TR73

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B5 - Dünnschichten (Förderperiode 2)



Einsatz nanostrukturierter, bionischer Dünnschichten zur Verschleiß- und Reibungsminderung von Werkzeugen zur Feinblechverarbeitung

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 23.01.2017



Mitglieder


Ziel des Teilprojektes:

Übergeordnetes Ziel des Teilprojektes B5 ist es, den Prozess der Blechmassivumformung zur Herstellung geometrisch komplexer Funktionsbauteile durch eine beschichtungsbasierte Oberflächenmodifikation hinsichtlich Qualität und Formfüllung zu verbessern. Zur Verwirklichung dieses Ziels wird auf der einen Seite mittels Topographienachbildung anhand bionischer Vorbilder versucht, deren gutes tribologisches 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 mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) konturgetreu aufgetragen werden können, geschützt werden, um die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu erhöhen. Schwerpunkt des Vorhabens bildet somit die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Schicht- und Strukturkombinationen sowie deren Auswirkung auf das tribologische Verhalten und die Verschleißbeständigkeit der modifizierten Werkzeugoberflächen.

Förderperiode 1:

Im Rahmen der ersten Förderperiode wurden tierische bionische Strukturen, welche konkave, konvexe und wellenförmige Texturen aufweisen hinsichtlich ihres tribo-mechanischen Verhaltens charakterisiert. Dazu wurden in Kooperation mit dem Teilprojekt B2 frästechnologisch die Strukturen in das Substratmaterial eingebracht. Zum Schutz der filigranen Strukturen wurden drei chrombasierte, keramische PVD-Schichtsysteme (CrAlN, CrCN und Cr2AlC) jeweils monolagig sowie multilagig (Keramik mit metallischen Cr-Zwischenschichten) auf den strukturierten Oberflächen abgeschieden.

 

 

 

Abbildung 1: Analyse und Übertragung tierischer bionischer Strukturen auf Funktionsflächen

Die Untersuchungen der ersten Förderperiode zeigen, dass erfolgreich erste Schicht-Struktur-Kombinationen auf Werkzeuge für inkrementelle Umformprozesse (A4) übertragen wurden. Durch diese Oberflächenmodifikation konnten die Prozesskräfte um circa 20% gesenkt und die Tragfähigkeit der Werkzeugoberflächen gesteigert werden. Zudem zeigte sich, dass durch geeignete Vorbehandlung des Substratmaterials (Plasmanitrierung) die Leistungsfähigkeit des Gesamtschichtsystems zusätzlich gesteigert werden konnte. Des Weiteren konnten mit Hilfe der PVD-Beschichtungstechnologie Sensorschichten (NiCr) zur Temperaturerfassung auf Basis des Seebeck-Effektes im Labormaßstab abgeschieden werden. Diese Sensoren sollen mittelfristig in multilagigen Dünnschichten integriert werden, um dadurch in-situ in die Prozessregelung einzugreifen.

 

Abbildung 2: Strukturierung von Werkzeugen für die Inkrementelle Umformtechnik

Förderperiode 2:

Auf Basis der bestehenden Schicht-Struktursysteme wird in der zweiten Antragsphase das Spektrum der bionischen Strukturen durch Vorbilder aus dem Pflanzenreich 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“ tribologischen Analysen der Struktur-Schichtsysteme unter Verwendung von Schmierstoffen durchgeführt, um den Einfluss der Strukturgeometrie in Kombination mit einem 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.

 

Abbildung 3: 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 Verschleiß geschützt werden und bei einem optimierten Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis das Reibverhalten weiter optimiert wird. Zusätzlich wird durch die umfangreichen Untersuchungen mit unterschiedlichen Schicht-Struktur-Kombinationen ein weitreichendes Verständnis der Wechselwirkungen von bionisch-strukturierten Werkzeugen mit tribologischen Gegenkörpern erwartet.


