30.
  • Tillmann, W.; Stangier, D.; Schröder, P.: Investigation and Optimization of the tribo-mechanical Properties of CrAlCN Coatings using Design of Experi-ments. Surface and Coatings Technology, 308 (2016) 147-157.
  • Tillmann, W.; Stangier, D.; Denkena, B.; Grove, T.; Lucas, H.: Influence of PVD-coating technology and pretreatments on residual stresses for sheet-bulk metal forming tools. Production Engineering, 10 (2016) 17-24.
  • Tillmann, W.; Stangier, D.; Laemmerhirt, I.-A.; Biermann, D.; Freiburg, D.: In-vestigation of the tribological properties of high-feed milled structures and Cr-based hard PVD-coatings. Vacuum, 131 (2016) 5-13.
  • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Wear Behavior of Tribologically Op-timized Tool Surfaces for Incremental Forming Processes. Tribology Interna-tional, 104 (2016), 64-72.

2015

  • Freiburg, D.; Biermann, D.; Hense, R.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Influence of Surface Modifications on Friction, Using High-Feed Milling and Wear Re-sistant PVD-Coating for Sheet-Metal Forming Tools. Key Engineering Materi-als, 639 (2015) 275-282.
  • Behrens, B.; Hübner, S.; Vucetic, M.; Koch, S.; Denkena, B.; Grove, T.; Lucas, H.; Tillmann, W.; Stangier, D.; Hausotte, T.; Loderer, A.: Prozessauslegung und Untersuchung von geschliffenen und CrAlN / CrAlCN-beschichteten Werkzeugoberflächen mittels schwingungsüberlagertem Flachstauchver-such für die Blechmassivumformung. In: Tekkaya, A. E.; Liewald, M.; Merk-lein, M.; Behrens, B.-A (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015) 173-192.
  • Löffler, M.; Freiburg, D.; Gröbel, D.; Loderer, A.; Matthias, S.; Stangier, D.; Weikert, T.: Untersuchung von Tailored Surfaces hinsichtlich ihres tribologi-schen Einflusses auf Prozesse der Blechmassivumformung. In: Tekkaya, A. E.; Liewald, M.; Merklein, M.; Behrens, B.-A (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blech-massivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015) 131-146.
  • Tillmann, W.; Hagen, L.; Stangier, D.; Laemmerhiert, I.-A.; Biermann, D.; Kersting, P.; Krebs, E.: Wear Behavior of Bio-inspired and Technologically Structured HVOF Sprayed NiCrBSiFe Coatings. In: Surface and Coatings Technology, 280 (2015) 16-26.
  • Tillmann, W.; Stangier, D.; Biermann, D.; Krebs, E.; Hagen, L.: Tribologische Untersuchung bionischer und mikrostrukturierter Funktionsflächen. Materi-alwissenschaft und Werkstofftechnik, 46 (2015) 1096-1104.

2013

  • Biermann, D.; Kirschner, M.; Pantke, K.; Tillmann, W.; Herper, J.: New coating systems for temperature monitoring in turning processes. Surface and Coatings Technology, 215 (2013) 376-380.
  • Tillmann, W.; Herper, J.; Laemmerhirt, I.-A.: Tribological comparison of differ-ent surface topographies coated with chromium aluminium nitride. Material-wissenschaft und Werkstofftechnik. 44 (2013) 730-735.
  • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Tillmann, W.; Herper, J.: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes. Key Engi-neering Materials. 554 (2013), 1490-1497.
  • Herper, J.: Tribologische Untersuchungen von verschleiß- und reibungsar-men nanostrukturierten bionischen PVD-Beschichtungen. In: Wolfgang Till-mann (Hrsg.): Werkstofftechnologische Schriftenreihe des LWT, Band 8 (2013), TU Dortmund, Vulkan Verlag, Dissertation.