Neues Forschungsprojekt in der PVD-Abteilung

Der Lehrstuhl für Werkstofftechnologie hat im Rahmen des Schwerpunktprogrammes 2402 „Greybox-Modelle zur Qualifizierung beschichteter Werkzeuge für die Hochleistungszerspanung“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft ein Projekt erfolgreich eingeworben. Das Hauptziel dieses Programms besteht darin, grundlegende Erkenntnisse über das Systemverhalten von beschichteten Zerspanwerkzeugen zu gewinnen. Das SPP 2402 besteht aus einer Zusammenstellung von 11 Kooperationsprojekten, an denen Forschende aus verschiedenen Regionen Deutschlands aktiv teilnehmen.

Beschichtete Werkzeuge sind in der Hochleistungszerspanung von entscheidender Bedeutung, jedoch gestaltet sich die Vorhersage ihres Verschleißverhaltens äußerst komplex. Das SPP 2402 zielt darauf ab, diese Komplexität zu entschlüsseln, indem es "Greybox-Modelle" entwickelt, die Korrelationen mithilfe künstlicher Intelligenz aufdecken und gleichzeitig die physikalischen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge verstehen. Dies ermöglicht präzisere Vorhersagen zur Einsatzzeit beschichteter Werkzeuge und eröffnet neue Möglichkeiten in der Zerspanung und Oberflächentechnik.

In einem interdisziplinären Forschungsprojekt, werden die Forschenden vom LWT gemeinsam mit dem Institut für Spanende Fertigung (Prof. Dirk Biermann) und der Experimentellen Physik 2 (Dr. Jörg Debus) die dynamische Prozessstabilität von beschichteten Fräswerkzeugen erforschen. Das Ziel ist eine effiziente Prozessauslegung durch eine mehrskalige Greybox-Modellierung, die sowohl stationäre als auch instationäre Systemzustände berücksichtigt. Dabei werden bewährte Werkzeugkonzepte und PVD-Beschichtungen mit TiAlN- und TiAlSiN-Dünnschichten einbezogen.

Die Zusammenarbeit der drei Forschungseinrichtungen verspricht einen erheblichen Erkenntnisgewinn durch die Kombination von Ex-Situ, In-Situ und Operando-Analysen. Am LWT werden die Fräswerkzeuge unter Verwendung der kathodischen Lichtbogenverdampfung sowie einer hybriden dcMS/HiPIMS-Prozessvariante der Magnetron-Kathodenzerstäubung beschichtet und anschließend Ex-situ hinsichtlich ihrer chemischen, strukturellen und mechanischen Eigenschaften analysiert. Am ISF wird in Zusammenarbeit mit der EP2 ein Versuchsstand zur In-Situ-Spektroskopie entwickelt, sodass neben Operando-Messungen der Prozesskräfte ebenfalls strukturelle Veränderungen durch In-Situ-Spektroskopiemessungen festgestellt werden können. In der sogenannten Blackbox werden dabei die gesammelten Daten, mit Hilfe künstlicher Intelligenz unter Verwendung von künstlichen neuronalen Netzen verarbeitet. Dabei werden Korrelationen identifiziert, die mit bekannten physikalischen sowie werkstoff- und produktionstechnologischen Kausalitäten, der sogenannten Whitebox, verstanden werden. Die Kombination von Black- und Whitebox stellt dabei die Greybox-Modellierung dar.

Durch die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb dieses Projekts fließt Expertenwissen aus den Bereichen Dünnschicht- und Zerspanungstechnologie sowie Laserspektroskopie in eine gemeinsame Greybox-Modellierung ein. Hierdurch wird erwartet, dass der Beginn des Versagens, der Fortschritt des Verschleißes und das Ende der Einsatzdauer der TiAlN- und TiAlSiN-beschichteten Werkzeuge mit hoher Präzision identifiziert und vorhergesagt werden kann. Darüber hinaus bietet dieses Projekt eine hervorragende Gelegenheit, die Kooperation zwischen verschiedenen Fachbereichen an der TU Dortmund zu stärken und die Vernetzung mit anderen Wissenschaftler*innen innerhalb des Schwerpunktprogramms in ganz Deutschland zu fördern.

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