TR73

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B5 - Dünnschichten



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

Projektstatus: laufend

Letztes Update: 28.01.2017



Mitglieder


Die Zielsetzung des Teilprojekts B5 besteht darin, die Prozesse der Blechmassivumformung durch werkzeugseitige Oberflächenmodifikationen in Form von bionischen Strukturen und Cr-basierten Hartstoffschichten zu beeinflussen. Dies geschieht durch eine Anpassung der tribologischen Bedingungen, um den werkstückseitigen dreidimensionalen Stofffluss des Blechwerkstoffs in die filigranen Funktionsnebenelemente zu begünstigen und eine hohe Formfüllung der Kavitäten des Umformwerkzeugs zu ermöglichen. Die dazu erforderlichen tierischen und pflanzlichen bionischen Strukturen wurden im Rahmen der ersten beiden Förderperioden entwickelt und deren Eigenschaftsprofile charakterisiert. Die zum Schutz der filigranen Elemente verwendeten Cr-basierten nitridischen und carbo-nitridischen Dünnschichten erwiesen sich dabei als geeignetes Instrument, wobei jedoch prozessimmanent geometrische Einschränkungen durch die Sichtlinien-charakterisitk bei der Beschichtung komplex gestalteter Oberflächen der BMU-Werkzeuge bestehen.

 

Abb. 1: Bionische Oberflächenstrukturen a) Skarabäus-Käfer, b) Sasa palmata (Bambus), c) Oryzia sativa (Reispflanze)

Auf Basis der vorgestellten Ergebnisse wird für die dritte Förderperiode der Fokus der Forschungsaktivitäten auf die beschichtungsseitige Leistungssteigerung und Standzeiterhöhung der Werkzeugoberflächen gelegt. Dies soll auf der einen Seite durch die Entwicklung von CrAlN- und CrAlCN-Dünnschichten mittels HiPIMS-Technologie erfolgen, welche durch den hohen Ionisationsgrad eine nahezu geometrieunabhängige endkonturgetreue Beschichtung der bionischen Strukturen mit PVD-Schichten ermöglicht. Auf der anderen Seite sollen dabei die strukturellen Anpassungsmöglichkeiten, welche aus dem hohen Ionisationsgrad resultieren, genutzt werden, um Schichten mit einer höheren Härte bei gleichzeitig niedrigerem E-Modul im Vergleich zu konventionellen Magnetron-Sputtering-Schichten abscheiden zu können. Neben den verbesserten mechanischen Eigenschaften wird zusätzlich angestrebt, durch die HiPIMS-Schichten eine bessere Anbindung der Schicht an das Substrat sowie aus der dichten, nahezu defektfreien Morphologie ein resultierendes geringes Rauheitsprofil zu erreichen. Dieses Eigenschaftsprofil soll sowohl für die hochverschleißbeständigen CrAlN- als auch die reibungsarmen CrAlCN- Schichten eingestellt werden, um so die Leistungsfähigkeit der BMU-Prozesse zu steigern. Zusätzlich werden neben der anforderungsspezifischen Gestaltung der tribo-mechanischen Schichteigenschaften die Einflüsse und Wechselwirkungen der mechanischen Bearbeitungsschritte, welche aus vorgelagerten Prozessen resultieren, auf oberflächennahe Werkzeugbereiche mit einbezogen. Die aus der Fertigung resultierenden bidirektionalen Wechselwirkungen auf den Eigenspannungszustand des Schicht-Grundwerkstoffverbundes werden grundlegend untersucht. Dabei sollen die zur Verfügung stehenden unterschiedlichen Plasmaätzverfahren, welche dem Beschichtungsprozess vorgeschaltet sind, gezielt genutzt werden, um den Spannungszustand zu modifizieren und eine hohe Schichthaftung zu gewährleisten. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch Schichtnachbehandlungen in Form von Nassstrahlspanen, welche zu einer gezielten Anpassung des Rauheitsprofils der Dünnschichten und zur Ausbildung eines Härte- und Eigenspannungsgradienten führen sollen. Diese werkzeugseitigen Oberflächenmodifikationen werden dazu genutzt, um den prozessangepassten tribologischen Anforderungen der Umformprojekte gerecht zu werden. Die Standzeitversuche sollen dabei unter praxisnahen Bedingungen in Verschleißprüfständen evaluiert werden, welche erstmalig eine Aussage über die Belastungs- und Leistungsfähigkeit von Dünnschichten in Langzeituntersuchungen für die BMU ermöglichen. Darüber hinaus werden die Wechselwirkungen verschiedener Struktur-Schichtkombinationen untersucht, um die limitierenden Einflussfaktoren auf die Standzeit identifizieren und analysieren zu können. Die dabei gewonnen Erkenntnisse werden auf reale Umformwerkzeuge übertragen und der Einfluss der entwickelten Oberflächenmodifikation auf die Prozessführung und die real ausgeformten Bauteile untersucht.

 

Der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn liegt dabei in der Identifizierung der Wechselwirkungen zwischen den strukturellen Eigenschaften der HiPIMS-Beschichtungen sowie den daraus resultierenden tribologischen Eigenschaften im Belastungskollektiv der BMU. Erstmalig werden bionische Strukturen mittels hochenergetischer Plasmen beschichtet, um gezielt deren Oberflächeneigenschaftsprofil anpassen und deren Verschleißbeständigkeit erhöhen zu können.


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2017

    • Tillmann, W.; Stangier, D.; Lopes-Dias, N.-F.; Biermann, D.; Krebs, E.: Adjustment of Friction by Duplex-Treated, Bionic Structures for Sheet-Bulk Metal Forming. In: Tribology International, 111(2017), S. 9–17
    • Tillmann, W.; Stangier, D.; Nelson-Filipe Lopes Dias: Influence of PVD-Duplex-Treated, Bionic Surface Structures on the Wetting Behavior for Sheet-Bulk Metal Forming Tools. In: Journal of Bionic Engineering, (2017), akzeptiert