B4 - DLC-Werkzeugbeschichtung

Tribologische DLC-Beschichtungen in Kombination mit Oberflächenstrukturierungen für Umformwerkzeuge zur Erhöhung der Standzeit und Verbesserung der Prozessqualität

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 01.10.2020

Mitglieder

Antragsteller

• Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel (bis 31.03.2021)

Projektleiter

• Prof. Dr.-Ing. Stephan Tremmel (bis 31.03.2021)

Projektbearbeiter

• M.Sc. Tim Weikert (bis 31.12.2020)

Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten des TP B4 in der aktuellen 3. Phase des SFB/TR 73 stellen die Ergebnisse und Erkenntnisse der vorangegangenen Phasen dar. In der 2. Phase wurde gezeigt, dass die in TP B4 für den Einsatz im Rahmen der Blechmassivumformung (BMU) entwickelten, wolframmodifizierten wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten (a‑C:H:W) zu einer lokalen Anpassung der Reibung in der Wirkfuge beitragen können. Unter Zuhilfenahme statistischer Versuchsmethoden konnten die Einflüsse der Prozessparameter bei der Schichtherstellung auf die mechanischen Eigenschaften und das tribologische Verhalten der Schichten sowohl in abstrahierten als auch in anwendungsnahen Modellversuchen untersucht werden. Die gewonnenen Erkenntnisse dienten darüber hinaus zur Vorhersage sowie zur gezielten Einstellung charakteristischer Schichteigenschaften. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden im Weiteren verschiedene Maskierungs- und Abtragungsstrategien evaluiert, um Schichten unterschiedlichen tribologischen Verhaltens auf einer Oberfläche miteinander zu kombinieren. Hierdurch ließ sich eine lokal angepasste Reibung in der Wirkfuge realisieren.

Abbildung 1: Schematiche Darstellung eines BMU-Werkzeugs mit unterschiedlichen tribologischen Zonen, realisiert durch eine Kombination aus lokaler Beschichtung und Oberflächenmikrostrukturen.

Auf Grundlage der in den ersten beiden Phasen im Hinblick auf eine gezielte Reibungsanpassung kontinuierlich weiterentwickelten a‑C:H:W-Schichtsysteme wird in der aktuellen 3. Phase untersucht, inwieweit die Schichtsysteme auch zu einer effektiven Verlängerung der Standzeit beschichteter Werkzeuge beitragen können. Hierbei stehen vor allem die Ermüdungslebensdauer und die Verschleißbeständigkeit der Schichtsysteme im Fokus. Diese werden zunächst ermittelt und anschließend durch einen geeigneten strukturierten Aufbau der Funktionsschicht – etwa in Form von Multilagen unterschiedlicher chemischer und struktureller Zusammensetzung oder eines mehrphasigen Schichtaufbaus durch die Zugabe verschiedener Dotierungselemente – weiter gesteigert. Darüber hinaus lassen sich auch durch höherenergetisch abgeschiedene Haftschichten sowie durch die Veränderung des Spannungszustandes und der Gefügestruktur in der Randzone des Substrates die Haftfestigkeit und damit die Verschleißbeständigkeit der Schichten erhöhen. Durch eine zusätzliche mechanische Schichtnachbehandlung wird zudem die Rauheit beschichteter Oberflächen reduziert, wodurch das Reibungsverhalten der Schichten stärker zum Tragen kommt.

Während die Schichtsysteme bislang vor allem tribologische Funktionen erfüllten, erhalten sie in der 3. Phase eine ergänzende sensorische Funktion. Durch sensorische, kohlenstoffbasierte Schichtarchitekturen wird es möglich, Schichtverschleiß zu detektieren. Auf diese Weise kann eine verlängerte, individuelle Standzeit der DLC-beschichteten Werkzeuge gewährleistet werden. Neben der Entwicklung geeigneter Schichtarchitekturen und Möglichkeiten der elektrischen Kontaktierung und Signalverarbeitung stellen vor allem die elektrische, mechanische und tribologische Charakterisierung der entwickelten Schichtsysteme sowie deren Applikation auf komplizierter geformten Werkzeugoberflächen zentrale Herausforderungen dar.

Abbildung 2: Vision eines BMU-Werkzeugs mit lokal applizierten, tribologisch wirksamen, sensorischen DLC-Schichten.

Die Schichten leisten weiterhin einen Beitrag für eine verbesserte Formfüllung der zunehmend komplizierter geformten, durch Prozesse der BMU hergestellten Bauteile. Hierzu werden die entwickelten Schichten – auch in Kombination mit weiteren im Forschungsverbund entwickelten tribologisch wirksamen Oberflächenmodifikationen – verstärkt in anwendungsnahen Modell- und Realversuchen untersucht. Erstmalig kann damit die Verschleißbeständigkeit der Schichten unter realen Beanspruchungen und bei praxisähnlichen Hubzahlen evaluiert werden. Durch geometrisches Messen der Bauteile nach ihrer Herstellung sowie durch Prüfen in Bauteilprüfständen wird der Einfluss der Schichten auf die Ausformung funktionsrelevanter Geometrieelemente sowie das Einsatzverhalten der Bauteile beurteilt.

Arbeitskreise

• Bauteileigenschaften und Funktion
• Werkzeuge

Veröffentlichungen

Vorträge