SFB/TR73: Einsatz nanostrukturierter Dünnschichten zur Verschleiß- und Reibungsminderung von Werkzeugen zur Feinblechverarbeitung (2. Förderperiode)

Sonderforschungsbereich Transregio 73: Umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen aus Feinblechen - Blechmassivumformung

Der Sonderforschungsbereich/ Transregio 73 wurde eingerichtet um eine neue Fertigungstechnologie, die Blechmassivumformung (BMU), zu entwickeln. Diese neue Fertigungstechnologie vereint dabei die Vorzüge der Gestaltungsmöglichkeiten der Blech- als auch der Massivumformung um die umformtechnische Herstellung von komplexen Bauteilen mit funktionalen Nebenelementen zu ermöglichen.

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.

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.

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.

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.

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.

Weitere Informationen zur Projektbearbeitung in der ersten Förderperiode

1. J. Herper: Tribologische Untersuchungen von verschleiß- und reibungsarmen nanostrukturierten bionischen PVD-Beschichtungen, Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2013.
2. P. Sieczkarek, L. Kwiatkowski, A. Tekkaya, E. Krebs, P. Kersting, W. Tillmann, J. Herper: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes. Key Engineering Materials 554 (2013), 1490-1497. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.554-557.1490
3. W. Tillmann, J. Herper, I.A. Laemmerhirt: Tribological comparison of different surface topographies coated with chromium aluminium nitride. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 44 (2013), 730-735. doi: https://doi.org/10.1002/mawe.201300183
4. U. Vierzigmann, T. Schneider, J. Koch, M. Merklein, U. Engel, R. Hense, D. Biermann, E. Krebs, P. Kersting, H. Lucas, B. Denkena, J. Herper, W. Tillmann, D. Stangier: Untersuchungen von Tailored Surfaces für die Blechmassivumformung mittels angepasstem Ringstauchversuch. In: M. Merklein, B.A. Behrens, A.E. Tekkaya (Hrsg.): 2. Workshop Blechmassivumformung, 2013, Bamberg, Meisenbach, S. 137-162.
5. D. Biermann, M. Kirschner, K. Pantke, W. Tillmann, J. Herper: New coating systems for temperature monitoring in turning processes. Surface and Coatings Technology 215 (2013), 376-380. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.08.086
6. W. Tillmann, D. Stangier, D. Biermann, P. Kersting, E. Krebs, L. Hagen: Tribological investigation of bionic and micro-structured functional surfaces.  Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 46 (2015), 1096-1104. doi:  https://doi.org/10.1002/mawe.201500434
7. D. Stangier, W. Tillmann, E. Krebs, P. Kersting, D. Biermann, L. Hagen: Wear Behavior of Bio-inspired and Technologically Structured HVOF Sprayed NiCrBSiFe Coatings. Surface and Coatings Technology 280 (2015), 16-26. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.08.055
8. M. Löffler, D. Freiburg, D. Gröbel, A. Loderer, S. Matthias, D. Stangier, T. Weikert: Untersuchung von Tailored Surfaces hinsichtlich ihres tribologischen Einflusses auf Prozesse der Blechmassivumformung. In: A.E. Tekkaya, M. Liewald, M. Merklein, B.A. Behrens (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen, Shaker Verlag, S. 131-146.
9. B. Behrens, S. Hübner, M. Vucetic, S. Koch, B. Denkena, T. Grove, H. Lucas, W. Tillmann, D. Stangier, T. Hausotte, A. Loderer: Prozessauslegung und Untersuchung von geschliffenen und CrAlN / CrAlCN-beschichteten Werkzeugoberflächen mittels schwingungsüberlagertem Flachstauchversuch für die Blechmassivumformung. In: A.E. Tekkaya, M. Liewald, M. Merklein, B.A. Behrens (Hrsg.): Tagungsband zum 18. Workshop Simulation in der Umformtechnik & 3. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2015 - DFG Transregio 73, (2015), Aachen, Shaker Verlag, S. 173 – 192.
10. D. Freiburg, D. Biermann, R. Hense, W. Tillmann, D. Stangier: Influence of Surface Modifications on Friction, Using High-Feed Milling and Wear Resistant PVD-Coating for Sheet-Metal Forming Tools. Key Engineering Materials 639 (2015), 275-282. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.639.275
11. M. Löffler, U. Engel, R. Schulte, D. Gröbel, E. Krebs, D. Freiburg, D. Biermann, D. Stangier, W. Tillmann, T. Weikert, S. Wartzack, S. Tremmel,  H. Lucas, B. Denkena, M. Merklein: Tribological measures for controlling material flow in sheet-bulk metal forming. Production Engineering 10 (2016), 459-470. doi: https://doi.org/10.1007/s11740-016-0695-2
12. P. Sieczkarek, S. Wernicke, S. Gies, A. Tekkaya, E. Krebs, P. Wiederkehr, D. Biermann, W. Tillmann, D. Stangier: Wear Behavior of Tribologically Optimized Tool Surfaces for Incremental Forming Processes. Tribology International 104 (2016), 64 – 72. doi: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2016.08.028
13. W. Tillmann, D. Stangier, P. Schröder: Investigation and Optimization of the tribo-mechanical Properties of CrAlCN Coatings using Design of Experiments. Surface and Coatings Technology 308 (2016), 147-157. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.07.110
14. W. Tillmann, D. Stangier, I.A. Laemmerhirt, D. Biermann, D. Freiburg: Investigation of the tribological properties of high-feed milled structures and Cr-based hard PVD-coatings. Vacuum 131 (2016), 5-13. doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.05.024
15. P. Kersting, D. Gröbel, M. Merklein, P. Sieczkarek, S. Wernicke, A. Tekkaya, E. Krebs, D. Freiburg, D. Biermann, T. Weikert, S. Tremmel, D. Stangier, W. Tillmann, S. Matthias, E. Reithmeier, M. Löffler, F. Beyer, K. Willner: Experimental and numcerial analysis of tribological effective surfaces for forming tools in Sheet-Bulk Metal Forming. Production Engineering 10 (2016), 37-50. doi: https://doi.org/10.1007/s11740-015-0651-6
16. W. Tillmann, D. Stangier, B. Denkena, T. Grove, H. Lucas: Influence of PVD-coating technology and pretreatments on residual stresses for sheet-bulk metal forming tools. Production Engineering 10 (2016), 17-24. doi: https://doi.org/10.1007/s11740-015-0653-4
17. B. Denkena, T. Grove, H. Lucas, W. Tillmann, D. Stangier: Influence of PVD-coating manufacturing steps on the subsurface integrity of hardened and soft AISI M3:2 high speed steel. In: K. Bobzin, K.-D. Bouzakis, B. Denkena,  H.J. Maier, M. Merklein (Hrsg.): Proceedings THE "A" Coatings, 2016), PZH Verlag, S. 23-30.
18. M. Löffler, K. Andreas, U. Engel, T. Weikert, S. Tremmel, S. Wartzack, D. Stangier, W. Tillmann, M. Merklein: Surface modifications for adaption of tribological conditions in sheet-bulk metal forming processes. In: K. Bobzin, K.D. Bouzakis, B. Denkena, H.J. Maier, M. Merklein (Hrsg.): Proceedings THE "A" Coatings, (2016), PZH Verlag, S. 13-20.

