TR73

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B5 - Dünnschichten (Förderperiode 1)



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

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 14.06.2012



Mitglieder


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.


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2013

    • Vierzigmann, U.; Schneider, T.; Koch, J.; Merklein, M.; Engel, U.; Hense, R.; Biermann, D.; Krebs, E.; 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

    2012

    • Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Herper, J.: Improved Tool Surfaces for Incremental Bulk Forming Processes of Sheet Metals. In: Key Engineering Materials (Hrsg.): 504(2012), S. 975-980
    • Tillmann, W.; Herper, J.: Development and Tribological Investigation of the Coating System Chromium Carbonitride (CrCN) to Different Surface Designs. In: Journal of Materials Science and Engineering (Hrsg.): (2012)4, S. 223-229

    2011

    • Biermann, D.; Merklein, M.; Engel, U.; Tillmann, W.; Surmann, T.; Hense, R.; Herper, J.; Koch, J.; Vierzigmann, U.; Krebs, E.: Umformwerkzeuge in der Blechmassivumformung. In: : Merklein, M.; Bach, Fr.-W.; Tekkaya, A. E.; (Hrsg.): 1. Workshop Blechmassivumformung, 1(2011)1, Bamberg: Meisenbach, S. 119-138
    • Hetzner, H.; Tillmann, W.; Tremmel, S.; Herper, J.: Tribologische Dünnschichten für die Blechmassivumformung. In: Merklein, M.; Bach, F.-W., Tekkaya, A.E. (Hrsg.): 1. Workshop Blechmassivumformung, (2011), Bamberg: Meisenbach, S. 139-158
    • Vogli, E.; Tillmann, W.; Herper, J.: Influence of Ti/TiAlN-multilayer designs on their residual stresses and mechanical properties. In: Applied Surface Science (Hrsg.): (2011)257, S. 8550-8557

    2010

    • Tillmann, W.; Vogli, E.; Herper, J.: Nanostructured bionic PVD-coatings for forming tools. In: Key Engineering Materials (Hrsg.): (2010), S. 41-48

    Vorträge

      2012

      • 26.01.2012: , .; Krebs, E.; Biermann, D.; Herper, J.; Tillmann, W.: Micromilling of bio-inspired surface structures for forming tools in sheet-bulk metal forming, CIRP January Meeting, Paris, STC S
      • 14.03.2012: Sieczkarek, P.; Kwiatkowski, L.; Tekkaya, A.; Krebs, E.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Herper, J.: Improved tool surfaces for incremental bulk forming processes of sheet metals, ESAFORM Conference 2012, Erlangen, Germany

      2011

      • 02.05.2011: Tillmann, W.; Herper, J.: Comparison of different bionic structures coated with CrAlN, 38th Conference on Metallurgical Coatings and Thin films (ICMCTF 2011), San Diego, USA
      • 13.10.2011: Hetzner, H.; Tillmann, W.; Tremmel, S.; Herper, J.: Tribologische Dünnschichten für die Blechmassivumformung, 1. Workshop Blechmassivumformung, Erlangen, Germany
      • 13.10.2011: Biermann, D.; Merklein, M.; Tillmann, W.; Engel, U.; Surmann, T.; Hense, R.; Herper, J.; Koch, J.; Krebs, E.; Vierzigmann, U.: Umformwerkzeuge in der Blechmassivumformung, 1. Workshop Blechmassivumformung, Erlangen, Germany

      2010

      • 14.04.2010: Tillmann, W.; Vogli, E.; Herper, J.: Nanostructured bionic PVD-coatings for forming tools, 8th International Conference – “THe coatings”, Erlangen, Germany