SFB/TR73: Einsatz nanostrukturierter Dünnschichten zur Verschleiß- und Reibungsminderung von Werkzeugen zur Feinblechverarbeitung (1. Förderperiode)

Sonderforschungsbereich Transregio 73: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung

Der Sonderforschungsbereich/ Transregio 73 wurde eingerichtet um eine neue Fertigungstechnologie, die Blechmassivumformung (BMU), zu entwickeln. Diese neue Fertigungstechnologie vereint dabei die Vorzüge der Gestaltungsmöglichkeiten der Blech- als auch der Massivumformung um die umformtechnische Herstellung von komplexen Bauteilen mit funktionalen Nebenelementen zu ermöglichen.

Erhöhte Anforderungen an die Blechumformung, wie beispielsweise die Herstellung kleiner und sehr komplexer Bauteile mit einer endkonturgenauen Geometrie, setzen hohe Press­kräfte bei hohen Umformgeschwindigkeiten voraus. Die Umformwerkzeuge stehen dadurch unter enorm hohen mechanischen Belastungen, die allerdings örtlich und zeitlich unterschied­lich einwirken. Als Folge treten häufig abrasive Verschleißerscheinungen, Kaltverschweißungen und Ermüdungen an den Kontaktstellen zwischen Umformwerkzeug und Bauteil auf, die sowohl zu einer Reduzierung der Werkzeuglebensdauer und Verkürzung der Wartungsintervalle als auch zu einer Verschlechterung der Bauteilqualität führen. Mit dem Ziel, den Auswirkungen der Werkzeugschädigung entgegenzuwirken und auf die steigenden Anforderungen und neuartigen Umformansätze ein­zugehen, müssen die Oberflächeneigenschaften von Umformwerkzeugen ent­sprechend modifiziert und an die korrespondierenden Be­anspruchungsprofile ange­passt werden. Vor diesem Hintergrund kommt der funk­tionellen Oberflächen­beschichtung eine besondere Bedeutung zu. Das Ziel dieses Teilprojektes ist es daher, basierend auf dem Vorbild der Natur verschleißbeständige, konturgenaue, nanostrukturierte Schichten zu entwickeln und abzuscheiden. Darüber hinaus können die Werkzeugoberflächen an den Anforderungen des jeweiligen Umformprozesses angepasst und dabei sowohl die Lebensdauer des Werkzeugs als auch die Qualität des umzuformenden Werk­stücks deutlich verbessern werden. Im Rahmen des Teilprojekts wird eine Kombi­nation Metall ‑ Festschmierstoff ‑ nanostrukturierte Schichten erarbeitet, die verschiedene Funktionen gleichzeitig übernimmt. So werden die metallischen Schichten für eine gute Haftung zwischen dem Stahlgrundwerkstoff und den nachfolgenden Schichten sorgen. Die Kombination weicher Materialien (z.B. Festschmierstoffe) und harter, nanostrukturierter Schichten bieten neben hoher Härte eine sehr hohe Bruchzähigkeit bei sehr gutem Verschleiß- und Reibungs­verhalten. Dabei wird ein neuartiger PVD-Prozess eingesetzt, bei dem neben Nitriden, Karbiden und Karbonitriden auch Oxide abgeschieden werden können. Weiterhin, um die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zu minimieren sowie die Anhaftungen zu reduzieren, werden die Oberflächen der Substrate vor dem Beschichten mittels spanender Fertigungsverfahren biologischen Mustern ähnlich strukturiert und den Anfor­derungen des Systems Werkzeug-Werkstück-Umformprozess angepasst. Daher sind verschiedenartige Strukturierungen mit unterschiedlicher Breite, Tiefe, Abstände etc. geplant, die eingehend untersucht werden. Derartige Strukturierungen zeichnen sich durch sehr niedrige Reibungsgleitwinkel aus, welche für minimale Reibung verantwortlich sind. Der Sandfisch hat z.B. eine gleichmäßige Rippenstruktur (Schuppen) mit einem Abstand von 8 µm und einem Reibungsgleitwinkel von 12°. Solche Strukturen in das Konzept der Oberflächenmodifikation einzubinden, sind Gegenstand des hier beantragten Teilprojektes. Neben der Entwicklung und Abscheidung verschleißbeständiger und reibungsarmer Schichten zielt dieses Teilprojekt darauf ab, Sensorschichten zu konzipieren und in die bionischen Schichten zu integrieren. Ziel ist es dabei, temperatursensorische und kraftsensorische Messungen durchzuführen, um den Umformprozess gezielt zu steuern. Die ermittelten Daten werden direkt in den TP A1, A2, A3 und C1 einfließen. Die temperatursensorischen Schichten basieren auf der Idee des Seebeck-Effektes, während bei den kraftsensorischen Schichten die Widerstandsänderung der Schichten zugrunde liegt. Der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn ist eng mit den neu­entwickelten Umform­prozessen verbunden. In diesem Zusammenhang werden gezielt Änderungen an den neuartigen, bionischen Schichten vorgenommen, um die Verschleißauswirkungen an den Werkzeugen deutlich zu reduzieren und die Qualität der Präzisionswerkzeuge zu verbessern.