1. P. Sieczkarek, L. Kwiatkowski, A. Tekkaya, E. Krebs, P. Kersting, W. Tillmann, J. Herper: Innovative tools to improve incremental bulk forming processes. ESAFORM Conference 2013, Aveiro, Portugal, 23.04.2013.
2. W. Tillmann, J. Herper, J.: Biologically inspired nanostructured PVD-coating with improved tribological properties. Sino-German Symposium on Green Joining Material and Remanufacturing, Beijing, China, 17.07.2013.
3. J. Koch: Untersuchung von Tailored Surfaces für die Blechmassivumformung mittels angepasstem Ringstauchversuch. Erlangen, 13.11.2013.
4. W. Tillmann, D. Stangier: Generation and Investigation of the Quaternary Coating System Chromium Aluminium Carbonnitride. European Symposium on Friction, Wear and Wear Protection, Karlsruhe, Deutschland, 08.05.2014.
5. D. Biermann, D. Freiburg, R. Hense, W. Tillmann, D. Stangier: Influence of surface modifications on friction, using high-feed milling and wear resistant PVD-coating for sheet-metal forming tools. Erlangen, Deutschland, 17.03.2015.
6. W. Tillmann: PVD- und thermische Spritzverfahren zur Optimierung des tribologischen Bauteilverhaltens, Bregenz, 07.05.2015.
7. W. Tillmann, D. Stangier, D. Biermann, P. Kersting, E. Krebs: Surface modification by means of multilayer systems and micromilling technology. Long Beach USA, 11.05.2015.
8. B. Denkena, T. Grove, H. Lucas, W. Tillmann, D. Stangier: Influence of PVD-coating manufacturing steps on the subsurface integrity of hardened and soft AISI M3:2 high speed steel. Hannover, 31.03.2016.
9. W. Tillmann, D. Stangier: Investigation and optimization of the tribo-mechanical properties of CrAlCN coatings using Desing of Experiments. ICMCTF, San Diego, USA, 26.04.2016.
10. W. Tillmann, D. Stangier: Influence of Carbon Content on the tribo-mechanical properties of CrAlCN Coatings Processed by Reactive Magnetron Sputtering. Bucaramanga, Kolumbien, 05.10.2016.

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