Arbeitskreise


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, S. 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, S. 23-30
    • 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. In: Special Issue: Production Engineering, 10(2016)1, Springer, S. 17-24
    • Kersting, P.; Gröbel, D.; Merklein, M.; Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Freiburg, D.; Biermann, D.; Weikert, T.; Tremmel, S.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Matthias, S.; Reithmeier, E.; Löffler, M.; Beyer, F.; Willner, K.: Experimental and numcerial analysis of tribological effective surfaces for forming tools in Sheet-Bulk Metal Forming. In: Production Engineering, 10(2016)1, Springer, S. 37-50
    • Tillmann, W.; Stangier, D.; Laemmerhirt, I.-A.; Biermann, D.; Freiburg, D.: Investigation of the tribological properties of high-feed milled structures and Cr-based hard PVD-coatings. In: Vacuum, 131(2016), S. 5-13
    • Tillmann, W.; Stangier, D.; Schröder, P.: Investigation and Optimization of the tribo-mechanical Properties of CrAlCN Coatings using Design of Experiments. In: Surface and Coatings Technology, (2016), akzeptiert
    • Löffler, M.; , .; Engel, U.; Schulte, R.; Gröbel, D.; Krebs, E.; Freiburg, D.; Biermann, D.; Stangier, D.; Tillmann, W.; Weikert, T.; Wartzack, S.; Tremmel, S.; Lucas, H.; Denkena, B.; Merklein, M.: Tribological measures for controlling material flow in sheet-bulk metal forming. In: Production Engineering, (2016), akzeptiert
    • Sieczkarek, P.; Wernicke, S.; Gies, S.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Wiederkehr, P.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Wear Behavior of Tribologically Optimized Tool Surfaces for Incremental Forming Processes. In: Tribology International, 104(2016), S. 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 Resistant PVD-Coating for Sheet-Metal Forming Tools. In: Key Engineering Materials, 639(2015), S. 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 Flachstauchversuch für die Blechmassivumformung. In: Tekkaya, A. E.; Liewald, M.; Merklein, M.; Behrens, B.-A (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen: Shaker Verlag, S. 173 - 192
    • Löffler, M.; Freiburg, D.; Gröbel, D.; Loderer, A.; Matthias, S.; Stangier, D.; Weikert, T.: Untersuchung von Tailored Surfaces hinsichtlich ihres tribologischen 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 Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen: Shaker Verlag, S. 131-146
    • Stangier, D.; Tillmann, W.; Krebs, E.; Kersting, P.; Biermann, D.; Hagen, L.: Wear Behavior of Bio-inspired and Technologically Structured HVOF Sprayed NiCrBSiFe Coatings. In: Surface and Coatings Technology, 280(2015), S. 16-26
    • Tillmann, W.; Stangier, D.; Biermann, D.; Kersting, P.; Krebs, E.; Hagen, L.: Tribological investigation of bionic and micro-structured functional surfaces. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 46(2015)11, S. 1096-1104

    2013

    • Biermann, D.; Tillmann, W.; Herper, J.: New coating systems for temperature monitoring in turning processes. In: Surface & Coatings Technology, 215(2013), S. 376-380
    • Vierzigmann, U.; Schneider, T.; Koch, J.; Merklein, M.; Engel, U.; Hense, R.; Biermann, D.; Krebs, E.; Kersting, P.; Lucas, H.; Denkena, B.; Herper, J.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Untersuchungen von Tailored Surfaces für die Blechmassivumformung mittels angepasstem Ringstauchversuch. In: Merklein, M.; Behrens, B. A., Tekkaya, A. E. (Hrsg.): 2. Workshop Blechmassivumformung, (2013), Bamberg: Meisenbach, S. 137-162
    • Tillmann, W.; Herper, J.; Laemmerhirt, I.-A.: Tribological comparison of different surface topographies coated with chromium aluminium nitride. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 44(2013)8, S. 730-735
    • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Kersting, P.; Tillmann, W.; Herper, J.: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes. In: Key Engineering Materials , 554(2013), S. 1490-1497
    • Herper, J.: Tribologische Untersuchungen von verschleiß- und reibungsarmen nanostrukturierten bionischen PVD-Beschichtungen. In: Wolfgang Tillmann (Hrsg.): Werkstofftechnologische Schriftenreihe, 8(2013), Dissertation: Vulkan Verlag, veröffentlicht

    Vorträge

      2016

      • 31.03.2016: 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, Hannover
      • 26.04.2016: Tillmann, W.; Stangier, D.: Investigation and optimization of the tribo-mechanical properties of CrAlCN coatings using Desing of Experiments, San Diego, USA (ICMCTF)
      • 05.10.2016: Tillmann, W.; Stangier, D.: Influence of Carbon Content on the tribo-mechanical properties of CrAlCN Coatings Processed by Reactive Magnetron Sputtering, Bucaramanga Kolumbien

      2015

      • 17.03.2015: Biermann, D.; Freiburg, D.; Hense, R.; Tillmann, W.; Stangier, D.: Influence of surface modifications on friction, using high-feed milling and wear resistant PVD-coating for sheet-metal forming tools, Erlangen, Germany
      • 07.05.2015: Tillmann, W.: PVD- und thermische Spritzverfahren zur Optimierung des tribologischen Bauteilverhaltens, Bregenz
      • 11.05.2015: Tillmann, W.; Stangier, D.; Biermann, D.; Kersting, P.; Krebs, E.: Surface modification by means of multilayer systems and micromilling technology, Long Beach USA

      2014

      • 08.05.2014: Tillmann, W.; Stangier, D.: Generation and Investigation of the Quaternary Coating System Chromium Aluminium Carbonnitride, Karlsruhe, European Symposium on Friction, Wear and Wear Protection

      2013

      • 23.04.2013: Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Kersting, P.; Tillmann, W.; Herper, J.: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes, ESAFORM Conference 2013, Aveiro, Portugal
      • 17.07.2013: Tillmann, W.; Herper, J.: Biologically inspired nanostructured PVD-coating with improved tribological properties, Sino-German Symposium on Green Joining Material and Remanufacturing, Beijing
      • 13.11.2013: Koch, J.: Untersuchung von Tailored Surfaces für die Blechmassivumformung mittels angepasstem Ringstauchversuch, Erlangen